Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Строительство и разработка инновационных решений высоких плотин из укатанного бетона 13
1.1 Мировая практика строительства плотин из укатанного бетона 13
1.1.1 Построенная в Алжире плотина Бени Харун 19
1.1.2 Особенность строительства плотин из укатанного бетона в Испании 20
1.1.3 Строительство плотин из укатанного бетона в Китае 25
1.1.4 Уроки извлечённые из ранее построенных плотин из укатанного бетона в США 27
1.1.5 Строительство плотин из укатанного бетона в Бразилии 33
1.1.6 Построенная в Анголе плотина Капанда 35
1.1.7 Построенная в Колумбии плотина Миэль-1 41
1.1.8 Состояние строительства плотин из укатанного бетона в Марокко 42
1.2 Положение о некоторых построенных и строящихся плотин из укатанного бетона по миру 44
1.3 Конструкция и характер работы гравитационных плотин из укатанного бетона 48
1.3.1 Новый тип гравитационных плотин из укатанного бетона 53
1.3.2 Работа гравитационных плотин из укатанного бетона 54
1.4 Выводы по главе 1 59
ГЛАВА 2. Физико-механические свойства укатанного бетона 61
2.1 Состояние бетона как материал 61
2.2 Плотность укатанного и вибрированного бетона 62
2.3 Прочность на сжатие и на растяжение укатанного бетона 64
2.4 Сдвиговые характеристики укатанного и вибрированного бетона
2.5 Модуль упругости, ползучесть и водопроницаемость укатанного и вибрированного бетона 66
2.6 Прочность на сдвиг укатанного бетона между швами и в швах 67
2.7 Свойства особо тощего укатанного бетона 70
2.8 Основные выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Анализ работы гравитационной плотины трапециевидного очертания из особо тощего бетона с применением теории планирования эксперимента 86
3.1 Методика теории планирования эксперимента 86
3.2 Исследование напряжённо-деформированного состояния гравитационной плотины трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона на скальном основании, при расчётной нагрузке и перегрузке 92
3.2.1 Методика МКЭ программного комплекса «CRACK-ТРЕЩИНА» 92
3.2.1.1 Моделирование сплошной среды 94
3.2.1.2 Моделирование нарушения сплошности контактного шва 97
3.2.1.3 Результаты факторного исследования 101
3.2.2 Напряжённо-деформированное состояние при расчётной нагрузке и перегрузке от гидростатического давления 111
3.2.3 Напряжённо-деформированное состояние при перегрузке от совместного воздействия гидростатики и противодавления по подошве плотины 132
3.2.4 Напряжённо-деформированное состояние плотины составного профиля 138
3.3 Выводы по главе 3 147
ГЛАВА 4. Численное моделирование статической работы вариантов плотины Лаука 149
4.1 Краткие сведения о плотине Лаука 149
4.2 Численное моделирование статической работы плотины 151
4.3 Выводы по главе 4 160
Заключение 162
Список литературы
- Строительство плотин из укатанного бетона в Китае
- Конструкция и характер работы гравитационных плотин из укатанного бетона
- Сдвиговые характеристики укатанного и вибрированного бетона
- Методика МКЭ программного комплекса «CRACK-ТРЕЩИНА»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Задача использования водных ресурсов становится все более востребованной. Существуют страны, где дефицит воды и электроэнергии является исключительно острой проблемой. Острота этих проблем с годами нарастает, что усугубляется изменением климата, увеличивающимся количеством катастроф, связанных с паводками, засухами и другими природными катаклизмами. Роль водохранилища в обеспечении устойчивого развития несомненно призывает гидротехническую науку наряду с другими задачами, усовершенствовать и развивать конструктивно-технологические решения, которые способствовали бы быстрому строительству водоподпорных сооружений с наименьшими затратами и достаточной надёжностью.
