Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Определение порового давления консолидации

Поровым давлением консолидации называется гидродинамическое давление, которое возникает в порах водонасыщенных грунтов в процессе их уплотнения под действием собственного веса и внешней нагрузки.

Поровое давление получается наибольшим в случае полного насыщения пор водой; при наличии в порах кроме воды защемленного воздуха поровое давление оказывается ослабленным.

Таким образом, поровое давление в каменно-земляных плотинах может возникнуть при осуществлении ядра из сжимаемых водойасыщенных грунтов в период их возведения и последующей консолидации. Поровое давление представляет дополнительную сдвигающую силу, действующую на откос, так как по мере отсыпки грунта нагрузка на ранее уложенные слои «быстро» возрастает, а сопротивляемость грунта сдвигу не увеличивается. (Понятие «быстрого» или «мгновенного» приложения нагрузки относительное; по сравнению со сроком консолидации, иногда весьма продолжительным, время возведения насьига на несколько метров или десятков метров может считаться «быстрым» или даже «мгновенным»). Объясняется это следующим: нагрузка, «мгновенно» приложенная к сжимаемому, насыщенному водой грунту, в первый момент времени полностью передается на воду, заключенную в порах, и частицы грунта не получают дополнительного прижатия друг к другу; ввиду этого в первый момент приложения нагрузки плотность грунта не увеличивается, и получается «мгновенное» увеличение сдвигающей силы без возрастания сил сопротивления. В последующем происходит постепенное отжатие воды из пор и передача нагрузки на скелет грунта, в результате чего он уплотняется и повышается его сопротивляемость сдвигу.

Движение поровой воды — переменное во времени, следовательно, неустановившееся. Интенсивность указанного движения зависит от коэффициента фильтрации грунта и степени его водонасыщения, а также от условий отвода воды (дренажа) на контакте ядра с упорными призмами.

Поровое давление на устойчивость откосов влияет отрицательно, поэтому для плотин высотой более 40 м учет его в расчетах статической устойчивости откосов и осадок обязателен во всех тех случаях, когда грунт ядра плотины мелкопористый, водонасыщенный со степенью влажности 15:0,85.

Для плотин высотой до 40 м поровое давление может не учитываться, за исключением случаев возведения их ядра методом отсыпки грунта в воду или вовсе без уплотнения, а также возведения плотины на основании, сложенном глинистыми грунтами мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции (СНиП П-53-73).

Значение порового давления в грунте ядра плотины зависит от следующих его показателей: коэффициентов фильтрации, водонасыщения и плотности, компрессионных свойств, упругопластических и ползучих свойств, геометрических размеров ядра (или экрана), срока его возведения, а также скоростей подъема уровня воды в водохранилище.

Из всех перечисленных факторов решающее влияние имеют первые три. Так, при высоких коэффициентах фильтрации (порядка 10,4—10,3 см/с и более) поровое давление в процессе возведения возникает в незначительных размерах. При малых коэффициентах фильтрации (10,7—10,8 см/с и менее) и полном водонасыщении поровое давление к концу строительного периода достигает 100% напора. При средних значениях коэффициента фильтрации 10,5—10,6 см/с поровое давление развивается лишь частично.

В подтверждение изложенного ниже приводятся расчетные значения порового давления для плотины высотой 200 м с ядром, возводимым из грунтов с разными коэффициентами фильтрации.

Расчеты порового давления производятся на основе фильтрационной теории уплотнения земляной среды, а также смешанных задач теории фильтрационной консолидации и теории ползучести. Ползучесть скелета грунта — это способность его к нарастанию деформаций во времени под действием постоянной внешней нагрузки, т. е. склонность к реологическим явлениям.

