Расчёт основания напорного гидротехнического сооружения

УДК 624.15:627
ББК 38.58:38.77
Ч-91

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А.Н. Анискин,  
профессор кафедры гидротехнических сооружений НИУ МГСУ; 
доктор технических наук А.Н. Власов,  
директор института прикладной механики РАН
   Чунюк, Д.Ю.
Ч-91		--   
Расчёт основания напорного гидротехнического сооружения [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / Д.Ю. Чунюк, Е.С. Гусева ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации; Национальный исследовательский Московский государственный 
строительный университет, кафедра механики грунтов и геотехники — Электрон. дан. и прогр. 
(3,7 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим доступа: 
http://lib.mgsu.ru/. — Загл. с титул. экрана.				
ISBN 978-5-7264-2154-4
В учебно-методическом пособии приведены теоретические сведения и изложена методика, необходимые для проектирования оснований напорных гидротехнических сооружений.
Для обучающихся бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 Строительство.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020

Редактор, корректор А.А. Космина
Компьютерная вёрстка О.Г. Горюновой
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 24.03.2020. Объем данных 3,7 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет»
129337, Москва, Ярославское ш., 26
Издательство МИСИ – МГСУ
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95,
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................................................................................................................5
Задание на курсовую работу.......................................................................................................................5
Состав курсовой работы и её оформление................................................................................................5
Пояснения по выполнению разделов курсовой работы...........................................................................7
1. Определение классификационных показателей грунтов основания 
и их расчётных сопротивлений Rо.
....................................................................................................................................................................................... 8
2. Сбор нагрузок, действующих на сооружение и его основание. 
вычисление эпюры контактных напряжений по подошве сооружения.
...............................................12
2.1. Сбор нагрузок, действующих на сооружение и его основание................................................12
2.2. Вычисление нагрузок.
...................................................................................................................13
2.3. Расчёт эпюры контактных напряжений......................................................................................27
2.4. Сравнение полученных значений контактных напряжений 
с характерными напряжениями кривой s = f(p): рнач.кр, R и Ru .
........................................................27
3. Расчёт основания по первой группе предельных состояний 
(по прочности основания и устойчивости сооружения)........................................................................29
3.1. Плоский сдвиг...............................................................................................................................29
3.2. Глубинный сдвиг...........................................................................................................................31
3.3. Смешанный сдвиг.........................................................................................................................36
4. Расчёт основания по второй группе предельных состояний 
(расчёт по деформациям)..........................................................................................................................37
4.1. Определение конечной стабилизированной осадки..................................................................37
4.1.1. Подготовка расчётной схемы для вычисления осадки.
.....................................................37
4.1.2. Формула для расчёта осадки...............................................................................................39
4.1 3. Определение модулей деформации Esi и Epi.......................................................................41
4.2. Расчёт горизонтального смещения сооружения.
........................................................................62
Вопросы для самопроверки................................................................................................................................... 50
Список рекомендуемой литературы.
........................................................................................................52
Приложение................................................................................................................................................53