В случае применения гравитационной плотины традиционного профиля объём укатанного бетона меньше, в то же время в случае более распластанного профиля трапециевидного вида объём бетона больше, но особо тощий бетон применяемый в этих плотинах имеет меньшую стоимость. Количественно разница несущественна, причем применяемый в традиционном профиле укатанный бетон нуждается в более квалифицированной рабочей силе и затратах для его приготовления, укладки и ухода. Таким образом, предложенное в данной диссертационной работе решение может стать альтернативой традиционным решениям плотин из грунтовых материалов (которые более чувствительны к эрозии) и обычного укатанного бетона в плотинах с вертикальной напорной гранью. Предложное решение более конкурентоспособно. Его преимущества касаются не столько увеличения темпов строительства, сколько снижения стоимости и упрощения технологических требований по укладке бетона. В ряде стран, такое решение может способствовать размораживанию строительства объектов которые в силу неблагополучных финансовой и экономической обстановок заморожены. Кроме этого, такие типы плотин можно строить на основаниях где обычные гравитационные плотины невозможно строить в силу возможных неблагополучных деформационных и прочностных характеристик скального основания.
Степень разработанности темы. По результатам предыдущих опытно-
экспериментальных работ были определены и опубликованы свойства особо тощего укатанного бетона. В гидротехнике данный материал был применён при возведении ряда плотин малой и средней высоты с распластанным профилем (общее заложение обоих граней не менее 1,4), а в некоторых случаях, особенно на многоводных реках, использовался для устройства временных сооружений, таких как перемычки. В данной диссертационной работе материал «особо тощий укатанный бетон» трактуется как бетон пониженной прочности, который может быть применен для строительства высоких бетонных гравитационных плотин, расчетное обоснование надежной работы которых недостаточно разработано, поскольку ранее рассматривались монолитные конструкции без учета многочисленных горизонтальных ослабленных строительных швов.
Цель и задачи. Заключается в численном исследовании прочности и устойчивости гравитационных плотин из особо тощего укатанного бетона с учётом прочностных и деформационных свойств материалов плотины и основания, характеристик контактного и межслойных строительных горизонтальных швов. Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
-
Анализ и обобщение обширных лабораторных данных, полевых и натурных испытаний образцов, кернов и опытных блоков плотин из укатанного бетона различного состава с определением сдвиговых параметров и качества рабочих швов укатанного бетона, необходимых для достоверного научного обоснования новых конструкций плотин из укатанного бетона;
-
Применение теории планирования эксперимента и получение факторных зависимостей
для анализа прочности и устойчивости профилей плотины трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона высотой 100 м, с учётом варьирования заложений граней профиля и жёсткостей материалов плотины и основания;
3. Оценка характера взаимодействия и несущей способности системы плотина – скальное
основание с учётом сдвиговых параметров контактного и строительных горизонтальных швов,
прочностных и деформационных свойств материалов плотины и основания, при статической
работе;
4. Сопоставление характеров работы и достижения предельного состояния
гравитационных плотин традиционного профиля с вертикальной напорной гранью из обычного
укатанного бетона и трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона;
5. Разработка рекомендаций конструктивно-технологического характера по дальнейшему
усовершенствованию исследуемой тематики.
Научная новизна. Автором обоснован работоспособный обжатый до минимума профиль плотины трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона, высотой не менее 100 м и суммарного заложения обоих граней 1, с существенным снижением объёма материала плотины, с обеспечением надежной статической работы сооружения при расчётной нагрузке и достаточной несущей способности при перегрузке от гидростатического давления и противодавления по подошве плотины. Доказано, что профиль обладает достаточно высокой несущей способностью, даже при низких прочностных параметрах бетона и строительных швов, что сопоставимо с результатами исследований и расчётов гравитационных плотин классического треугольного профиля.
Получены зависимости устанавливающие степень влияния, рассмотренных в исследовании факторов и их взаимодействия, на напряжённо-деформированное состояние сооружения и позволяющие определять параметры профиля плотины при различных соотношениях жесткостей материалов плотины и основания.
Личный вклад автора. Заключается в анализе имеющихся материалов, постановке и выполнении численных исследований, анализе результатов и разработке рекомендаций по практическому применению.
Теоретическая значимость. Расчетные исследования выполнялись МКЭ с учетом прочностных свойств бетона и скального массива и при явном моделировании контактного взаимодействия по контакту и ослабленным горизонтальным строительным швам, с помощью контактных элементов, что позволило учитывать раскрытие и смыкание швов, и относительные смещения при нарушении сдвиговой прочности.
Практическая значимость. Полученные результаты можно рекомендовать для внедрения в проектной практике. Это касается и методики расчетов и полученных факторных зависимостей, которые позволяют на предварительных стадиях проектирования определять габариты профиля сооружений с учетом реальных характеристик бетона плотины и скального основания.
