Рассматриваются возможные формы нарушения сплошности в подпорных грунтовых гидротехнических сооружениях, методы предварительного исследования прочности и обеспечения надежности применительно к грунтовым плотинам. Приводятся результаты экспериментальных исследований, предлагаются инженерные методы расчета грунтовых сооружений на прочность при различных формах разрушения грунта. Для инженеров-гидротехников: проектировщиков и исследователей.

Предисловие

Глава 1. Обзор современных методов оценки трещинообразования в грунтовых плотинах
1. Методы оценки трещинообразования
2. Условия прочности и методы экспериментальных исследований

Глава 2. Метод оценки трещинообразования грунтовых плотин при нагружении растяжением-сжатием
3. Условия предельного равновесия при растяжении и растяжении-сжатии
4. Определение параметров условии предельного равновесия по результатам испытаний грунтовых образцов
5. Трещинообразование в результате разрыва в грунтовых плотинах

Глава 3. Трещинообразование и фильтрационная прочность грунтов в областях предельного равновесия на сдвиг
6. Факторы, влияющие на нарушение сплошности грунта
7. Экспериментальная проверка грунтов на хрупкое разрушение по площадкам сдвига

Глава 4. Метод оценки прочности приконтактного слоя и контактного шва
8. Условия прочности противофильтрационного грунтового элемента плотины
9. Экспериментальная проверка условий прочности грунтов приконтактного слоя

Глава 5. Обеспечение прочности и надежности грунтовых противофильтрационных элементов плотины
10. Определение трещиноопасных областей в ядре плотины
11. Примеры оценки трещиностойкости грунтов ядра плотин
12. Конструкции для обеспечения надежности ядра плотины

Глава 6. Устойчивость откосов грунтовых сооружений в предположении сдвига деформируемых тел обрушения

Заключение
Приложения
Список литературы

Предисловие

Строительство высоких плотин из грунтовых материалов, развернувшееся в последние два десятилетия, поставило перед проектировщиками и строителями ряд задач, взаимосвязанных проблемой обеспечения надежности и экономичности сооружений, а также сохранности примыкающих к ним территорий. Актуальность решения этих задач существенно возросла в связи со строительством гидроузлов с высокими грунтовыми плотинами в сейсмически опасных районах и на Крайнем Севере, где применение грунтовых материалов обеспечивает технологичность возведения, экономию конструкционных материалов, нормальную эксплуатацию ГЭС.

При эксплуатации грунтовых сооружений процессы нагружения, деформирования и фильтрации могут привести к появлению в плотине областей предельного равновесия и, как следствие, к нарушениям сплошности грунта с последующим изменением условий эксплуатации плотин или к аварии.

При проектировании плотин из грунтовых материалов обычно ставится задача сохранить в процессе нагружения и деформирования сооружения контролируемое при возведении качество грунтов. Решение ее возможно путем такого ограничения деформирования сооружений, при котором размеры зон предельного равновесия будут безопасны или полностью исключены. Однако практика проектирования показывает, что предусмотреть в проекте такое ограничение деформирования сооружения не всегда возможно. Данные натурных наблюдений показывают, что появление зон предельного равновесия не всегда приводит к повреждениям сооружений. В некоторых случаях эти зоны даже способствуют снижению неравномерностей деформаций, исключают их концентрацию, ускоряют процессы приспособляемости плотины в примыканиях к склонам и основаниям.

В настоящее время существуют расчетные модели, позволяющие прогнозировать напряженно-деформированное состояние, развитие зон предельного равновесия. Достоверность результатов расчетов по эти моделям достаточна при условии отсутствия зон с растягивающими напряжениями. Эти расчетные модели опираются на упрощенные аналитические построения предельной поверхности прочности, не учитывающие формы разрушения грунта в результате разрыва. Поэтому по результатам расчетов высоких грунтовых плотин могут получать или преувеличенные размеры трещиноопасных зон, что приводит к удорожанию, или преуменьшенные, что повышает опасность аварии.

Таким образом, подтверждается необходимость построения предельной поверхности прочности, учитывающей две формы разрушения грунта (в результате разрыва и сдвига) в условиях трехмерного нагружения. При реализации ее в расчетных методах оценка трещинообразования позволяет уточнить размеры областей, охваченных растяжением и сжатием, а также размеры областей предельного равновесия на разрыв и сдвиг, что повышает достоверность расчетов напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений.

