5. Дамба в условиях отсутствия дренажа (урок 3)

Речные дамбы могут быть подвержены воздействию переменного уровня воды. На устойчивость дамбы оказывает влияние изменение уровня воды и результирующее изменение в распределении порового давления. С помощью Plaxis можно проанализировать воздействие изменений порового давления на деформацию и устойчивость геотехнических конструкций. Эта функция программы используется здесь для изучения поведения дамбы при подъеме уровня воды, как показано на рис. 5.1. Особенность этой ситуации состоит в возможном выпоре низинного участка территории, находящегося за дамбой. Это обусловлено тем, что слои легкого мягкого грунта не могут выдержать высокого порового давления, возникающего в залегающем под этим грунтом слое проницаемого песка. В результате этого эффекта устойчивость дамбы может быть ослаблена.

На рис. 5 показана дамба высотой 5 м из относительно водонепроницаемой глины. Верхние 6 м дамбы представлены слоями мягкого грунта, из которых верхний 3-х метровый слой смоделирован, как глинистый, а нижний 3-х метровый слой – как торфяной слой. Слои мягкого грунта являются почти водонепроницаемыми, поэтому кратковременные изменения уровня воды почти не повлияют на распределение порового давления в этих слоях. Под слоями мягких грунтов проходит мощный слой проницаемого песка, 4 верхних метра которого учитываются в модели конечных элементов. Предположим, что вода в песчаном слое находится в контакте с рекой, это означает, что гидростатический напор в песчаном слое зависит в значительной степени от колебаний уровня воды в реке.

1 – конечный уровень, 2 – начальный уровень, 3 – глина, 4 – торф, 5 – песок, 6 – начальное поровое давление, 7 – избыточное поровое давление в песчаном слое.

Рис. 5.1 Геометрическая модель дамбы, подвергающейся воздействию переменного уровня воды

5.1. Геометрическая модель

Геометрическая модель на рис. 5 представлена в виде плоских деформаций. Сетка конечных элементов построена на основе 6-узловых элементов. В этом примере длина указана в метрах, сила – в килоньютонах и время – в сутках. Геометрическая модель имеет следующие размеры: 65 м - по горизонтали и 15 м - по вертикали. Целиком вся модель может быть построена с помощью команды Geometry line. Команда Standard fixities применяется для определения граничных у словий. Предложенная геометрическая модель представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Геометрическая модель дамбы

Наборы данных по материалам

Грунт представлен тремя слоями с разными свойствами материалов. Характеристики этих грунтов представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Характеристики грунтов дамбы и подслоя.

Параметр	Обозначение	Глина	Торф	Песок	Ед. изм.
Модель грунта	Model	MC	MC	MC	-
Тип поведения грунта	Type	Недрен.	Недрен.	Дрен.	-
Сухой вес грунта		16	8	17	кН/м3
Мокрый вес грунта		18	11,5	20	кН/м3
Горизонтальная проницаемость грунта		0,001	0,01	1,0	м/сут
Вертикальная проницаемость грунта		0,001	0,001	1,0	м/сут
Модуль Юнга	Eref	2000	500	20000	кН/м2
Коэффициент Пуассона		0,35	0,35	0,3	-
Связность грунта	cref	20,	5,0	1,0	кН/м2
Угол трения		24	20	30	
Угол набухания		0,0	0,0	0,0	

Откройте базу данных по материалам и создайте три набора данных под названиями 'Clay' (Глина), 'Peat' (Торф) и 'Sand' (Песок) с параметрами модели, перечисленными выше. В этом примере характеристики поверхности раздела не играют существенной роли. Обратите внимание на то, что Material type (Тип материалов) для глиняного и торфяного слоев является Undrained (Недренир.), в то время как для песчаного слоя – Drained. Перетащите наборы данных по материалам на соответствующие слои геометрической модели (См. рис. 5.1).

Построение сетки

М оделирование ситуации выпора грунта, рассматриваемой в данном примере, зависит от степени измельчения сетки. Поэтому в поле Global coarseness меню Mesh устанавливается крупность Medium (Средняя). Кроме того, наибольшие градиенты смещений можно ожидать у подошвы дамбы с правой стороны. Для более точного моделирования этой части геометрической модели, выберите геометрическую точку подошвы дамбы, а в меню Mesh - Refine around point. В результате, размер элемента вокруг подошвы дамбы изменится до половины среднего размера элемента. На рис. 5.3. представлена построенная сетка.

Рис. 5.3 Сетка конечных элементов модели дамбы

Начальные условия

Поверхность грунта геометрической модели является негоризонтальной. Поэтому для расчета поля начальных напряжений нельзя применять метод K₀-procedure. Вместо него начальные напряжения могут быть рассчитаны с помощью метода 'Gravity loading'. Пояснения к этой опции даны в разделе 5.2. Давление воды всегда активируется вместе с весом грунта, но генерация давления воды может быть выполнена заранее. Для генерирования соответствующего начального давления воды выполните следующее:

• Щелкните по кнопке <Initial conditions>.

• Примите указанный по умолчанию удельный вес воды (10 kN/m³).

• Для построения общего уровня подземных вод введите точки с координатами (0.0; 10.0) и (65.0; 10.0).

• Сгенерируйте поровое давление, начиная от уровня подземных вод, щелкнув сначала по кнопке Generate water pressure, а затем по кнопке <OK>.

• В окне Output window проверьте распределение порового давления и щелкните по кнопке <Update>.

• Вернитесь к окну Input и щелкните по кнопке <Calculate>. Не применяйте метод K₀-procedure для построения начальных напряжений.

• Сохраните введенные данные под соответствующем именем.