Методология и методы исследований. Заключается в численном исследовании
статической работы плотины трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона, с
применением программного комплекса «CRACK–ТРЕЩИНА», для решения методом
конечных элементов МКЭ сложных инженерных задач в области механики твёрдого деформируемого тела с учётом прочностных свойств материала, различных нарушений сплошности (швов, трещин, контактов) и специальной модели контактного взаимодействия.
Данный исследовательский программный комплекс позволил, провести численное моделирование на основе МКЭ, не затрачивая время на изучение достаточно громоздкого интерфейса современных промышленных программ, сосредоточиваясь на решении практических научных задач и на осмысливании полученных результатов. Для анализа
полученных в ходе исследования результатов и получения факторных зависимостей, был применён статистический подход, основанный на теории планирования эксперимента.
Положения, выносимые на защиту:
- общая идея использования особо тощего укатанного бетона для строительства больших
гравитационных плотин (высотой не менее 100 м);
- степень влияния априорно применяемых в расчётном исследовании факторов,
существенно сказывающихся на прочности и устойчивости плотин трапециевидного очертания
из особо тощего укатанного бетона при статической работе;
Характер взаимодействия системы плотина – скальное основание при статической работе гравитационной плотины обжатого профиля из особо тощего укатанного бетона, при расчётной нагрузке и перегрузке;
характер достижения предельного состояния плотин трапециевидного очертания из особо тощего бетона высотой 100 м с профилем общего заложения 1, при расчётной нагрузке и перегрузке от гидростатического давления и противодавления по подошве плотины;
- сопоставление результатов численного моделирования статической работы
традиционной гравитационной плотины из укатанного бетона и гравитационной плотины
трапециевидного очертания из особо тощего укатанного бетона высотой 130 метров.
Степень достоверности и апробация результатов. Высокая степень достоверности результатов обеспечивается применением математико-статистических методов анализа полученных результатов на основе современных численных методов (МКЭ – программный комплекс «CRACK»).
Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2014г.); XVII Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014г.).
Предложения и рекомендации в заключении. Рекомендуем дальнейшую разработку конструкций плотин, с применением предложенного в данной работе обжатого профиля по сравнению с существующими, с устройством упора из более прочного бетона в зоне низового клина плотины, который может способствовать увеличению несущей способности системы плотина-основание. Также необходимо рассмотреть дополнительные нагрузки, такие как сейсмические, температурные которые не учитывались в данных исследованиях.
Публикации. По теме диссертации опубликованы три печатные работы, из которых две статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ для публикаций результатов исследований.
Состав и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 181 страница машинописного текста, 125 рисунков, 36 таблиц, 168 наименований литературы из которых 74 иностранного источника и 13 ссылок электронных ресурсов.
Строительство плотин из укатанного бетона в Китае
Ещё в 1950-е годы начался поиск эффективных методов борьбы с температурным трещинообразованием в бетонных плотинах [25, 49]. Ситуация оказалась непростой, так как данная проблема неразрывно связана с весьма важными показателями, такими как темпы строительства, экономичность строительства и трудоёмкость подготовки и укладки бетона.
Многочисленные попытки решения проблемы трещинообразования путём все большего ужесточения мер температурного регулирования приводили только к ухудшению отмеченных выше показателей. Не приносили должного результата и попытки снижения экзотермического разогрева бетона путём применения пуццолановых добавок, особенно там, где требовалось обеспечить водонепроницаемость и морозостойкость бетона [49, 60, 67]. Первые успехи проявились только при существенном изменении методов укладки бетона: В 1969-1977 гг. при строительстве плотин Альпа Джери, Кваира дель Миньера (Италия), Токтогульской и Курпсайской плотин (СССР) удалось избежать опасных трещин благодаря переходу на послойный метод укладки бетона с максимальной степенью механизации бетонных работ. Использование низких блоков (высотой 0,5-0,7 м) и новых подходов к разрезке плотины (поперечные швы выполнялись без применения традиционной опалубки) позволяло применить технологию укладки бетона, близкую к технологии укладки грунтовых насыпей [20, 48, 60].