ПРЕДИСЛОВИЕ
Курсовая работа состоит в оценке прочности и деформируемости грунтового основания, т.е. 
в определении устойчивости возводимого на нём гидротехнического сооружения, его осадки и горизонтального смещения.
Выполнение курсовой работы является важной самостоятельной работой студента в рамках изучения курсов «Механика грунтов» и «Основания и фундаменты».
Курсовая работа должна выполняться в постоянной увязке с усвоением теоретических положений указанных курсов. Только понимая теоретические основы расчётов, их роль и назначение в общей оценке работы основания гидротехнического сооружения, можно решать расчётные задачи курсовой работы. При выполнении курсовой работы совместно с прохождением теоретической части 
курсов отдельные её расчёты будут примерами практического приложения теории, помогающими 
лучше понять и усвоить принципиальные научные положения.
В методическом пособии даются пояснения к расчётам основания подпорного гидротехнического сооружения по двум предельным состояниям и примеры расчётов, приводятся ссылки на нормативные документы и другие литературные источники. Для выполнения курсовой работы студентам 
выдаются исходные данные о сооружении и основании. В приложении к пособию содержатся необходимые информационные и справочные данные. Ссылки на материалы задания и приложения (далее по тексту Задание и Приложение) в пособии выделены курсивом.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Задание содержит сведения об инженерно-геологических условиях основания и данные о сооружении, в том числе:
Геологический разрез с указанием мощности грунтовых слоёв, схематически заданный инженерно-геологической колонкой. Цифры у подошвы слоёв указывают порядковый номер этого слоя 
по таблице, где приводятся данные о физико-механических свойствах каждого грунтового слоя для 
всех вариантов разрезов (Задание, рис.1, табл. 1 и 2);
Схематические вертикальные разрезы по плотинам и зданиям ГЭС с данными о длине секции, 
её собственном весе, с эпюрой фильтрационного противодавления на подземный контур (Задание, 
Схемы 1…10).
Состав курсовой работы и её оформление
Выполнение курсовой работы предусматривает решение следующих задач:
I. Определение классификационных показателей грунтов основания и их расчётных сопротивлений Rо; 
II. Сбор нагрузок, действующих на сооружение и его основание. Изображение схемы действующих нагрузок, их вычисление и составление таблицы нагрузок. Вычисление эпюры контактных напряжений по подошве сооружения, сравнение ординат эпюры контактных напряжений снач., ркр, R и 
рu. Этот раздел включает: 
а) Построение эпюр давления воды:
–
– взвешивающего и фильтрационного противодавления (последняя приведена в Задании), действующего на сооружение снизу; 
–
– давления воды со стороны верхнего (над и под понуром) и нижнего бьефов.
б) Построение очертаний пригрузок водой и грунтом в пределах ширины сооружения:
–
– от воды в верхнем и нижнем бьефах;
–
– от грунта на верховой консольной части сооружения и от грунта между зубьями.
в) Построение эпюр интенсивности бокового давления грунта на сооружение (активного и пассивного) с учётом пригрузок на его поверхности в верхнем и нижнем бьефах.
г) Вычисление сил и их моментов относительно центральной вертикальной Z и горизонтальной Y осей, проходящих через точку О (середину ширины сооружения в контактной плоскости):
–
– от собственного веса сооружения, 
–
– от пригрузок на сооружение, создаваемых водой и грунтом в пределах его ширины; 
–
– от взвешивающего и фильтрационного противодавления воды;
–
– от давления воды с верховой и низовой сторон сооружения;
–
– от активного и пассивного давления грунта.
5

