Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ теорий прочности и исследовании механических свойств"связных грунтов на растя жение 14
1.1. Обзор и. анализ теорий прочности . 14
1.2. Методы испытаний связных грунтов на растяжение 31
1.3. Обзор и анализ результатов экспериментальных исследований механических свойств связных грунтов на растяжение 36
Выводы по главе I 43
2. Экспериментальная установка и методика исследова ния прочности связных грунтов в условиях простран ственного нагружения растягиващм и сжишвдмй усилиями ... 45
2.1. Анализ ожидаемого поведения связных грунтов.в ус-ловаиях сжатия-растяжения и растяжения 45
2.2. Экспериментальная установка 54
2.3. Методика испытаний образцов связных грунтов. Характеристики исследуемых грунтов 64
2.3.1. Конструкция образцов для испытаний связных грунтов " на сжатие и растяжение 66
2.3.2. Подготовка образцов к опытам и проведение испытаний 70
2.3.3. Отработка методики испытаний образцов связных грунтов 80
2.3.4. Физические характеристики исследуемых грунтов . 84
Выводы по главе 2 85
3 Экспериментальные исследования прочности связных грунтов. результаты испытаний и их анализ 87
3.1, Влияние условий нагружения на характер разрушения и прочность связных грунтов 88
3.2. Деформируемость связных грунтов в условиях растяжения 99
3.3. Построение полной предельной поверхности прочности по экспериментальным данным. Условие предельного равновесия связных грунтов 101
3.4, Анализ результатов выполненных исследований 119
Выводы по главе 3 129
4. Оценка возможности трщин00бра30вания в грунтовых плотинах 132
4.1. Существующие представления о трещинообразовании в плотинах 132
4.1.1. Причины возникновения трещин и их классификация 132
4.1.2, Краткий обзор и анализ предложений и методов оценки возможности трещинообразования в плотинах . 136
4.2. Применение результатов исследований для расчета грунтовых плотин на.трещинообразование . 147
Выводы по главе 4 160
Основные выводы 162
Список литературы 165
Приложение 179
- Обзор и анализ результатов экспериментальных исследований механических свойств связных грунтов на растяжение
- Методика испытаний образцов связных грунтов. Характеристики исследуемых грунтов
- Построение полной предельной поверхности прочности по экспериментальным данным. Условие предельного равновесия связных грунтов
- Краткий обзор и анализ предложений и методов оценки возможности трещинообразования в плотинах
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывается на необходимость повышения технического уровня проектов сооружений и качества строительных решений. В связи с этим одной из основных задач проектирования и строительства сооружений является обеспечение их надежности. Для грунтовых плотин вопрос надежности имеет первоотеденное значение, так как в противофильтрационных элементах этих сооружений могут возникать трещины, представлявдие угрозу существованию плотин. В настоящее время проблема трещинообразованзш в глинистых противофильтрационных элементах каменно-зешшннх плотин приобрела особую важность вследствие проектирования и строительства высоких и сверхвысо-них сооружений такого типа в сложных инженерно-геологических и топографических условиях.
По результатам анализа данных натурных наблюдений за состоянием и повреждениями плотин из местных материалов с ядрами и экранами (Р.А.Айрапетян, И.М.Васильев, В.И.Вуцель, М.Долежа-лова, А.АіНичипорович, В.Г.Мелышс, В.Г.Радченко, В.А.Саввина, ДЖТартаковекий, А.И.Тейтельбаум, ВНИИ гидротехники, А.Каза-. гранде, Г.А.Леонардс, І.ЕараЙн, И.Л.Шерард и др.) установлено, что трещины в противофильтрационных элементах образуются в областях растяжения и сдвига, появлящихся при неравномерных деформациях частей сооружений. Наибольшую опасность для грунтовых плотин представляют открытые (особенно сквозные поперечные) трещины, возникающие в результате разрыва глинистых грунтов в областях растяжения сооружения. Отмечены случаи разрушения плотин из местных материалов (например, авария плотины Адишала, США) вследствие образования трещин разрыва с последующим размывом сооружений по этим трещинам. Подобного типа аварии наносят значительный материальный ущерб.