Наконец было тогда найдено более сбалансированное решение указанной проблемы на основе перехода к малоцементным бетонным смесям жёсткой консистенции, которые оказалось возможным уплотнять с помощью виброкатков, то есть так же, как уплотняются грунтовые сооружения. Стоит отметить, что мотивация поиска новых методов укладки бетона постепенно перешла из проблемы борьбы с трещинообразованием в плоскость создания технологии, которая позволяет существенно снизить стоимость и увеличить темпы строительства бетонных плотин и делая их конкурентоспособными с плотинами из местных материалов. Опыт последних лет показал, что это обстоятельство создало предпосылки для успешного применения укатанного бетона в плотиностроении: значительное сокращение сроков укладки бетона и существенное упрощение технологии бетонных работ позволяют снизить стоимость сооружения бетонных плотин настолько, что они стали и ещё становятся более выгодными, чем каменно-набросные плотины.
В современной практике плотиностроения применение укатанного бетона является основным способом повышения интенсивности и уровня механизации строительства за счет использования в строительном процессе высокопроизводительных машин. Разработанная в 70-х годах двадцатого века эта технология быстро и широко распространилась по всему миру: к 1985 году было построено всего 5 плотин, к 1990 году - более 50 плотин, а к настоящему времени примерно 400 [25, 42] высотой более 25 метров.
Первая большая плотина из укатанного бетона Симадзигава высотой 89 м была построена в Японии в 1981 году. Японский метод строительства плотин из укатанного бетона (RCD) [96] с самого начала и до последних лет представляет собой, по существу, метод использованный на строительстве плотины Альпа -Джери с той разницей, что уплотнение бетона производят не глубинными вибраторами, а виброкатком. Остальные элементы технологии и конструкции плотины, такие как высота блока, интервал в укладке бетона в блоки, разрезка поперечными швами, требования к обработке горизонтальных швов одинаковы с практикой строительства гравитационных плотин послойным методом [20].
Оправдавшийся себя опыт строительства бетонных гравитационных плотин наглядно подтверждает, что эти плотины являются одним из наиболее распространённых типов водоподпорных сооружений благодаря простоте своей конструкции, способов их возведения, достаточной надёжности при большой высоте и в сложных природно-климатических условиях, возможности получить компактную компоновку основных сооружений гидроузла[68, 35]. Также, в гидроузлах с бетонными гравитационными плотинами существенным образом упрощается и удешевляется пропуск строительных расходов (в первую очередь) и эксплуатационных расходов, особенно на многоводных реках. Эти виды плотин, как и обычные бетонные плотины, удовлетворяют запрашиваемым характеристикам, таким как прочность, водонепроницаемость и долговечность [28, 53].
Уже на протяжении последних десятилетий исследуется и развивается концепция плотин трапециевидного симметричного очертания из особо тощего укатанного бетона, в ходе которых выяснилось, что эти плотины имеют ряд преимуществ, связанные с устойчивостью, гидрологической и гидравлической безопасностью и технологией строительства по сравнению с другими традиционными видами плотин [26, 70, 83, 92].
Концепция плотин трапециевидного симметричного очертания впервые была предложена в 1970г. Jrme Raphael (OPTIMUM GRAVITY DAM), а в 1992г. Pierre Londe и Michel Lino своей работой FSHF CONCEPT IN WATER POWER AND DAM ENGINEERING "THE FACED SYMMETRICAL HARDFILL DAM A NEW CONCEPT OF RCC" предлагали новый подход использования не традиционного укатанного бетона для строительства плотин трапециевидного профиля [79, 94].
С девяностых годов, некоторые плотины такого вида были возведены, такие как Marathia, построенная в Греции в 1993 г., Moncion построенная в Санто-Доминго в 1995 г., Rio Rejo и Rio Grande построенные в Перу в 2003 г., Сindere построенная в Турции в 2003 г., Safsaf построенная в Алжире в 2011 г. на очень трещиноватом и слабом скальном основании и другие [12, 25, 94].
Также, существенный вклад в исследование и развитие плотин трапециевидного симметричного очертания, внесли японские инженеры, которые массово, применяют особо тощий укатанный бетон (CSG) для строительства бетонных гравитационных плотин [25, 26, 140, 95].
Особо тощий укатанный бетон (CSG), из которого состоит тело плотины трапециевидного симметричного очертания, исключает развитие эрозии тела плотины, в то время когда плотины из грунтовых материалов подвергаются внутренней эрозии. Кроме того, в отличие от плотин из грунтовых материалов, при строительстве плотины трапециевидного симметричного очертания из особо тощего укатанного бетона (CSG) вполне возможно разместить другие сооружения гидроузла, такие как водосброс, водоводы, галереи, и т.п. в теле плотины, что в определённой степени удешевляет возведение гидроузла.