д) Составление таблицы действующих нагрузок с вычислением в ней суммарной вертикальной 
силы Р и суммарного момента М.
е) Расчёт эпюры контактных напряжений по формуле внецентренного сжатия. 
ж) Вычисление расчётного сопротивления R, начальной критической нагрузки Рнач.кр и предельной нагрузки Ru для верхнего слоя грунта инженерно-геологической колонки. Заключение о допустимости для грунта основания полученных значений контактных напряжений и их неравномерности, 
определяемых соотношениями σсредн. ≤ R, σmax ≤ 1,2R; σmax/σmin ≤ 3 для песчаного грунта; σmax σmin ≤ 1,5 
для глинистого грунта.
Предложения по внесению изменений в конструкцию сооружения, а в крайнем случае — и в 
уровни воды у верховой и низовой граней сооружения, если необходима коррекция эпюры контактных напряжений при невыполнении условий предыдущего пункта.
III. Расчёт основания по первому предельному состоянию (по прочности основания и устойчивости сооружения).
а) Условие первого предельного состояния — формула (3) из [4]1.
Цель расчёта по первому предельному состоянию; возможные схемы потери устойчивости сооружения: плоский, смешанный и глубинный сдвиги.
б) Плоский сдвиг
–
– Назначение расчётной плоскости сдвига;
–
– Вычисление расчётного значения предельного сопротивления при плоском сдвиге Rpl;
–
– Вычисление расчётного значения сдвигающей силы F;
–
– Проверка выполнения условия первого предельного состояния и заключение о её результатах. 
Предложения об изменении конструкции сооружения, если разница в численных значениях левой и 
правой частей указанного условия (3) будет превышать 10%.
в) Глубинный сдвиг
–
– Построение очертания областей предельного состояния (призм выпирания) для углов отклонения δi от вертикали предполагаемой предельной нагрузки Ru, равных 0; 0,1φI; 0,3φI; 0,5φI; 0,7φI; 0,9φI. 
Вычисление собственного веса грунта Р1, Р2, Р3 в зонах I, II, III призм выпирания.
–
– Вычисление численных значений предельной нагрузки Ru по формулам (3) и (7) Приложения 7 
из [4] при её отклонениях от вертикали на упомянутые углы δi. Как вариант — выполнение графического определения Ru при δ = 0,7φI.
–
– Разложение всех вычисленных по формуле (3) из [4] значений силы предельного сопротивления Ru на составляющие σ и τlim и построение графика предельной несущей способности основания 
τlim = f(σ).
–
– Оценка выполнения условия расчёта по первому предельному состоянию при глубинном сдвиге с использованием графика предельной несущей способности. Заключение о результатах оценки. 
IV. Расчёт по второму предельному состоянию (расчёт основания по деформациям).
а) Условие второго предельного состояния — формула (32) из [4] и её расшифровка. Цель расчёта по второму предельному состоянию.
б) Расчёт осадки сооружения методом послойного суммирования:
–
– построение эпюр природных и дополнительных вертикальных сжимающих напряжений и подготовка расчётной схемы для вычисления осадки. Определение мощности сжимаемой толщи Hc;
–
– определение модулей деформации грунтов инженерно-геологической колонки по результатам 
их компрессионных испытаний;
–
– корректировка компрессионных модулей деформации в соответствии с Приложением В [4];
–
– расчёт осадки и заключение о её допустимости.
в) Расчёт горизонтального смещения сооружения:
–
– формула (Н.1) [4, Приложение Н] и её расшифровка;
–
– определение глубины смещаемой толщи Hdis и модулей деформации смещаемых слоёв Edis в 
пределах Hdis;
–
– расчёт горизонтального смещения и заключение о его допустимости.
Курсовая работа представляется к защите в виде расчётно-пояснительной записки объёмом 25-30 
страниц формата А4 с необходимыми чертежами и рисунками.
1 В квадратных скобках указан номер ссылки на список рекомендованной литературы, приведённый в конце методического пособия.
6

В начале пояснительной записки помещается оглавление, а в конце — перечень использованной 
литературы.
Текст расчётно-пояснительной записки должен быть набран на компьютере или написан ручкой 
чётким почерком на одной стороне стандартного листа с указанием нумерации страниц. Слева следует оставить поля 3 см для брошюровки, а справа — поля 1,5 см для замечаний при проверке. Входящие в расчёт численные значения характеристик грунтов, сил, напряжений, перемещений приводятся с обязательным указанием их размерности. 
В тексте обязательно давать ссылки на содержащиеся в нём рисунки и графики, с тем чтобы 
текст и иллюстрации читались вместе и представляли собой единое целое. Таблицы, графики, рисунки и расчётные схемы, приведённые в записке, должны быть выполнены в программе АutoCAD 
или аккуратно и чётко вычерчены. 
Рисунки и графики должны быть снабжены подрисуночными подписями и в необходимых случаях иметь указание на масштаб.
На титульном листе записки указывается: университет, факультет, кафедра, наименование работы, курс, группа, фамилия и инициалы студента, шифр задания и дата сдачи работы на проверку. 
Пример оформления титульного листа см. Приложение.
Пояснения по выполнению разделов курсовой работы
Прежде чем приступить к выполнению курсовой работы, необходимо ознакомиться с материалами Задания, составом работы и ясно себе представить цель и объём работы.