Большой вклад в решение различных вопросов проблемы трещи-нообразования в грунтовых плотинах внесли А,А,Ничипорович, Д.М. Тартаковский, И.М;Ваоильев, М.Доланалова, В.И.Вуцель, А.И.Тей-тельбаум, В.Г.Мельник, В.А.Саввина, ВЛ.Жиленков, М.П.Павчич, Г.Х,Праведный, В.Г.Радченко, В.С.Истомина, В.В.Буренкова, Г.В,-мшпурова, М.П.Малышев, Я.Л.Коган, Л.В.Горелик, А.А.Петренко, Ю.ИіСватеев, Г.Я.Булатов, А.К.Бугров, В.И.Телешев, В.Ф.Маркевич, Г.М.Уличкин, А.Казагранде, И.Л.Шерард, Г.А.Леонардс, І.На-райн и др.
Известные методы расчета грунтовых плотин на трещшообразо-вание основаны на применении условий прочности, которые подтверждаются результатами экспериментальных исследований связных грунтов на сжатие (в том числе пространственное), а также на одноосное растяжение; Кроме того, используемые в критериях оценки вероятности возникновения трещин сведения о прочностных и деформационных свойствах связных грунтов в условиях растяжения ограничены; В глинистых противофильтрационных элементах грунтовых плотин, как известно, существуют в различных сочетаниях сжимающие и растягивающие напряжения. Поэтому для повышения достоверности результатов расчета трещинообразования в указанных элементах необходимо иметь сведения о прочности их материалов в условиях пространственного сжатия и растяжения. Иными словами, необходимо располагать полной предельной поверхностью прочности грунтов, с помощью которой можно установить не только вероятность разрушения грунтовой среды, но и тип ее разрушения (путем среза или путем отрыва). Г.М.Ломизе, А.Л.Крыжановский, Ю.К.
Зарецкий, В.Н.Ломбардо, Д.А.Франклин и др. предложили возможные очертания предельной поверхности прочности грунтов, не учитывающей тип разрушения. В ШЖ им.М.И.Калинина И.М.Васильевш была рассмотрена возможная форма полной предельной поверхности с разграничением ее на зоны разрушения путем среза и путем отрыва. Однако достоверно очертание предельной поверхности прочности в областях (октантах) с растягивавдими напряжениями можно определить только экспериментальным путем, выполнив испытания грунтов в условиях от трехосного сжатия до трехосного растяжения. В настоящее время достаточно подробно исследованы прочностные свойства грунтов в условиях нагружения (в том числе и трехосного независимого) сжимащими усилиями (А.И.Боткин, Э.И.Воронцов, С.С.Вялов, АЛ. Гольдин, М.Н.Гольдштёйн, Ю.К.Зарецкий, В.А.Иоселевич, А.Л.Крыжа-новский, Г.миомизе, М.В.Малышев, Н.Н.Маслов, Л.Н.Рассказов, А.У.Бишоп, Х.Ко, Р.Скотт, Д.Д.Хенкель и др.). В значительно меньшей степени изучены прочностные свойства на растяжение (эксперименты В.Ф.Богданова, В.Г.Булычева, Е.А.Воробьева, .Э.И.Воронцова, М.Ю.Гарицелова, М.Долежаловой, Ю.К.Зарецкого, В.С.Истоминой, .Я.Л. Когана, В.В,Лушникова, В.Г.Мельника, А.А.Ничипоровича, В.В.Охо-тша, Г.И.Покровского, В.А.Саввшой, Ю.Л.Сироты, А.И.Тейтельба-ума, З.Г.Тер-Мартиросяна, В.Д.Цыплакова, А.Ажаса, Г.А.Леонардса, Ж.Нарайна; Р.Парри и др.). Этот факт объясняется тем, что с помощью известиях приборов и методов можно испытывать грунты в условиях создания в образцах растягиващих напряжений по одной или двум осям нагружения, причем во втором случае нагружения величины возникащих в образцах растягивакщих напряжений одинаковы. Известные методы и приборы позволяют исследовать грунты на растяжение при значениях параметра вида напряженного состояния равных +1 или -I. Для построения полной предельной поверхности проч ности (или определения условия предельного равновесия) необходимо провести испытания грунтов при пространственном сжатии шш растяжении для любых значений параметра вида напряженного состояния, которые могут изменяться в пределах от -І до +1. Такие испытания можно выполнить Б условиях трехосного независимого нагружения об-разцовІ Известные приборы для исследований грунтов в указанных условиях позволяют испытывать образцы только на сжатие.