Что касается обеспечения устойчивости, плотины трапециевидного симметричного очертания из особо тощего укатанного бетона (CSG) имеют хорошую устойчивость, несмотря на относительные пониженные прочностные показатели в силу вида смеси и метода её укладки, как например, построенная в 2011 г. в Алжире плотина Safsaf (с показателями бетона =21,5 кН/м3, =35 и С=0) длиной по гребню 270 м и объёмом водохранилища 19.800.000 м3. Данная плотина, построенная на трещиноватом основании (рисунки 1.11.3) с модулем деформации 22500 МПа и прочностью на сжатие (в образце) примерно 12 МПа [94]. Плотина с пропускной способностью 5220 м3/с и стоимостью 33 миллиона евро, была построена вместо грунтовой плотины с пропускной способностью 2660 м3/с и предполагаемой стоимостью 30 миллионов евро, в силу местных гидрологических условий [94].
В плотинах подобного конструктивного решения устройство строительных швов и в продольном и поперечном направлениях можно упростить. В слоях особо тощего укатанного бетона укладываемых непрерывно по длине и ширине плотины, как правило, не развиваются температурные трещины, которые представляли бы угрозу нормальной работе плотины.
В случае плотины Safsaf, были замечены незначительные боковые вертикальные трещины размером по ширине 0,1 мм и шагом 10 м [94]. Но имеется основание полагать, что такие незначительные усадочные трещины могут сами по себе залечиваться, тем не менее, со стороны верхнего бьефа устроен противофильтрационный элемент в виде бетонной плиты толщиной 300 мм.
Конструкция и характер работы гравитационных плотин из укатанного бетона
Как уже известно, бетон является смесью вяжущего вещества (цемент или пуццоланы) с заполнителем и водой от момента её изготовления до укладки на место возведения объекта и процессов схватывания и твердения. На свойства бетона влияет ряд факторов, основными которых являются: активность и содержание вяжущего вещества, характеристики заполнителей, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона. Жёсткость бетонной смеси зависит в основном от водосодержания, чем выше водосодержание, тем ниже жёсткость бетона и выше его пластичность.
Ряд научных работ [25, 59, 60, 67, 72, 73, 75] посвятили исследованию свойств вибрированного и укатанного бетонов, выразив единое мнение, согласно которому разница между этими видами бетонов заключается в технологии изготовления и укладки. В зависимости от содержания компонентов в том или в ином виде бетона физико-механические характеристики могут не отличаться разительно.
По ранее проведённым исследованиям опытно-экспериментальных образцов укатанного бетона, были установлены разные типы укатанного бетона, характеристики которых зависят от своего состава, влияния разных свойств материалов и условий твердения [55, 59, 60, 67, 73, 75]. В таблице 2.1 [25] представлены данные о составе укатанного бетона в 150 плотинах, носящие рекомендательный характер и которые могут быть использованы в начальной стадии проектирования плотин из укатанного бетона для более чёткого понимания физико-механических характеристик бетонной смеси, перед осуществлением предусматриваемых проектом надлежащих полевых испытаний пробных образцов.
Как и в вибрированном бетоне, плотность укатанного бетона зависит от плотности заполнителей, которая максимальная при оптимальном содержании мелкого заполнителя в общем объёме заполнителя, равном в среднем 34%. Однако при укладке укатанного бетона от 0,5 до 5% [25] воздуха захватывается, что может снизить показатели плотности, если не принимается надлежащее объёмное отношение паста/раствор в смеси укатанного бетона.
Представленные в виде зависимости (рисунок 2.1) результаты полевых испытаний образцов укатанного бетона из 50 плотин [12, 25], наглядно подтверждают, что уменьшение соотношения паста/раствор (ниже 0,360,38) влечёт собой уменьшение плотности укатанного бетона, из-за изменения коэффициента пористости уплотнённого мелкого заполнителя (в пределах 0,32 63 0,40). Вследствие этого, когда соотношение паста/раствор меньше 0,360,44 объёма пасты, невозможно заполнить поры мелкого заполнителя даже после весьма тщательного уплотнения укатанного бетона.
Интервалы варьирования соотношение паста/раствор в проведённом анализе соответствует изменениям коэффициента пористости мелкого заполнителя: верхний предел соответствует коэффициенту пористости 0,32 а нижний предел 0,40. Стоит отметить, что плотность укатанного бетона, как правило, больше плотности вибрированного бетона на 25% так как в укатанном бетоне содержание воды меньше и уплотнение больше [12, 25].
