Development of a method for calculating the stress state in horizontal sections of hydraulic engineering angular-type retaining walls

Cover Page

Abstract


Angular retaining walls are widespread in hydraulic engineering. They are characterized by large dimensions, small percentages of reinforcement, block cutting along the height of the structure. The bulk of the existing retaining walls were built in the 1960s-1980s. The regulatory documents that were in force during this period had certain shortcomings that caused the non-design behavior of a number of retaining walls. Improvement of calculation methods for reinforced concrete structures of retaining walls is required, within the framework of which a more complete account of the characteristic features of their behavior is needed. The aim of the work is to improve methods for calculating reinforced concrete retaining walls of a corner type. Methods of research carried out to improve the calculation of reinforced concrete retaining walls of the corner type included, among others, the classical methods of resistance of materials, the theory of elasticity, and structural mechanics. To determine the actual stress-strain state of the natural structures of retaining walls, visual and instrumental methods for examining retaining walls were used, including the method of unloading reinforcement. Results. To determine the stress state in the elements of the reinforced concrete structure of the retaining wall (in concrete and in reinforcement), a methodology was developed for calculating the stress state of retaining walls, which allows to determine the components of the stress state (stress in concrete in the compressed zone, as well as stress in stretched and compressed reinforcement) in horizontal sections of the vertical cantilever part of the retaining walls.


