Параметры нелинейных моделей грунта для расчета напряженно-деформированного состояния каменно-набросной плотины

Введение. Расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых плотин I и II классов ответственности требуется выполнять с использованием нелинейных моделей грунта. К числу таких моделей относятся модель упрочняющегося грунта (модель HS) и модель Кулона – Мора (модель MC). Актуальной задачей является определение параметров этих моделей для крупнообломочных грунтов: щебенистого и гравийно-галечникового.

Материалы и методы. Параметры модели HS для крупнообломочных грунтов определялись путем обработки результатов трехосных испытаний, которые представлены в зарубежных публикациях. Параметры модели MC устанавливались из условия приближенного соответствия НДС высокой плотины (высотой 100 м), получаемого с использованием двух моделей. Напряженно-деформированное состояние плотины выявлялось с помощью численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 2D.

Результаты. Подобраны параметры модели HS, которые позволяют удовлетворительно описать деформирование грунта при девиаторном нагружении, заметные отклонения проявляются только в величинах объемных деформаций. Сравнение показало, что щебенистый грунт, результаты испытаний которого использованы для определения параметров моделей, соответствует хорошо уплотненному грунту современных каменно-набросных плотин. При выборе параметров модели MC, эквивалентных модели HS, выполнялся контроль результатов численного моделирования каменно-набросной плотины как по деформациям, так и по напряженному состоянию. При формировании НДС плотины отчетливо проявляется эффект «упрочнения» грунта — на этапе восприятия гидростатического давления деформируемость грунта резко снижается по сравнению с этапом нагрузок от собственного веса. Поэтому параметры модели MC целесообразно подбирать отдельно для двух этапов нагружения плотины.

Выводы. Модель HS в целом дает возможность отразить нелинейные деформирования крупнообломочных грунтов, однако она не учитывает криволинейный характер предельной поверхности и не может одновременно отразить явления контракции и дилатансии. Использование модели MC не позволяет адекватно воспроизвести НДС каменно-набросной плотины, подобранные параметры модели MC могут быть использованы лишь для приближенных расчетов.

1. Andjelkovic V., Pavlovic N., Lazarevic Z., Radovanovic S. Modelling of shear strength of rockfills used for the construction of rockfill dams // Soils and Foundations. 2018. Vol. 58. Issue 4. Pp. 881–893. DOI: 10.1016/j.sandf.2018.04.002

2. Marsal R.J. Large scale testing of rockfill materials // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1967. Vol. 93. Issue 2. Рр. 27–43. DOI: 10.1061/jsfeaq.0000958

3. Araei A.A., Soroush A., Tabatabaei S.H., Ghalandarzadeh A. Consolidated undrained behavior of gravelly materials // Scientia Iranica. 2012. Vol. 19. Issue 6. Рр. 1391–1410. DOI: 10.1016/j.scient.2012.09.011

4. Ghanbari A., Hamidi A., Abdolahzadeh N. A study of the rockfill material behavior in large-scale tests // Civil Engineering Infrastructures Journal. 2013. Vol. 46. Issue 2. Рр. 125–143. DOI: 10.7508/ceij.2013.02.002

5. Honkanadavar N.P., Sharma K.G. Testing and modeling the behavior of riverbed and blasted quarried rockfill materials // International Journal of Geomechanics. 2014. Vol. 14. Issue 6. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000378

6. Xiao Y., Liu H., Chen Y., Jiang J. Strength and deformation of rockfill material based on large-scale triaxial compression tests. I: Influences of density and pressure // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2014. Vol. 140. Issue 12. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001176

7. Jia Y., Xu B., Chi S., Xiang B., Zhou Y. Research on the particle breakage of rockfill materials during triaxial tests // International Journal of Geomechanics. 2017. Vol. 17. Issue 10. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000977

8. Pan J., Jiang J., Cheng Z., Xu H., Zuo Y. Large-scale true triaxial test on stress-strain and strength properties of rockfill // International Journal of Geomechanics. 2020. Vol. 20. Issue 1. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001527

9. Саинов М.П. Деформируемость горной массы в теле каменно-набросных плотин // Строительство: наука и образование. 2019. Т. 9. № 3 (33). С. 5. DOI: 10.22227/2305-5502.2019.3.5. EDN GBNXDO.

10. Pramthawee P., Jongpradist P., Kongkitkul W. Evaluation of hardening soil model on numerical simulation of behaviors of high rockfill dams // Songklanakarin Journal of Science and Technology. 2011. Vol. 33. Issue 3. Рр. 325–334.

11. Yao F.H., Guan S.H., Yang H., Chen Y., Qiu H.F., Ma G. et al. Long-term deformation analysis of Shuibuya concrete face rockfill dam based on response surface method and improved genetic algorithm // Water Science and Engineering. 2019. Vol. 12. Issue 3. Рр. 196–204. DOI: 10.1016/j.wse.2019.09.004

12. Qu P., Chai J., Xu Z. Three-dimensional static and dynamic analyses of an embedded concrete-face rockfill dam // Water. 2023. Vol. 15. Issue 23. P. 4189. DOI: 10.3390/w15234189

13. Gao J., Han X., Han W., Dang F., Ren J., Xue H. et al. Research on the slip deformation characteristics and improvement measures of concrete-faced rockfill dams on dam foundations with large dip angles // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Issue 1. DOI: 10.1038/s41598-024-59222-0

14. Özkuzukiran S., Özkan M.Y., Özyazicioglu W.M., Yildiz G.S. Settlement behaviour of a concrete faced rock-fill dam // Geotechnical & Geological Engineering. 2006. Vol. 24. Issue 6. Рр. 1665–1678. DOI: 10.1007/s10706-005-5180-1

15. Gao Y., Liu H., Won M.S. Behavior of rockfill dam under complex terrain condition // Arabian Journal of Geosciences. 2020. Vol. 13. Issue 19. DOI: 10.1007/s12517-020-06040-z

16. Sukkarak R., Likitlersuang S., Jongpradist P., Jamsawang P. Strength and stiffness parameters for hardening soil model of rockfill materials // Soils and Foundations. 2021. Vol. 61. Issue 6. Рр. 1597–1614. DOI: 10.1016/j.sandf.2021.09.007

17. Andrian F., Ulrich N., Monkachi M. Numerical analysis of the 210 m-High Nam Ngum 3 CFRD // Lecture Notes in Civil Engineering. 2020. Рр. 749–762. DOI: 10.1007/978-3-030-51085-5_41

18. Sukkarak R., Jongpradist P., Pramthawee P. A modified valley shape factor for the estimation of rockfill dam settlement // Computers and Geotechnics. 2019. Vol. 108. Рр. 244–256. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.01.001

19. Сорока В.Б., Саинов М.П., Королев Д.В. Каменно-набросные плотины с железобетонным экраном: опыт исследований напряженно-деформированного состояния // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 2. С. 207–224. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.2.207-224

20. Wen L., Chai J., Xu Z., Qin Y., Li Y. A statistical review of the behaviour of concrete-face rockfill dams based on case histories // Géotechnique. 2018. Vol. 68. Issue 9. Рр. 749–771. DOI: 10.1680/jgeot.17.p.095

21. Саинов М.П., Котов Ф.В. Параметры модели упрочняющегося грунта для моделирования высоких грунтовых плотин // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2024. Т. 10. № 2. С. 56–67. EDN FJGMOI.