Delist.ru

Напряженно-деформированное состояние каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях (14.12.2010)

Автор: Нгуен Фыонг Лам

Полученная в ходе решения динамической задачи сейсмическая нагрузка является изменяющейся во времени функцией, определяющей путь нагружения материала в каждом элементе плотины. Наряду со всеми прочими нагрузками и силами, действующими на сооружение, она может быть использована в физической модели грунта.

Поровое давлении. Избыточное поровое давление в противофильтрационном элементе плотины в конце строительного периода и до окончания наполнения водохранилища присутствует всегда. Однако, по мере оттока поровой жидкости через дренажную систему переходных зон, оно рассеивается, грунт при этом оседает. Процесс консолидации происходит до тех пор, пока не начнет расти гидростатическое давление в ядре, связанное с подъемом уровня верхнего бьефа и фильтрацией через ядро.

В работе учет сил порового давления производится на этапах статической работы плотины, эти силы формируют напряженно-деформированное состояние плотины на момент начала землетрясения. Под действием сейсмической нагрузки поровое давление начинает расти. Расчет сил порового давления производится по формулам, полученным А.А. Ничипорович и Т.И. Цыбульник для одномерной задачи консолидации в виде:

; с = ((1 + (ср)kф/(0а – коэффициент консолидации. Величина а = – ((/((, как и (, (, kф, принимается постоянной и равной среднему значению в диапазоне изменения напряжений ( от 0 до максимальных на рассматриваемом уровне у. Величину а лучше определять из опытов в приборе трехосного

где ( (у,tк) – максимальное среднее напряжение tк на уровне у; ty – время строительства ядра до уровня Н – у.

где V = Нs / (ts – tн) – скорость подъема воды в верхнем бьефе (здесь Нs – напор на сооружение; tн, ts – моменты времени, соответствующие началу и окончанию наполнения водохранилища); ts,y – время, соответствующее наполнению до уровня у; ((i) = ( + (– 1)i(1 – (), при i четных а(г') = 1, при г нечетных ((i) = 2( – 1.

Использование в пространственной задаче напряженно-деформиро-ванного состояния плотины плоской модели движения фильтрационного потока (из верхнего бьефа в нижний бьеф) не противоречит постановке приведенного в работе примера. Поскольку борта и основание плотины представлены крепкими, малотрещиноватыми скальными породами, то движения фильтрационного потока по направлению к бортам нет. Более того. Плоская задача в фильтрационном отношении может быть сведена к одномерной, если принять условие горизонтального оттока воды, что равносильно учету большой фильтрационной анизотропии в грунте, когда kфх(( kфу. Это допущение справедливо для большинства ядер плотин, возводимых методом послойного уплотнения. Исследования показали, что в них соотношение коэффициентов фильтрации составляет 10 и более.

При землетрясении расчет порового давления производится по величине приращения сейсмической нагрузки подобно изменению нагрузки от собственного веса. В каждый момент времени, соответствующий шагу оцифровки акселерограммы (?t?0.005с), в плотине под действием сейсмической силы происходит изменение напряженного состояния, которое, в случае положительного приращения напряжений, вызывает рост порового давления. При этом предполагается, что снижение порового давления в рассматриваемом элементе может происходить только вследствие оттока избыточной поровой воды из грунта, т.е. рассеивание порового давления, как в ядре, так и в призме зависит от скорости фильтрации рассматриваемого грунта.

Пульсация сил порового давления в узлах плотины также участвует в сборе всех динамических нагрузок, действующих на плотину во время землетрясения.

Для грунтового сооружения характер деформирования (связь ?=f(?)) описывается нелинейной зависимостью, в которой участвуют упругие, упруго-пластические и вязкие деформации, протекающие в грунтовой среде под нагрузкой. На каждом шаге по времени, что совпадает с шагом оцифровки акселерограммы ?t, производится оценка состояния грунта по отношению к предельному, т.е. согласно принятому «энергетическому» условию прочности (5) рассчитывается коэффициент надежности в элементах

Состояние "нагрузка-разгрузка" для грунта определяется согласно следующим условиям. За критерий нагружения принимается выполнение одного из неравенств

dЭ > 0 или dКн< 0 (11)

где dЭ - приращение энергии объемного сжатия в элементе; dКн- изменение Кн в элементе при последующем шаге нагружения.

Пластические деформации после каждого шага-нагружения накапливаются и к концу землетрясения определяют полную величину остаточных деформаций в

При расчетах напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин, как правило, основными критериями работоспособности являются величины напряжений и величины остаточных деформаций. Однако, только этих величин недостаточно для того, чтобы судить об уровне надежности и безопасности сооружения. В грунтовых плотинах, где процесс многократного «нагружения и разгрузки» при землетрясении протекает не упруго, важным критерием этого является параметр прочностного состояния грунта, который в энергетической модели назван коэффициентом надежности - Кн. Этот параметр определяет запас прочности в грунте по отношению к предельному, и равенство Кн=1 означает предельное состояние грунта.

Прочностное состояние грунта в каждой точке плотины во время землетрясения меняется ежемоментно, то приближаясь к предельному состоянию, то удаляясь от него, что говорит о формировании областей течения материала. В зависимости от того, в каком направлении развивается картина изменения прочностного состояния в той или иной зоне плотины, можно судить об уровне безопасности сооружения при возможных повторных сейсмических воздействиях.