Цель диссертационной работы заключалась в том, чтобы экспериментально исследовать прочность связных грунтов в условиях пространственного сжатия и растяжения и на основании результатов указанных исследований оценить возможность образования в грунтовых плотинах трещин с определением области их распространения В соответствии с поставленной целью работы и учитывая недостаточную изученность вопроса определения условия прочности связных грунтов экспершдентальным путем при объемном сжатии-растяжении и растяжении, задачи исследования состояли в следующем;
- проанализировать ожидаемое поведение связных грунтов в условиях пространственного сжатия-растяжения и растяжения и предложить возможные аналитические формы записи условия предельного равновесия грунтов;
- разработать конструкцию установки для испытания грунтов в условиях трехосного независимого нагружения образцов по любой из трех взаимно дерпевдикулярных осей сжимадоциш и растягивающими усилиями и создать установку;
- разработать методику испытания образцов связных грунтов на прочность в условиях пространственного независимого нагруже-ния в.диапазоне от всестороннего сжатия до всестороннего растяжения;
- провести с различными по физическим свойствам связными
грунтами до разработанной методике экспериыенталыше исследования их прочности в условиях проотранственного нагружения растягивающими, растягиващими-сжимающшди и небольшшяи по величине сжимающими усилиями, то есть исследовать прочность грунтов во всех восьми октантах системы координат главных нормальных напряжений;
- определить но результатам выполненных экспериментальных исследований форму полной предельной поверхности прочности грунтов с разграничением ее на зоны разрушения путем отрыва и путем среза ; •
- установить возможность применения предложенных аналитических зависимостей условия цредельного равновесия для оценки прочности связных грунтов на основании данных экспериментальных исследований;"
оценить размеры областей распространения трещин в зтрунто-вых плотинах, применяя результати экспериментальных исследова-ішй прочности связных грунтов в условиях пространственного сжатия и растяжения Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов.
В первой главе выполнен обзор теорий прочности, приведены зависимости для предельного равновесия грунтов в условиях простого и сложного напряженных состояний. Вшолнен обзор известных методов и результатов испытании связных грунтов на растяжение. На основании проведенного анализа данных, изложенных в первой главе» показано, что при пространственном сжатии-растяжении и растяжении поведение связных грунтов изучено недостаточно для того, чтобы достоверно установить полнута предельную поверхность прочности; В связи с этим выбрано основное нацравление экспериментальных исследований в диссертации, которое заключалось в определении подной предельной поверхности прочности связных грунтов с выделенными на ней зонами разрушения путем отрыва и путем срезам
Во второй главе проведен анализ ожидаемого поведения связных грунтов при объемном ожатии-растяжении и растяжении. На основании анализа установлено возможное очертание полной предельной поверхности прочности с зонами разрушения путем отрыва и путем среза, предложены возможные зависимости условия прочности. Приведены описания разработанных методики испытания грунтов и конструкции установки, с помощью которых можно исследовать образцы в условиях трехосного независимого нагружения сжимающими и растягивакидами усилиями по каждой оси. Рассмотрена предложенная конструкция образцов, позволяющая повысить точность исследования механических свойств связных грунтов в условиях объемного сжатия и растяжения при любых сочетаниях действующих нагрузок Приведены сведения о физических свойствах исследуемых грунтов.
В третьей главе цредставлены результаты экспериментальных исследований црочности связных грунтов, испытанных по простым траекториям нагружения в условиях от трехосного сжатия до трехосного растяжения; Приведены построенные по результатам испытаний грунтов полные предельные поверхности прочности с зонами разрушения путем отрыва и путем среза. На основании экспериментальных исследований показано, что предложенные в диссертации зависимости с достаточной для практики достоверностью могут быть использованы при описании предельного состояния связных грунтов в условиях пространственного сжатия и растяжения. Для предельного напряженного состояния исследованных грунтов представлены диаграммы, по которым можно определить тип разрушения (путем отрыва или путем среза) грунтовой среды; Для условий испытаний связных грунтов на действие растягивавших усилий (в том числе и по двум и трем осям нагружения) приведены значения предельных осевых напряжений и предельных линейных деформаций удлинения, показана возможность использования экспериментальных данных при определении модулей объемной и сдвиговой деформаций, проанализировано влияние видов напряженного и деформированного состояний со- ответственно на величины предельных осевых напряжений и предельных линейных деформаций удлинения.