Ранее проведённое исследование опытно-экспериментальных образцов кернов в 7 плотинах построенных в разных странах при одних и тех же компонентах бетонной смеси показало не существенное отличие в значениях плотности обоих видов бетонов (таблица 2.2) [25].
Ввиду того, что параметры прочности бетонов на сжатие зависят от характеристик состава и условий ухода за уложенной бетонной смесью, оценку прочности на сжатие можно произвести на основе эффективности смеси, путём соотношения прочности на сжатие к расходу вяжущих. В таблице 2.3 представлены результаты испытания образцов укатанного бетона в некоторых массивных конструкциях. Как правило, прочность на растяжение укатанного бетона и вибрированного бетона колеблется в пределах 10-15% от прочности на сжатие [25].
Величина сцепления «С» зависит от содержания вяжущего вещества в бетонной смеси, а угол внутреннего трения «» от качества и гранулометрического состава заполнителей. Эта предпосылка утверждена результатами серии ранее проведённых трёхосных и прямых сдвиговых испытаний кернов укатанного бетона и вибрированного бетона разного состава, которые представлены ниже в таблице 2.4 [12, 25]. Таблица 2.4 – Сдвиговые параметры сцепления «С» и угла внутреннего трения «» укатанного и вибрированного бетонов [12, 25]
На значение модуля упругости оказывают влияние такие факторы как вид и прочность заполнителей, водоцементное соотношение, возраст бетона. Как правило, укатанный бетон имеет меньше модуль упругости, чем вибрированный бетон, хотя при одном и тем же составе смесей обоих видов бетонов разница малосущественна. Расхождение значений разительно в раннем возрасте, так например, в 7-28 дневным возрасте разница составляет 50% а в 90 дневным возрасте – 35% [12, 25, 60].
Ввиду анизотропии и большой пористости укатанного бетона водопроницаемость в нём больше чем в вибрированном бетоне, значение которого колеблется в интервалах от 10-4 до 10-12 м/с, а в вибрированном бетоне от 10-10 до 10-12 [25].
Коэффициент ползучести бетонов зависит от качества и прочности заполнителей и количества песка в смеси. Ввиду большего содержания раствора (отношение цемента к мелкому заполнителю) в укатанном бетоне, чем в вибрированном бетоне, в укатанном бетоне ползучесть больше чем в вибрированном бетоне.
Швы укатанного бетона являются уязвимым местом в отношении прочности и устойчивости бетонных плотин. Прочность шва на сдвиг связана с прочностью бетона на сжатие и характером действия нагрузки к плоскости шва: если действующая под углом к поверхности шва нагрузка меньше угла внутреннего трения, прочность на сдвиг составляет примерно 30% от прочности на сжатие массива укатанного бетона при её значении не более 5 МПа, а 25% при прочности 10 МПа, 25-21% при прочности 10-30 МПа и 20-21% от прочности свыше 30 МПа [12, 25]. Рисунок 2.3 – Зависимость отношения прочности на сдвиг к прочности на сжатие от прочности на сжатие для укатанного бетона различного состава плотин Уиллоу Крик, Эл Крик и Лост-Крик (из вибрированного бетона) [25]
Сдвиговые характеристики укатанного и вибрированного бетона
Планирование эксперимента — это подход к исследованию, в котором математическим методам отводится ведущая роль, когда экспериментатор, основываясь на априорных данных, выбирает оптимальную в некотором смысле модель, а на апостериорных — её корректирует. На математическом языке задача планирования эксперимента формулируется следующим образом: выбрать оптимальное в определённом смысле расположение точек в факторном пространстве для получения некоторого представления о поверхности отклика, т.е. исследуемом объекте [27, 33, 42].
Отбор оптимальных значений параметров является одной из важнейших задач теории планирования эксперимента, применение которого сокращает объём эксперимента и способствует учёту не только конкретных особенностей предмета исследования, но и общих концептуальных проблем. В настоящее время теория планирования является сама по себе научным направлением и используется во многих научных экспериментальных исследованиях. Она основана на математической статистике, линейной алгебре, комбинаторике и других разделах математической науки [27, 42]. Однако применение теории планирования эксперимента не исключает необходимость обоснованного понимания физических принципов, происходящих в объекте исследования, факторов, воздействующих на сооружение. В данной работе методика научного планирования применялась при исследовании напряжённо-деформированного состояния плотины трапецеидального симметричного очертания из особо тощего укатанного бетона, на скальных основаниях разной жёсткости, с учетом нарушения работы контактного шва плотина-основание, нелинейной деформации материалов плотины и основания, нарушения сдвиговой прочности межслойных строительных швов, устойчивости сооружения, и т.п.