Решение задачи можно считать законченным, если проведены все расчеты на выбранные акселерограммы с учетом их повторяемости в районе строительства или, когда остаточные перемещения остановятся выше допустимых из условий эксплуатации сооружения.

В главе 3 представлена структура программного комплекса, приведены результаты тестовых расчетов и численных экспериментов. Для расчетов НДС каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях была разработана численная методика и реализующий её комплекс вычислительных программ “SEISMIC-DAMPZ3D” на языке DELPHI-7.0. Два программных модуля, связанны вместе, чтобы решать статические и динамические задачи с использованием пространственного 8-узлового элемента.

В качестве исходной информации при решении задачи с помощью МКЭ и МЛВ задаются: схема дискретизации конструкции - количество элементов и узлов в сетке, типы элементов, топология элементов (связь номеров элементов и номеров его узлов); граничные условия по закреплению узлов; геометрия конструкции - координаты узлов сетки; акселерограмма и скорость распространения сейсмической волны в основании плотины; величины и место приложения внешних нагрузок.

В результате решения задачи НДС плотины получаем: величины остаточных перемещений в узлах сетки конструкции, картину напряженного и прочностного состояния плотины после землетрясения. Кроме этого в программе предусмотрены возможности получения дополнительной информации по распределению напряжений и коэффициентов надежности в плотине на контрольные моменты времени или значений пульсации напряжений и коэффициентов надежности в выбранных элементах плотины во время землетрясения.

Для проверки работы программы были проведены тестовые расчёты, показавшие хорошую сходимость результатов с результатами экспериментов и расчетов по иным программам.

В третьей главе были проведены численные эксперименты по сравнению величин сейсмических нагрузок, действующих на высотное здание, полученных разными методами: квазидинамическим (ЛСМ) по формулам (1) и (2) и динамическим по формуле (3). Проведено исследование влияния на величину сейсмической нагрузки таких факторов, как количество учитываемых форм собственных колебаний, характера и направления внешнего воздействия, величины затухания в системе, формы сооружения, угла подхода сейсмической волны к сооружению.

Для варианта каменно-земляной плотины переменной высоты проведено сопоставление периодов собственных колебаний для плоской и пространственной задач (рис.1).

Для плотин разной высоты проведено исследование влияния скорости распространения сейсмической волны на максимальные ускорения узла на гребне плотины (рис.2). Кроме этого проведена оценка влияния на ускорения гребня плотины таких факторов как форма створа и направление подхода сейсмической волны к створу плотины (рис. 3, 4).

Периоды собственных колебаний плотины в плоской (2D) и пространственной постановке (3D)

Влияние скорости распространения сейсмической волны на ускорения гребня

Периоды собственных колебаний плотин в разных по ширине створах

. Изменение ускорений на гребне плотины (Н=100м) в зависимости от формы каньона и учета «бегущей волны»

С целью отработки методики расчетов порового давления, возникающего в ядре и верховой призме плотины при сейсмическом воздействии была решена задача для 100-метровой каменно-земляной плотины с коэффициентами фильтрации для ядра 10-7см/с и для призмы-10-2см/c. Расчеты показали, что период полу-рассеивания максимального порового давления в центральной зоне ядра составляет около 100 суток, а для призмы – около 3-х суток, что явилось новым в понимании возможной причины оползания откосов плотины после землетрясения.

Максимальное порового давления в ядре и верховой призме после землетрясения (т.А) и его рассеивание.

Для выявления влияния числа учитываемых ФСК на результаты решения задачи, были определены 25 ФСК для взрывонабросной плотин, часть из которых представлена на эпюрах в диссертационной работе. Результаты исследований представлены на рис.6.

Учет "бегущей волны" изменяет также картину остаточных перемещений в плотине (рис.7). В работе дается анализ полученных результатов и вывод о том, что уменьшение скорости распространения сейсмической волны приводит к более благополучным условиям работы сооружений и уменьшает возможность резонансных явлений в ней.

Сетки МКЭ и периоды собственных колебаний плотин при решении пространственной задачи (Н=100м)

Изменение махсимального ускорений в точках плотины (100м) в зависимости от направления . Три возможных направления подхода сейсмической волны к створу плотины: вдоль русла ((= 00), «бортовое» направление - вдоль створа плотины ((= 900), под углом к створу – ((= 450).

В работе также производится анализ нарастания остаточных перемещений в плотине и распределение коэффициентов надежности (Кн). Результаты расчетов представлены на рис. 8 и 9.

Остаточные вертикальные динамические перемещения (м) после землетрясения при направлении подхода сейсмической волны (= 00

Распределение коэффициентов надежности (Кн) в теле плотины после землетрясения при направлении подхода сейсмической волны (= 00

В главе 4 проводится исследование устойчивости к прочности сверхвысокой, неоднородной каменно-земляной плотины Яли (СРВ) высотой 65 м на сейсмическое воздействие согласно расчетной акселерограмме (Рис 10). Эти исследования позволяют прогнозировать развитие остаточных деформаций в плотине при различных вариантах сейсмических воздействий в пространственной постановке.

Сетка МКЭ плотины Яли (СРВ). Периоды собственных колебаний камено-земляной плотины Яли

Правильная оценка работоспособности плотины во многом зависит от правильности назначения динамических характеристик грунтов. В работе дано сопоставление расчетных значений периодов и ФСК для пространственной задачи (3D). Результаты представлены на рис. 11.

загрузка...