Б четвертой главе кратко рассмотрен вопрос о факторах, вызывающих возникновение трещин в грунтовых плотинах. Отмечено, что наибольшую опасность для плотин представляют открытые сквоз L ные поперечные трещины, образущиеся при разрыве грунтов дроти-вофильтращюнных елементові йдюлнен краткий обэор и анализ известных предложений и методов расчета грунтовых плотин на трещи-нообразование. По результатам анализа установлено, что в известных методах расчета применяются простые условии предельного равновесия, с помощью которых нельзя достоверно оценить предельную прочность грунтов в случаях плоского и пространственного сжатия-растяжения и растяжения» Рассмотрен метод расчета трещинообразо-вания в грунтовых плотинах, в котором с целью повышения достоверности результатов оценки применено (в качестве критерия возникновения трещин) новое условие прочности доя пространственного сжатия и растяжения связных грунтов Б расчете используется пространственное напряженное состояние плотины устанавливаемое цриближешшм способом, В качестве примера выполнен расчет глубины раскрытия трещины в ядре каменно-эемляной плотины.
Результаты изложенных в 1-4 главах диссертации исследований обобщены в основных выводах.
Научная новизна работы состоит в следущем; разработана ме тодака испытаний и создана установка, с помощью которых можно осуществлять экспериментальные исследования механических свойств связных грунтов в условиях пространственного независимого приложения к образцу как сжимающих, так и растягивающих усилий по любой из трех ортогональных осей натрушення; выполнены экспериментальные исследования прочностных свойств связных грунтов по простым траекториям нагружения в условиях от трехосного сжатия до трехосного растяжения ; по результатам указанных испытаний построена полная предельная поверхности прочности с зонами разрушении путем отрыва и путем среза, подтверждена достоверность предложенных зависимостей предельного равновесия связных грунтов при объемном сжатии и растяжении; в условиях нагружения образцов исследованных связных грунтов только растягиванциш усилиями установлены значения предельных напряжений при трехосном равномерном растяжении, исследовано влияние ввдов деформированного и напряженного состояний соответственно на величины предельных осевых деформаций удлинения и предельных осевых напряжений» определено соотношение величин модулей объемной деформации, а также модулей сдвиговой деформации при одноосном, двухосном и трехосном растяжении; выполнен расчет трещинообразования в ядре грунтовой плотины с использованием результатов проведенных исследований, в частности, предложенного условия прочности.
Практическое значение работы заключается в следуицем: с помощью построенных по результатам исследований связных грунтов диаграмм предельных напряжений можно установить тип разрушения (путем отрыва или путем среза) грунтовых массивов; по результатам расчета грунтовых плотин на трещинообразование, основанного на применении предложенного условия прочности, можно оценить вероятность появления в сооружении трещин и определить глубину их раскрытия; результаты исседований могут быть использованы при оценке трещиностойкости оснований, в частности; гидротехнических сооружений, при расчетах устойчивости оводов и стен подземных выработок, откосов котлованов, грунтовых ддотин и при решении других практических задач На защиту выносятся; установка для испытания образцов грунтов в условиях трехосного независимого нагружения сжшавдими и растягивающими усилиями но каждой оси; методика испытания образцов связных грунтов в условиях сложного напряженного состояния при создании сжимащих и растягиваэдих напряжений по любой из трех ортогональных осей нагружения; результаты экспериментальных исследований прочности связных грунтов в условиях пространственного сжатия и растяжения, анализ результатов; построенная по экспериментальным данным полная предельная поверхность прочности связных грунтов с выделенными на ней зонами разрушения путем отрнва и путем среза; зависимости условия предельного состояния связных грунтов при пространственном сжатии и растяжении; оценка возможности трещшюобразования в грунтовых плотинах с использованием результатов исследований прочности связных грунтов.
Выполненные в работе исследования проводились в соответствии с планом важнейших научно-исследовательских работ по теме 04.02.Н2 проблемы 0 55.08 "Разработать и внедрить новые технологические решения и технологию строительства гидроэлектростанций в сложных природно-шшлатических условиях" (постановление Госплана СССР, ГКНТ Совмина СССР и Президиума АН СССР гё ІІ0/І90/ /50 от 20.05.80 г.). Результаты работы внедрены при проектировании каменно-земшшых ШЕОТШ Колымской и РогунскоЙ 1ЭС в Ленинградском и Среднеазиатском отделениях института "Гидропроектї
Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Инженерное мерзлотоведение в гидротехническом строительстве" (Москва, 1983 г.), КВилеЙной научно-технической конференции гидротехнического факультета ЛПИ им. М!.И. Калинина (Ленинград, 1982 г.), научных семинарах кафедр "Подземные сооружения, основания и фундаменты" и "Гидротехнические сооружения" ЛПИ им.М.И.Калинина.
