ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ ТТЛ
После того как найдено общее водохозяйственное и конструктивное решение, отвечающее условиям экономики и социального развития района строительства, переходят к решению тех инженерных задач, которые обеспечивают функциональную и конструктивную надежность сооружения.
Важнейшими видами инженерных расчетов по решению задач проектирования гидросооружений являются: расчеты пропускной способности водопропускных сооружений, расчеты прочности и устойчивости сооружений и их конструктивных элементов на действие статических и динамических нагрузок, гидравлические и фильтрационные расчеты по обоснованию надежности сооружения и его основания на опасные воздействия поверхностных, глубинных и фильтрационных потоков.
Основные положения расчета гидросооружений по методу предельных состояний. В настоящее время гидротехнические сооружения, их конструкции и основания рассчитывают по методу предельных состояний. Предельными называют состояния, при которых конструкция, сооружения или его основание теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые повреждения или деформации, т.е. перестают удовлетворять нормативным требованиям. Различают две группы предельных состояний [188].
Первое предельное состояние состояние, при достижении которого происходит потеря несущей способности и (или) полная непригодность сооружений к эксплуатации, т.е. при достижении этого состояния сооружения становятся непригодными к эксплуатации в результате хрупкого, усталостного или пластического разрушения материала сооружения или основания, потери устойчивости и т. д. Для оценки этого состояния выполняют расчеты общей прочности и устойчивости, общей фильтрационной прочности оснований и грунтовых сооружений, прочности и перемещений таких элементов сооружения, разрушение и перемещение которых делает невозможной эксплуатацию сооружения в целом.
Второе предельное состояние состояние, при котором становится невозможной нормальная эксплуатация сооружения, его конструкций или основания в результате развития деформаций, нарушения местной фильтрационной прочности или прочности отдельных элементов сооружения, не рассмотренных при расчетах по предельным состояниям первой группы. По второй группе ведут расчеты оснований на местную прочность, на местную фильтрационную прочность оснований и грунтовых сооружений, расчеты перемещений и деформаций, образования и раскрытия трещин и строительных швов, расчеты прочности отдельных элементов сооружения.
Разделение предельных состояний на две группы условно. Так, несоответствие отнесенному ко второму состоянию деформации осадки гребня фунтовой плотины может привести к переливу воды через гребень плотины и ее размыву, а нарушение местной фильтрационной прочности на грунтовой плотине Те тон (США) привело к прорыву плотины с трагическими последствиями [102].
Проверка недопущения наступления предельных состояний гидротехнических сооружений, их конструкций и оснований ведется по следующей формуле
При оценке наступления предельного состояния требуется выполнение условия (5.1), но таким образом, чтобы правая часть превышала левую не более чем на 10%.
Расчетное значение нагрузки F определяют как произведение ее нормативного значения F на коэффициент надежности по нагрузке т. е.
Расчетные значения нагрузок при наличии статистических данных об их изменениях допускается определять непосредственно по заданной вероятности их превышения. Силовому воздействию нагрузки в виде силы, момента силы или напряжений противостоит прочность материала сооружения или его основания. Расчетное сопротивление материала R сопротивление, принимаемое в расчетах и определяемое как отношение нормативного сопротивления материала R к коэффициенту надежности по материалу кт т.е.
Обеспеченность (односторонняя вероятность) значений нормативных сопротивлений для всех строительных материалов принята в нормах равной 0,95, за исключением сопротивления бетона в массивных гидротехнических сооружениях, для которых эта величина равна 0,9. Например, нормативная кубиковая прочность гидротехнического бетона по нормам определяется при r=l,64, Cv=0,135 тогда 0,779Л. Нормативные и расчетные значения сопротивления бетона различных марок осевому сжатию и растяжению, а также нормативные и расчетные сопротивления основных видов арматуры приведены в нормах [195].
Нормативные значения характеристик грунтов: коэффициента трения удельного сцепления, модуля упругости Н1, коэффициента уплотнения а в коэффициента фильтрации к определяют на основе статистической обрабеш результатов испытаний образцов грунта как средние арифметические значенш в серии испытаний. Для определения расчетных значений характеристик фунтов Е,а и к коэффициент надежности по грунту т=1, а для определения 4т= 1,05+1,25 и берется по нормам [191].
Расчет сооружений и оснований по методу предельных состояний выполняют с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействия которые устанавливают из анализа реальных условий работы сооружения на стадиях строительства, эксплуатации и ремонта.
Гидротехнические сооружения рассчитывают на действие основного и особого сочетания нагрузок и воздействий 188]. Основное сочетание включает постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия (см. гл. 2). Особое сочетание включает постоянные, временные длительные, кратковременные и одну (или одно) из особых нагрузок или воздействий, предполагая, что одновременно две особых нагрузки практически не могут совпасть во времени, например, землетрясение и шторм.
Сочетания нагрузок и воздействий учитывается в расчетах с помощью коэффициента сочетания нагрузок пс, который принимают равным 1,0 при расчетах по второму предельному состоянию и по первому предельному состоянию при основном сочетании нагрузок. Для особого сочетания нагрузок и воздействий при расчете по первому предельному состоянию 0,9, а при расчетах сооружения в период строительства и ремонта лс=0,95.
Учет приближенности расчетных схем и методов, типа сооружения, конструкции или основания, вида строительного материала, вида предельного состояния и других неучтенных факторов осуществляется с помощью коэффициента условий работы т, значения которого принимают для расчетов по первому предельному состоянию по табл. 5.2, а по второму предельному состоянию[188].
Коэффициент надежности по ответственности сооружения учитывает капитальность (класс) сооружения и значимость последствий при наступлении тех или иных предельных состояний. При расчетах предельных состояний первой группы 1,25 для сооружений I класса, для IV класса. При расчетах по второму предельному состоянию коэффициент надежности по ответственности принимают равным 1,0. При расчетах устойчивости естественных склонов принимают по классу рядом расположенного сооружения [188].
Гидротехнические сооружения проектируют таким образом, чтобы условие (5.1) недопущения наступления предельных состояний соблюдалось в период строительства и всего расчетного срока службы, который принимают равным для сооружений I и П классов 100 лет, а для сооружений 1П и IV классов 50 лет.
Другие методы расчета гидросооружений. Наряду с методом предельных состояний при проектировании гидротехнических сооружений, конструкций и их элементов применялись и еще применяются два метода: по допускаемому напряжению и по коэффициенту запаса [78].
Сначала (до 1943 г.) для расчета прочности применялся метод расчета по допускаемому напряжению, по которому условие прочности имеет вид
Этот метод удобен при проектировании однотипных конструктивных элементов, выполняемых по устоявшейся технологии, эксплуатируемых при стабильных условиях нагружения. Этот метод с некоторым дополнением применяется при проектировании затворов (см. гл. 20) и на предварительном этапе проектирования, например, арочных плотин (см. гл. 10).
Затем метод расчета по допускаемому напряжению сменился методом расчета по коэффициенту запаса (по разрушающим усилиям) применялся до 1955 г, Например, при расчете устойчивости на сдвиг условие устойчивости по этому методу имеет вид:
В настоящее время при техникоэкономическом сравнении несущей способности бетонных плотин, расчетах устойчивости грунтовых откосов и при модельных исследованиях используют обобщенный коэффициент запаса