Дифференциальные уравнения фильтрационной консолидации полностью водонасыщенных грунтов для одномерной задачи были даны Терцаги. Последующее развитие теория фильтрационной консолидации получила в трудах Н. М. Герсеванова и Д. Е. Польшина. В дальнейшем В. А. Флориным был разработан общий метод численного интегрирования дифференциальных уравнений консолидации грунтов как по чисто фильтрационной теории (при постоянных и переменных характеристиках грунтов), так и с учетом ползучести скелета грунта.

В связи с этим следует различить следующие три расчетные схемы (модели), по которым должны производиться расчеты порового давления в зависимости от фильтрационных свойств грунта и его водонасыщения:

схема 1, принимаемая при больших коэффициентах фильтрации, предусматривает двухфазную среду, т.е. отсутствие в порах грунта защемленного воздуха;

схема 2, принимаемая при малых коэффициентах фильтрации, предусматривает так называемую «закрытую систему»;

схема 3, принимаемая при средних значениях коэффициента фильтрации, учитывает трехфазную среду.

Решение расчетных уравнений чисто фильтрационной теории консолидации дано В. А. Флориным в конечных разностях как для плоской и одномерной, так и пространственной задачи, связная среда принята однородной и изотропной, расчетные характеристики осредненными и постоянными по всей высоте ядра.

Последнее предположение для плотин большой высоты может привести к преуменьшению порового давления, поскольку величины коэффициента фильтрации, коэффициента пористости и коэффициент уплотнения значительно изменяются по высоте.

При необходимости учета переменных расчетных характеристик, которая возникает при изменении указанного отношения более чем в 5 раз, можно воспользоваться имеющимися в литературе новыми решениями одномерной задачи.

В решениях, предложенных А. А. Ничипоровичем (ВОДГЕО), расчетные характеристики приняты постоянными лишь в пределах каждого расчетного горизонтального слоя, на которые разбито ядро плотины, а отток воды в процессе консолидации — только в горизонтальном направлении. В развитие этого метода Т. И. Цыбульник были даны предложения по определению порового давления с учетом подъема уровня воды в верхнем бьефе и взвешивания грунта.

Наряду с фильтрационной теорией консолидации, рассматривающей процесс уплотнения грунта лишь в связи с возникающим в нем неустановившимся движением поровой воды, получила развитие также так называемая смешанная теория консолидации, рассматривающая процесс уплотнения грунта не только в связи с движением поровой воды, но и с одновременным возникновением процесса ползучести грунтового скелета.

Решение указанной задачи в общем виде представляет большую сложность. Для инженерных расчетов можно пользоваться решениями частных случаев, данными А. Л. Гольдиным (ВНИИГ), а также Ю. К. Зарецким (МИСИ).

Сопоставление расчетов с материалами натурных наблюдений за поровым давлением в ядрах плотин Серр-Понсон, Гепач, Кастилетто и др., а также в опытной плотине высотой 6,3 м, представляющей модель Нурекской плотины, произведенное НИС Гидропроекта, показало, что поровое давление в глинистых ядрах изменяется примерно так, как это получается по фильтрационной теории консолидации. Ползучесть скелета на величину порового давления и деформаций влияет в основном в случае весьма быстрого возведения плотины («мгновенного»).

Кроме того, установлено, что коэффициент порового давления очень чувствителен к изменению плотности и влажности грунта; увеличение влажности на 1—3% резко увеличивает поровое давление. Исследованиями, проведенными в МИСИ, решен также ряд задач теории консолидации грунтов в основаниях сооружений при простых статических нагружениях. Получены расчетные зависимости, учитывающие влияние ползучести грунтов на процесс их консолидации под действием собственного веса, сосредоточенной и местной распределенной нагрузки.

Выбору методики расчета следует уделять большое внимание, так как в некоторых случаях недоучет ползучих свойств грунта, а также большая ширина ядра (нарушающая условие горизонтального оттока воды) могут значительно повлиять на результаты расчета порового давления.

Р.А. Айрапетян, Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин, М., Энергия, 1975

Экспертиза

на главную