По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы и получено авторское свидетельство на изобретение.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, изложенных на НО страницах машинописного текста, а также включает 51 рисунок, 4 таблицы, список литературы из 124 наименований и 3 приложения; Работа выполнена на кафедре "Подземные сооружения, основания и фундаменты" Ленинградского политехнического института имени М";И. Калинина.
Обзор и анализ результатов экспериментальных исследований механических свойств связных грунтов на растяжение
Для определения прочности грунтов в условиях пространственного напряженного состояния А.Л.Крыжановский [52] предложил использовать уравнение сухого трения Билона с обязательным указанием положения площадки предельного состояния, на которой выполняется условие равновесия- Условие прочности в соответствии с законом сухого трения имеет такой втщ: где ( ,т,п) - нормаль к площадке; , т tn - направляющие косинусы нормали S . А.Л.Крнжановский [52] экспериментально подтвердил справедливость зависимости (1,21) для различных напряженно-деформированных состояний грунта в условиях сжатия. При проведении исследований ориентация площадок скольжения определялась в зависимости от приращений пластических.деформаций» Как показали исследования [61, 81, 83» 122] с грунтами, на их прочность влияют не только сами тензоры напряжений и деформаций, но и путь нагружения, а также подобие напряженного и деформированных состояний. Создание теории, учитывающей режим нагружения грунтов, является очень сложной задачей [30]. Но определенные попытки в этом нацравлении уже сделаны. Так, Л Н.Рассказов [78] дредяожил условие прочности грунтов, в которое входит параметр, характеризутощий путь нагружения, первые инварианты тензоров напряжений и деформаций, девиаторы напряжений и деформаций и косвенным образом параметр йоде. Рассматривая вопрос о прочности грунтов, следует остановиться на характере их разрушения. Как известно, в грунтах, как и в металлах, различают две формы разрушения: путем среза (сдвига) и путем отрыва [14, 45, 95]. Разрушение грунта путем среза обусловлено в основном касательными наложениями. В этом случае разрушение образцов при испытании должно происходить по плоскостям, в которых деству-ют наибольшие касательные напряжения.
Разрушение путем сарыва обусловлено преимущественно действием нормальных растягивающих напряжений шш деформациями удлинения, когда указанные напряжения и деформации достигают определенных величин, при которых прочность связей нарушается. Разрывы происходят по плоскостям, перпендикулярным направлениям действия растягивающих усилий. Следует указать на существенное различие между этими двумя механизмами разрушения. Ю.К.Зарецки2 [45] отмечает, что при срезе наблвдается значительная пластическая деформация "„. за счет постепенного развития дефектов структуры и ориентации частиц в глинистом грунте". При отрыве предварительная пластическая деформация отсутствует и хрупкое разрушение в глинистых грунтах происходит по границам мпкроблоков, в кристаллических породах - до границам зерен при упругих деформациях [45]. Экспериментальные исследования показывают, что материал может быть разрушен как хрупко, так и пластично в зависимости от условий нагружения, то есть от напряженного состояния, в котором он находится. Для оценки надежности работы грунтовых сооружений, в частности, каменно-земляных плотин с глинистыми противофильтращон-ными элементами, необходимо располагать экспериментальными данными о прочности грунтов с учетом форм разрушения (срезом и отрывом) [95]. Разрушение путем среза обычно происходит в зонах действия сжимающих напряжений, где возникают области предельного состояния Разрушение отрывом, происходящее в условиях растяжения, может иметь место в зонах у гребня плотины, при этом на гребне образуются поверхностные трещины. К настоящему времени для глинистых грунтов достаточно широко и детально изучен вопрос определения условий предельного состояния экспериментальным путем при действии сжималцих нагрузок Предназначенные для этой цели приборы и методики проведения испытаний подробно описаны в работах НД. Цытовича [І0і] , Г.МЛоми-зе, А.Л.Крыжановского [82], М;Н.1Ълздштейна [Зб], С.Р.Месчяна [64], А.Л.ІЬльдіша, Р А.Ширяева [зз], Н.Н.Сидорова, В.П Сипиди-на [87], А.У.Бишопа, ДД.Хенкеля [15] и других авторов Сведений о прочности и деформируемости глинистых грунтов при действии растягиващих усилий гораздо меньше. Но именно разрушение отрывом, осуществляемое обычно при растяжении и приводящее к образованию сквозных поперечных поверхностных трещин на гребне противофильтрацаонннх элементов плотин, является для указанных сооружений наиболее опасным [95]. Прочность связных грунтов яри растяжении зависит от сцепления между глинисто-коллоидными частицами. Предложены теории, объясняющие причину существующего в глинистых грунтах сцепления [39, 40, 4l]i" Если рассматривать этот вопрос с инженерных позиций/ то прочность связных грунтов зависет от минералогического состава глинисто-коллоидных частиц (монтмориллонит, иллит, каолинит и др.), "... процентного содержания их по массе в грунте, общего зернового состава грунта, плотности частиц, объемной плотности, влажности, содержания крупнозернистых включений ," [95]. Кроме того» на достоверность результатов испытаний связных грунтов в условиях растяжения сильно влияют метод и техника проведения исследований.