В качестве рассматриваемых факторов принимались: а) соотношение жёсткостей материалов плотины и основания; б) заложение верховой грани плотины, m1; в) заложение низовой грани плотины, m2. Построена матрица эксперимента [27, 42], представляющая собой черный ящик, в котором устанавливается зависимость (связь) между исследуемыми факторами Х1, Х2,…Хk и рассматриваемым выходом Y (по полученным результатам расчетов).
Выход Y является функцией отклика, которая математически выражается в полиномиальной форме [27, 33]. Y=f(Х1, Х2,…Хk) (3.1) А факторы Х1, Х2,…Хk представляют собой независимые изменяемые величины, которые принимают в некоторый момент времени определённое значение. Диапазон принимаемых значений называется область определения фактора, а пространство областей определения принимаемых факторов образует область эксперимента [27].
Определение области изменения факторов имеет место в диапазоне допустимых значений факторов. Верхняя и нижняя границы области определения факторов называются соответственно верхним и нижним пределами фактора, а середина области определения фактора представляет собой основной (нулевой) уровень. Полу разность верхнего и нижнего уровней представляет собой интервал варьирования фактора (таблица 3.1). Масштабы по осям в факторном пространстве удобнее выбрать таким образом, чтобы верхнему «натуральному» уровню фактора соответствовало кодированное значение (+1), нижнему (-1) а основному (0) [27, 33]. В данной работе интервалы варьирования являются симметричными относительно основного уровня.
Интервал варьирования должен отвечать двум ограничениям: Его применение не должно приводить к выходу фактора за пределы области допустимых значений; он должен быть больше погрешности задания значений фактора (в противном случае уровни фактора станут не различимыми). Для факторов с непрерывной областью определения это можно сделать с помощью следующего преобразования [27, 33]:
Область эксперимента в кодированных величинах представляет собой в факторном пространстве гиперкуб размерностью . Далее предполагается, что функция отклика (3.1) с достаточной степенью точности может быть аппроксимирована в области эксперимента полиномом [27, 33] называемым уравнением регрессии. Члены вида соответствуют линейным эффектам, ( l) – эффектам взаимодействия первого порядка, - квадратичным эффектам и.т.д. Величины , , и т.д. называются коэффициентами уравнения регрессии. В зависимости от того, полином какой степени будет использован, функция отклика аппроксимируется линейной, либо квадратичной, либо другой моделью.
Прямоугольная матрица, задающая своими строками и столбцами число и условия проведения опытов, достаточных для последующей оценки коэффициентов выбранной модели, называется планом эксперимента (таблица 3.2) [27]. Для учёта всех возможных эффектов взаимодействия необходимо проведение полнофакторного эксперимента, такого, в котором реализуются все сочетания факторов. Если факторы варьируются на двух уровнях (-1) и (+1), план полнофакторного эксперимента содержит 2k точек, где k – число учитываемых факторов; если уровней три (-1, 0, +1), то количество точек равно 3k [27, 33].
Методика МКЭ программного комплекса «CRACK-ТРЕЩИНА»
Что касается коэффициента устойчивости, на него в первую очередь оказывает влияние заложение верховой грани, из-за дополнительной вертикальной пригрузки гидростатическим давлением от водохранилища. Жёсткость материалов плотины и основания не влияет настолько насколько сдвиговые характеристики швов, которые обеспечивают в той или иной степени сопротивление сдвигу.
После проведения факторного исследования матрицы эксперимента в нелинейной постановке с учётом ранее установленных трёх факторов выяснилось что, при доведении сооружения до предельного состояния или его исчерпания следует учитывать другие факторы, среди которых числятся реальные прочностные характеристики материала плотины и основания, а также сдвиговые характеристики контактных элементов. Для этого было проведено исследование напряжённо-деформированного состояния трёх различных схем обжатого профиля с общим заложением обоих граней 1 (выбранного из ранее проведённого факторного анализа), в зависимости от физико-механических характеристик основания (таблица 3.7), при одних и тех же свойствах материала плотины и сдвиговых параметрах контактных элементов. Исследование проводилось для профиля с заложением верховой грани m1= 0,4, а низовой грани m2=0,6 при расчетной нагрузке и при перегрузке от гидростатической нагрузки вплоть до достижения предельного состояния сооружения.
