Влияние траектории разгрузки грунта на напряженно-деформированное состояние каменно-набросной плотины

Введение. Деформирование грунтов имеет нелинейный, упругопластический характер. Поэтому моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) высоких грунтовых плотин обязательно выполняют с применением нелинейных моделей механики грунтов (Мора – Кулона, упрочняющегося грунта и др.). Одним из важнейших проявлений нелинейности деформирования грунтов является различие характера деформаций для двух траекторий нагружения: при разгрузке обычно возникают только упругие деформации, а при активном нагружении — упругопластические. По мере нагружения область упругого деформирования увеличивается, этот эффект принято называть упрочнением. Однако не во всех нелинейных моделях, в частности в модели Мора – Кулона, учитывается этот эффект. Выполнены исследования по оценке степени влияния эффекта упрочнения на результаты численного моделирования НДС грунтовой плотины.

Материалы и методы. Расчеты проводились с помощью программного комплекса PLAXIS на примере однородной каменно-набросной плотины высотой 100 м. Использовалась линейная модель идеальной пластичности с условием прочности Кулона – Мора. Для выявления влияния эффекта сравнивались результаты расчета НДС для двух вариантов — с учетом наличия траектории разгрузки и без ее учета. Учет наличия области упругого деформирования осуществлялся с помощью поверхности пластичности.

Результаты. Исследование показало, что учет эффекта упрочнения кардинально изменяет результаты численного моделирования НДС грунтовой плотины. В процессе восприятия гидростатического давления часть грунта плотины испытывает не активное нагружение, а разгрузку. Учет этого эффекта упрочнения привел к уменьшению горизонтальных смещений плотины от гидростатического давления примерно в 2 раза. Кроме того, при учете эффекта упрочнения значительно повышается прогнозная оценка устойчивости плотины с диафрагмой — существенно снижается риск потери сдвиговой прочности и образования массива обрушения в ее верховой упорной призме.

Выводы. Применение для расчетов НДС грунтовых плотин моделей, не учитывающих эффект упрочнения грунта, например модели Мора – Кулона, недопустимо. Оно не только снижает запас несущей способности плотины, но сильно искажает результаты численного моделирования.

1. 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. Pp. 749–771. DOI: 10.1680/jgeot.17.p.095

2. Park H.G., Kim Y.-S., Seo M.-W., Lim H.-D. Settlement Behavior Characteristics of CFRD in Construction Period. Case of Daegok Dam // Journal of the Korean Geotechnical Society. 2005. Vol. 21. Issue 7. Pp. 91–105.

3. 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 (125). С. 207–224. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.2.207-224. EDN YXZHQD.

4. Орехов В.В. Устойчивость грунтовой плотины с вертикальной диафрагмой // Вестник МГСУ. 2016. № 1. С. 143–149. EDN VJIGEB.

5. Беллендир Е.Н., Рубин О.Д., Юрьев С.В., Лисичкин С.Е., Баклыков И.В. Анализ результатов натурных и расчетных исследований прочности и устойчивости каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС с прогнозированием ее состояния // Природообустройство. 2024. № 2. С. 48–56. DOI: 10.26897/1997-6011-2024-2-48-56. EDN ZEAJWK.

6. Кургузов К.В., Фоменко И.К. Основополагающие математические модели грунтов в практике геотехнического моделирования : обзор // Естественные и технические науки. 2019. № 5 (131). С. 240–247. DOI: 10.25633/ETN.2019.05.04. EDN KGJTQF.

7. Gao Ju., 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. P. 8665. DOI: 10.1038/s41598-024-59222-0. EDN MPULSO.

8. Chen H., Liu D. Numerical simulations of multiple cracks in concrete face rockfill dams coupled multi-factor during construction // Case Studies in Construction Materials. 2025. Vol. 22. P. e04609. DOI: 10.1016/j.cscm.2025.e04609. EDN EZGBDK.

9. Liu S., He W., Sun Yi., Shen Ch., Wang L. Analysis of the behavior of a high earth-core rockfill dam considering particle breakage // Computers and Geotechnics. 2023. Vol. 157. P. 105320. DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105320. EDN AKTNOQ.

10. 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.

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

12. Liu S., Sun Y., Shen C., Yin Z. Practical nonlinear constitutive model for rockfill materials with application to rockfill dam // Computers and Geotechnics. 2020. Vol. 119. P. 103383. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.103383

13. Vahdati P., Levasseur S., Mattsson H., Knuts-son S. Inverse Hardening Soil Parameter Identification of an Earth and Rockfill Dam by Genetic Algorithm Optimization // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2014. Vol. 19. Pp. 3327–3349.

14. Xu M., Song E., Chen J. A large triaxial investigation of the stress-path-dependent behavior of compacted rockfill // Acta Geotechnica. 2012. Vol. 7. Pp.167–175. DOI: 10.1007/s11440-012-0160-0. EDN DWAMYP.

15. Bhutto A.H., Zardari S., Zardari M.A., Bhurgri G.S., Memon B.A., Bhanbhro R. et al. Mohr-Coulomb and Hardening Soil Model Comparison of the Settlement of an Embankment Dam // Engineering, Technology & Applied Science Research. 2019. Vol. 9. Issue 5. Pp. 4654–4658. DOI: 10.48084/etasr.3034

16. Котов Ф.В., Саинов М.П. Параметры нелинейных моделей грунта для расчета напряженно-деформированного состояния каменно-набросной плотины // Строительство: наука и образование. 2024. Т. 14. № 3. С. 28–56. DOI: 10.22227/2305-5502.2024.3.28-56. EDN WARIUO.

17. Samadi-Boroujeni H., Haghshenas-Adarma-nabadi A., Shayannejad M., Khabbaz H. Comparison of Mohr-Coulomb and hardening soil constitutive models for simulation of settlements in the Karkheh earth dam // Australian Geomechanics Journal. 2023. Vol. 58. Issue 3. Pp. 143–158. DOI: 10.56295/AGJ5836. EDN CZDECJ.

18. Dong W., Hu L., Yu Y.Z., Lv H. Comparison between Duncan and Chang’s EB Model and the Generalized Plasticity Model in the Analysis of a High Earth-Rockfill Dam // Journal of Applied Mathematics. 2013. Vol. 2013. Pp. 1–12. DOI: 10.1155/2013/709430

19. 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.

20. Sukkarak R., Pramthawee P., Jongpradist P. A modified elasto-plastic model with double yield surfaces and considering particle breakage for the settlement analysis of high rockfill dams // KSCE Journal of Civil Engineering. 2017. Vol. 21. Issue 3. Pp. 734–745. DOI: 10.1007/s12205-016-0867-9. EDN KOOEXH.

21. Jongpradist P. Deformation analysis of high CFRD considering the scaling effects // Geomechanics and Engineering. 2018. Vol. 14. Issue 3. Pp. 211–224. DOI: 10.12989/gae.2018.14.3.211

22. Marsal R.J. Large Scale Testing of Rockfill Materials // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1967. Vol. 93. Issue 2. Pp. 27–43. DOI: 10.1061/JSFEAQ.0000958

23. 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