Методика испытаний образцов связных грунтов. Характеристики исследуемых грунтов
Дня испытаний грунтов в условиях трехосного независимого нагружения снимающими усилиями с помощью известных приборов с жесткими нагрузочными штампами обычно применяются образцы кубической формы [4] и в виде прямоугольного параллелепипеда [9] Срис 2.9). При испытании таких образцов в приконтактных с жесткими нагрузочными элементами (штампами и стенками) рабочей камеры слоях грунта образца действующие усилия распределяются неравномерно [99], но при обработке результатов опытов это обстоятельство обычно не учитывается и напряжения считаются равномерно распределенными Определение истинной величины напряжений в грунте по каддой оси нагружения существенно осложняется также из-за того, что на напряженное состояние и поведение грунта в зонах у ребер образца оказывают влияние усилия, передаваемые взаимноперпендикулярными штампами. О неравномерности распределения напряжений и деформаций в грунтовых кубических образцах, испытываемых в приборах трехосного независимого нагружения сжимающими усилиями, свидетельствуют и расчеты напряженно-деформированного состояния образцов [104]; при этом отмечается, что с приближением грунта к предельному состоянию размеры зон неравномерного распределения напряжений и деформаций в образцах увеличиваются. Поэтому в такого типа испытаниях (если при обработке результатов опытов напряжения считаются равномерно распределенными в образце) характеристики прочности грунта недостаточно достоверны и, следовательно, точность исследований невысока.
При разработке методики испытаний связных грунтов в условиях трехосного независимого нагружения сжимающими и растягивающими усилиями в диапазоне от всестороннего сжатия до всестороннего растяжения была поставлена цель: повысить точность экспериментальных исследований, В связи с этим особое внимание было уделено конструкции образцов для испытаний в указанных условиях.
Методическая часть исследований включает следующие вопросы: конструкция образцов для испытаний связных грунтов в условиях трехосного независимого нагружения сжимающими и растягивающими усилиями; подготовка образцов к испытаниям; техника проведения испытании образцов,
При разработке конструкции образцовбыло использовано предложение И.М.Васильева испытывать на сжатие и растяжение их центральную часть, которая удалена от нагрузочных элементов (шташов и стенок) рабочей камеры.
Для этого в кубическом образце, подготавливаемом к испытаниям в условиях трехосного независимого нагружения, ло направлениям от ребер в диагональных плоскостях выполняются оди х) Конструкция образцов разработана совместно Васильевым И.М. ж автором работы. наковой глубины прорези путем выборки (вырезки) грунта шж в процессе формирования образца в тех же местах размещаются прокладки из двух слоев пленочного антифрикционного материала -фторопласта (рис.2,10) [22, 25, 26, 88]. В результате такого разделения образца прорезями зали прокладками в его центральной зоне образуется рабочая часть, имещая кубическую форму. На рис,2.10, а "грани" рабочей части условно обозначены штриховыми линиями. Прокладки образца изготовляются из шгеночного материала, так как при уплотнении грунта в процессе формирования образца они не должны препятствовать созданию однородной структуры. Кроме того, материал прокладок должен обладать антифрикционными свойствами для уменьшения величины потерь действующей нагрузки на трение, которое может возникнуть в црокладках в случае взаимодействия соседних периферийных частей при нагру-жешш образца.