Физико-механические характеристики материала плотины (таблица 2.7) [25, 70, 72, 75]: Е=10000 МПа, Rсж=5 МПа, Rраст=0,6 МПа, =0,22, = 2,3 т/м3, С=0,5 МПа, =45. Сдвиговые параметры контактного шва плотина-основание подобраны из выше указанной таблицы 3.5 [69] и составляют: С=1 МПа, =45. Ввиду возможного нарушения технологии при возведении плотины и возникновения ослабленных швов в расчётном исследовании приняты четыре вида горизонтальных межслойных швов, сдвиговые параметры которых подобраны согласно таблице 2.5 [25]: Для шва 1 С=0,02 МПа и =35, для шва 2 С=0 и =35, для шва 2 С=0,7 МПа и =45, для шва 3 С=1,0 МПа и =50. Сетка МКЭ системы плотина-основание, обозначения и расположение данных швов представлена на рисунке 3.14. .] on cm u т 7?У- 2H
Стоит отметить, что вышеуказанные прочностные характеристики были подобраны на опыте построенных и находящихся в эксплуатации сооружений, в том числе сдвиговые параметры горизонтальных межслойных швов плотин построенных по проектам Корпуса военных инженеров США [25].
В результате расчётов, выяснилось, что, на разных стадиях нагружения контактный шов плотина–основание открывается, но в зависимости от значения коэффициента перегрузки некоторые межслойные швы в бетоне плотины остаются частично закрытыми, хотя явно что, сооружение уже потеряло свою работоспособность. Ниже представлены результаты проведённого расчётного исследования.
При коэффициенте перегрузки Qn=2 у напорной грани раскрылся контактный шов между плотиной и основанием на 28,6 м по длине и на величину открытия Vn=1,2 см. Имело место разуплотнение массива основания перед напорной гранью и под плотиной на 36 м по длине. Межслойные горизонтальные швы с пониженными сдвиговыми характеристиками С=0 и =35, имели сдвиговое нарушение. Остальные швы со сдвиговыми характеристиками С=0,7 МПа и =45, С=1 МПа и =50 не имеют сдвиговых нарушений. Однако у напорной грани все межслойные швы остаются закрытыми за счёт наклона верховой грани, на которую действует давление воды со стороны верхнего бьефа. У низового клина плотины бетон перестал отвечать требованиям по прочности, иными словами имело место исчерпание прочности бетона в условия сжатия. Данное напряжённо-деформированное состояние сооружения явно описывает наступление предельного состояния сооружения. Даже в местах где межслойные горизонтальные швы не имели сдвиговые нарушения нет гарантии того что данное сечение способно обеспечить нормальную работу сооружения.
Раскрытие контакта на длине 3 м и на малую величину открытия Vn=0,052 см; горизонтальные межслойные швы плотины упруго работают. Коэффициенты устойчивости: По контакту Ks =4,24, по шву 1 Ksi =1,91, по шву 3 Ks3 =4,85, а по шву 4 Ks4 =9,ll.
Раскрытие контакта, обусловлено жёсткостью основания, в отличии от схемы 1 где основание менее жёсткое. Однако длина и величина раскрытия контактной плоскости не вызывает опасности для устойчивости сооружения. Все горизонтальные межслойные швы плотины не имеют сдвиговых нарушений. Коэффициенты устойчивости: по контакту Ks =4,24, по шву 1 Ksi =1,91, по шву 3 Ks3 =4,85, а по шву 4 Ks4 =9,11.
Устройство горизонтального шва с пониженными сдвиговыми характеристиками (С=0 и =35) обеспечивает нормативную устойчивость сооружения по ослабленному строительному шву, что позволяет упростить технологическую схему возведения плотины, отказавшись от мероприятий по подготовке поверхности строительных швов при перерывах в бетонировании. При расчетной нагрузке прочность бетона низового клина плотины обеспечена, так как величина максимального сжатия (а2 =-2,91 МПа) не превышает по величине прочность бетона на сжатие РМсж=5 МПа.