Известно, что не все связные грунты по физическим свойствам способны проявлять хрупкий характер разрушения при сдвиге. В результате в области предельного равновесия грунты могут сохранять сплошность и фильтрационные свойства или, в зависимости от уровня нагружения сжатием, проявлять хрупкий характер разрушения, но изменять фильтрационные свойства в допустимых для противофильтрационного элемента плотины пределах. В последнем случае необходим комплекс методов по проверке и подбору грунтов, обеспечивающих полное исключение или допустимое ограничение повышения водопроницаемости грунтов, находящихся в условиях предельного равновесия. Это возможно проверить только экспериментально с последующим использованием результатов в расчетных методах оценки трещиностойкости.

Решению этих задач для практики плотиностроения и посвящена работа, проводимая на кафедре «Подземные сооружения, основания и фундаменты» Ленинградского политехнического института им. М.И. Калинина, часть результатов которой и составляет основу настоящей книги.

Книга состоит из шести глав. В первой главе последовательно приводятся краткий обзор и анализ современного состояния по оценке трещинообразования в грунтовых плотинах, определяется круг рассматриваемых задач, поясняются возможные пути их решения. В последующих главах излагаются методики оценки прочности грунтовых сооружений при определенных формах нарушения сплошности в результате разрыва или сдвига, сформулировано условие предельного равновесия с поверхностью прочности, учитывающей две формы разрушения грунта (в результате разрыва или сдвига), что подтверждается данными экспериментальных исследований в условиях трехосного независимого нагружения растяжением-сжатием. Предложена методика оценки трещинообразования в результате разрыва, реализующая предложенное условие прочности.

Излагается методика экспериментальной проверки возможности нарушения сплошности грунтов в условиях нагружения сжатием с постепенным изменением формы образца до состояния предельного равновесия, а также с оценкой фильтрационной прочности грунтов.

Приводятся результаты исследований прочности приконтактного слоя и контактного шва в рассматриваемой схеме «плотина-основание», а также противофильтрационных элементов плотины. Рассматриваются вопросы оценки устойчивости откосов в расчетной модели в предположении сдвига по плоскости скольжения произвольной формы, когда вся область смещения является деформируемым телом обрушения. Даются примеры расчета по приведенным методикам и варианты их реализации при проектировании и строительстве конкретных сооружений (плотин Чарвакской, Нурекской, Колымской и Рогунской ГЭС, упорных призм гидроотвалов рудника и др.). Эти материалы рекомендованы для составления руководства к СНиП 2.06.05—84 «Плотины из грунтовых материалов». В приложении приведены обобщенные данные результатов экспериментальных исследований.

Автор благодарит коллег по кафедре «Подземные сооружения, основания и фундаменты» ЛПИ (зав. кафедрой проф., доктора техн. наук П.Л. Иванова, проф., доктора техн. наук А.К. Бугрова, доц., канд. техн наук А.Г. Соколова), а также сотрудников МИСИ им. В.В. Куйбышева (проф., доктора техн. наук Л.H. Рассказова, доц., канд. техн. наук A.Л. Крыжановского), ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (М.П. Павчича, Г.Х. Праведного, канд. техн. наук В.Г. Радченко), ВНИИВОДГЕО доктора техн. наук В.Г. Мельника, канд. техн. наук А.И. Тейтельбаума) и ряда проектных и строительных организаций (П.П. Листрового, Л.Г. Осадчего, Г.А. Омарова, канд. техн. наук Л.С. Рейфмана, В.Ф. Теплова, В.В. Колеганова, Е.Д. Лосева, К.В. Севенарда, Ю.И. Фриштера, A.A. Серова, O.A. Когодовского) за советы, ценные замечания и помощь при выполнении теоретических, лабораторных и полевых исследований.

Автор с благодарностью отмечает полезную работу инженеров (Г.М. Уличкина, Л.Н. Синякова, В.А. Мельникова, А.И. Голубева, К.К. Гребнева, Н.П. Зарубиной), а также лаборантов и студентов (Е.Ф. Горячевой, А.П. Крутова, В.Н. Горностаева, В.Г. Шипук, Ю.Н. Фесенко, М.Ю. Парфенова, A.C. Капитулы), принимавших участие в расчетных и экспериментальных исследованиях на разных этапах работы.

Автор выражает искреннюю признательность доктору техн. наук А.Л. Гольдину за ценные замечания и советы при рецензировании рукописи и канд. техн. наук A.A. Белякову за большую работу по редактированию рукописи.

Книга предназначена для специалистов, занимающихся вопросами проектирования, расчетов и исследований подпорных грунтовых гидротехнических сооружений, а также может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов гидротехнических специальностей.