При испытании образцов с прорезями или прокладками достигается более равномерное распределение усилий на "гранях 1 рабочей части вследствие их отдаленности от штампов и стенок камеры, исключается нежелательное влияние жестких нагрузочных элементов камеры на распределение напряжений в грунте в зонах у ребер образца. Кроме того, условия закрепления образца предложенной конструкции со штампами и стенками камер в меньшей степени искажают результаты эксперимента, чем при испытании обычного кубического образца, грани которого, являясь рабочими, непосредственно контактируют с жесткими элементами рабочей камеры.
Построение полной предельной поверхности прочности по экспериментальным данным. Условие предельного равновесия связных грунтов
Результаты проведенных испытаний глинистых грунтов дозволили установить форму полной предельной поверхности прочности и выделить на ней зоны разрушения путем отрыва и среза, а также зову смешанного разрушения [22, 23, 88]. На рис.3.9 и 3.10 изображены сечения предельных поверхностей прочности суглинка и супеси плоскостью, проходящей через ось главного напряжения бт и гидростатическую ось m .В этих сечениях над гидростатической осью бл = б2 и кривая прочности характеризуется значением W6 =+1, под гидростатической ооыо б2= з и кривая прочности отвечает значению ywe =-1. Как видно из рис.3.9 и 3.10, полная предельная поверхность прочности закрыта в октанте трехосного растяжения, где разрушение грунтов происходит путем отрыва В октантах растяжения-сжатия отмечены типы разрушения как путем отрыва, так и путем среза. Установить точно границу раздела зон разрушения путем отрыва и среза (например: в виде точки на кривой прочности) экспериментальным путем оказалось невозможно Поэтому на кривых поверхности прочности были выделены переходные участки, соответствующие смешанному разрушению. Краевые точки кадцого из этих участков (одна отвечает разрушению путем отрыва, вторая - путем среза) определены экспериментально.
На рис.3.II представлены сечения предельных поверхностей прочности плоскостью осей 6j t бц Эти сечения для суглинка и супеси имеют замкнутую форму, симметричную относительно проекции гидростатической оси т на плоскость ( бт f бд ).
Условие предельного объемного напряженного состояния материала обычно представляют в виде семейства зависимостей интенсивности касательных напряжений X от среднего нормального напряжения бт , из которых каждая соответствует данному значению yue . В пункте 2.1 предложено характеризовать предельное состояние связного грунта в условиях пространственного растяжения и растяжения-сжатия душ значения ju6 = const зависимостью (2.1) нелинейного вида а также степенным уравнением (2 4), в котором учитывается разграничение поверхности прочности (кривой %i -вт ) на зоны (участки) разрушения путем отрыва и среза, где R5 - величина предельной прочности грунта при всестороннем равномерном растяжении, определяемая экспериментально; А , с( и П - расчетные параметры, определяемые по экспериментальным данным, зависящие от условий нагружения, в частности, М6 ї &т и Ц - среднее нормальное напряжение и интенсивность касательных напряжений на границе раздела зон разрушения путем отрыва и среза. Значения бт и TL , зависящие от условий нагружения, в частности, fa , определяет по экспериментальным данным.
Обработка экспериментальных данных исследованных грунтов проведена методом наименьших квадратов [54], с помощью которого были вычислены значения расчетных параметров A f ct и П . По зависимости (3.1) установлены следувдие соотношения (рис. 3.12 и 3.13)
Краткий обзор и анализ предложений и методов оценки возможности трещинообразования в плотинах
Проанализировав данные натурных наблюдений и связав их со свойствами грунтов, из которых выполнены противофильтраци-онные элементы плотин, ИД.Шерард [123] пришел к выводу, что вероятность образования трещин в плотинах возрастает в случаях использования для возведения ядер и экранов связных грунтов с числом пластичности менее 0,15 и влажностью ниже оптимальной по Проктору (до 0,05-0,07).
Ж.Биарез и П.Лонде [ш] предлагают оценивать возможность появления трещин в каменно-земляных плотинах с помощью двух обобщенных эмпирических параметров. Первый параметр учитывает физические и механические (сжатие, растяжение и сопротивление грунта сдвигу) свойства глинистого грунта ядра, второй - дефор мируемость упорных призм, конструкцию плотины, способ ее возведения. В зависимости от соотношения указанных параметров определяется вероятность трещинообразования в сооружении.
Использование закономерностей, установленных И.Л.Шерардом, и предложения Ж.Биареза и П.Лонде позволяет лишь приближенно с качественной стороны прогнозировать трещинообразование в плотинах Для повышения достоверности оценки возможности появления трещин необходимо располагать данными о напряженно-деформированном состоянии плотины и прочностных свойствах материалов, в частности, противофильтрационннх элементов»
Известнне приближенные методы оценки трещинообразования в грунтовых элементах плотин основаны на применении теорий прочности, обзор которых приведен в первой главе диссертационной работы." В методах расчета возникновения наиболее опасных открытых трещин (вследствие разрыва грунта) обычно используются теории наибольших предельных напряжений (первая) или теории наибольших предельных удлинений (вторая). При этом появление открытых трещин, в частности, на гребне плотины, где условия нагружения близки к одноосному растяжению, считается возможным, если бх и 6х расчетные величины растягивающих напряжений и относительных деформаций удлинения на гребне сооружения; RP и рр - величины предельных растягивающих напряжений и относительных деформаций удлинений грунта, определяемые экспериментально.
В известных методах расчета образования трещин в резуль тате разрушения грунта путем сдвига обычно используется условие прочности Еулона-Мора.
По методу Г.А.Леонардса и Ж.Нарайна file] можно определить вероятность образования в сооружении поперечных поверхностных трещин по условию (4.2). Расчетные значения относительных горизонтальных удлинений на гребне сооружения опреде ляготся в результате решения плоской задачи.теории упругости о напряженно-деформированном состоянии балки, причем эпюра вертикальных перемещений балки задается в соответствии с данными натурных наблюдений об осадке гребня плотины, В методе имеется ряд упрощающих допущений, в частности: изотропный материал балки подчиняется закону Іїка; давление воды со стороны верхнего бьефа не учитывается. Действительные значения предельных относительных удлинений грунта определяются по результатам испытаний грунтовых балок по схеме чистого изгиба с помощью предложенной авторами [Пб] методики, суть которой кратко изложена в пункте 1.2 диссертации.
М.Долежалова [44] для оценки трещинообразования на гребне ядра плотины применила критерии (4.1) и (4.2). Определение расчетных значений бх и х проводится по результатам решения плоской задачи теории упругости о напряженно-деформированном состоянии в продольном сечении ядра плотины. При условии мгновенного возведения сооружения без учета порового давления значения 6,( и Ех предлагается вычислять по эмпирическим формулам, в которых учитываются размеры плотины и заложения бортов каньона. Кроме того,.при постепенном возведении сооружения М.Долежалова предлагает приближенно рассчитывать величины растягивающих напряжений и относительных деформаций удлинения путем умножения значений 6% и х , установленных для слу чая мгновенного возведения, на коэффициент норового давления.
Я.Л.КЬганом, Г.Г.ОвсянкшюЙ, А.Г.Черниловым [5l] предложен приближенный метод определения возможного образования поперечных трещин на гребне ядра плотины. В данном методе оценка вероятности трещинообразования выполняется по наибольшей деформации удлинения, то есть по условию (4.2). Авторы метода считают, что трещины в сооружениях возникают вследствие неравномерных осадок гребня в продольном сечении ядра плотины. На участке I гребня с наибольшей неравномерностью осадки расчетная величина относительного удлинении х определяется по формуле (рио.4.3, а): где &l=V - абсолютная величина деформации удлинения на участке длиной ; г= ьЬ/1 - коэффициент неравномерности осадки; дЬ - величина осадки на участке длиной & .
Предполагая, что на участке, испытывающем растягивающие напряжения, может возникнуть только одна трещина, при образовании которой эти напряжения по обе стороны от трещины исчезают» авторы [51] предлагают рассчитывать величину ее раскрытия по зависимости:
Предельная относительная деформации грунта определялась в [51] методами одноосного растяжения образцов-восьмерок и поперечного изгиба грунтовых балок.
В методе прогноза поперечных трещин, предложенном Л.В.Гореликом и А.А.Петренко [Зб], возможность возникновения разрыва в грунтовых противофильтрационных элементах плотин оценивается по наибольшим растягивающим напряжениям с црименением условия (4.1). фи этом расчет напряденного состояния сооружения основан на решении плоских задач в продольном и поперечных сечениях по разработанным авторами методикам, в которых учитывается возникающее в ядре плотины поровое давление.
С помощью изложенных выше методов можно приближенно оценить вероятность трещинообразования в поверхностной зоне грунтовых сооружений. Но как показывают натурные наблюдения трещины могут возникнуть и внутри сооружения.