Full Text

Введение 1 Подпорные стены являются неотъемлемыми составляющими гидроузлов. Они предназначены для удерживания от обрушения и сползания находящихся за ними массивов грунта. Наиболее распространены подпорные стены уголкового типа [1-6]. Подпорные стены имеют горизонтальную фундаментную плиту с лицевой и более протяженной тыловой консолями; вертикальную консольную часть. К конструктивным особенностям подпорных стен следует отнести значительные размеры (такие как высота вертикальной консоли стены, вылеты лицевой и тыловой консолей фундаментной плиты, размеры в корневом сечении и толщина фундаментной плиты, достигающие нескольких метров); бетон невысокой марки (М100-М250); арматуру большого диаметра (до 60 мм) классов А-II, А-III; невысокое содержание арматуры (как правило, менее одного процента); обязательное наличие горизонтальных межблочных швов, разделяющих горизонтальные блоки бетонирования при поэтапном возведении и др. Со стороны тыловой грани, как правило, имеющей наклон, подпорные стены засыпаются грунтом, создающим основные нагрузки на конструкцию. Ввиду вышесказанного вертикальные консольные части подпорных стен работают в условиях внецентренного сжатия. Вертикальная нагрузка создается собственным весом железобетона конструкции, весом грунта засыпки и грунтовых вод. Горизонтальная нагрузка создается боковым давлением грунта засыпки и грунтовых вод в засыпке. Следует отметить, что большинство подпорных стен проектировалось и строилось до 2000-х годов (в основном в 1960-1970-х годах). В указанный период времени не учитывались некоторые характерные особенности работы подпорных стен, которые обусловлены их конструктивными особенностями (в первую очередь наличием горизонтальных межблочных швов). Нормативные документы, которые действовали в период проектирования и строительства большинства подпорных стен [17-19], не учитывали всех особенностей их работы, вследствие чего при эксплуатации многих подпорных стен возникли отклонения от проектных предпосылок. 1. Обсуждение Указанные выше отклонения от проектного поведения выражались в основном в смещениях верха консолей, ширине раскрытия горизонтальных межблочных швов, высоких сжимающих и растягивающих напряжениях в вертикальной арматуре у лицевой и тыловой граней, которые превышали проектные значения. В отдельных случаях происходило разрушение подпорных стен [7-10], в том числе левых стен первого яруса водоприемника строящейся Загорской ГАЭС [7-9]. Как уже было отмечено, основной причиной непроектного поведения подпорных стен явился неполный учет наличия межблочных горизонтальных строительных швов, характера трещинообразования, а также недостаточное поперечное горизонтальное армирование [11; 12; 20; 21]. Особый характер трещинообразования, выражающийся в образовании наклонных трещин, выходящих из раскрывшихся горизонтальных межблочных швов, представлен на рис. 1. Рис. 1. Фактическая схема трещинообразования в зоне горизонтального межблочного шва: 1 - горизонтальный межблочный шов; 2 - раскрытие шва; 3 - наклонная трещина; 4 - рабочая арматура; 5 - деформация арматуры в раскрытом шве [Figure 1. The actual scheme of cracking in the zone of horizontal interlock seam: 1 - horizontal interlock seam; 2 - opening of the seam; 3 - inclined crack; 4 - working reinforcement; 5 - deformation of the reinforcement in the open seam] Следует отметить, что большинство проведенных ранее работ посвящено исследованиям нагрузок от давления грунта на подпорные стены, а также устойчивости подпорных стен [3], в то время как один из важнейших вопросов заключается в определении прочности конструкций стен как при проектировании [6], так и при определении фактического состояния конструкций после длительной эксплуатации. Требуется совершенствование методик расчета прочности (включая назначение армирования) и положений нормативных документов при более полном учете особенностей массивных железобетонных конструкций ГТС (в первую очередь межблочных строительных швов). 2. Материалы и методы исследований С целью определения фактического состояния конструкций подпорных стен проводились визуальные и инструментальные обследования подпорных стен, в том числе определение фактических напряжений в стержневой арматуре методом разгрузки арматуры [16]. Визуальные обследования проводились с применением микроскопа отсчетного МПБ-3, лазерного дальномера, рулеток, штангенциркуля и пр. В рамках инструментальных обследований проводилось определение прочности бетона подпорных стен неразрушающими метода- Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Пащенко Ф.А. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 5. С. 339-344 ми: ультразвуковым методом (с применением ультразвукового прибора Пульсар-2.2) и методом упругого отскока (с применением молотка Шмидта). Определение фактических напряжений в арматурных стержнях подпорных стен проводилось методом разгрузки арматуры. Аналитические исследования напряженного состояния железобетонных конструкций подпорных стен проводились с применением методов строительной механики, сопротивления материалов, теории железобетона. 3. Результаты обследований подпорных стен и разработка методики их расчета В ходе обследований лицевой поверхности ряда подпорных стен гидротехнических сооружений были выявлены горизонтальные трещины, которые являлись следами выхода на лицевую поверхность наклонных трещин, выклинивающихся из горизонтальных межблочных швов. В ходе инструментальных обследований методом разгрузки арматуры в вертикальной арматуре у лицевой грани ряда подпорных стен были выявлены значительные сжимающие напряжения, превышающие проектные значения. Для определения напряженного состояния в элементах железобетонной конструкции подпорной стены (в бетоне и арматуре) была разработана методика расчета напряженного состояния подпорных стен. При этом рассматривалось горизонтальное сечение в вертикальной консоли стены. Определялись внешние усилия, действующие в расчетном сечении: N - вертикальная сжимающая сила и M - изгибающий момент. В сечении действуют внутренние усилия: усилие в бетоне сжатой зоны - Nb; в сжатой арматуре - N's; в растянутой арматуре - Ns. Условие равновесия при действии сил: ′ . (1) Условие равновесия при действии изгибающих моментов (относительно равнодействующей вертикальных сжимающих напряжений в бетоне сжатой зоны): 0,5ℎ 0,33 ℎ 0,33 ′ 0,33 ′ (2) Схема действия нагрузок в горизонтальном сечении представлена на рис. 2. Принималась треугольная эпюра продольных сжимающих напряжений в бетоне, как для массивных бетонных конструкций, работающих в стадии эксплуатации, не достигающей предельного состояния, что соответствует положениям СНиП 52-01-2003. При разработке указанной методики была применена гипотеза плоских сечений, на основе которой установлены зависимости между относительными деформациями в бетоне сжатой зоны εb, в растянутой (εs) и сжатой (ε's) арматуре. Напряжения в бетоне сжатой зоны σb, в растянутой σs и сжатой σ's арматуре определялись путем умножения величин относительных деформаций (εb, εs, ε's) на соответствующие значения модуля деформаций бетона и арматуры (Eb и Es). σ ε ∙ ; σ ε ∙ ; σ′ ε′ ∙ . (3) Эпюры деформаций и напряжений в арматуре и бетоне расчетного горизонтального сечения представлены на рис. 3. Распределение вертикальных сжимающих напряжений σb в бетоне сжатой зоны конструкции подпорной стены принималось по линейному (треугольному) закону (рис. 2). Рис. 2. Схема действия нагрузок в горизонтальном сечении [Figure 2. Diagram of the action of loads in a horizontal section] Рис. 3. Эпюры деформаций (а) и напряжений (б) в нормальном горизонтальном сечении [Figure 3. Diagrams of deformations (a) and stresses (б) in a normal horizontal section] Предполагаются дальнейшие исследования в направлении совершенствования методов расчета железобетонных подпорных стен уголкового типа, в том числе с учетом сопротивления горизонтальных межблочных швов [13-15], влияния наклона тыловой грани [16], нагельного сопротивления арматурных стержней сдвигу. После проведения соответствующих преобразований и решения системы двух уравнений имеем: Напряжения в растянутой арматуре σst находим по формуле σ , где 0,5 ′ ′ ℎ . (6) Напряжения в растянутой арматуре σ без учета сжатой арматуры находим по формуле σ , (7) где - высота сжатой зоны бетона. Заключение Выполнен анализ конструктивных особенностей подпорных стен гидротехнических сооружений (которые определяют характер их работы), в том числе вызывающих отклонения от проектных предпосылок при эксплуатации. Установлено, что нормативные документы, действовавшие в период проектирования большинства подпорных стен гидротехнических сооружений, не в полной мере учитывали характерные особенности таких сооружений (в первую очередь наличие межблочных контактных швов), что приводило к отклонениям от проектных предпосылок. В результате проведенных исследований была разработана методика, позволяющая определять компоненты напряженного состояния (напряжения в бетоне сжатой зоны, а также напряжения в растянутой и сжатой арматуре) в горизонтальных сечениях вертикальной консольной части подпорных стен.

About the authors

Oleg D. Rubin

Scientific Research Institute of Energy Structures

Author for correspondence.
Email: cskte@mail.ru
7A Stroitel'nyy proyezd, Moscow, 125362, Russian Federation

Doctor of Technical Sciences, Director of a branch of JSC “Institute Hydroproject” - NIIES.

Sergey E. Lisichkin

Engineering Center of Structures, Constructions and Technologies in Power Engineering

Email: cskte@mail.ru
Ltd, 35 Svobody St., bldg. 36, Moscow, 125364, Russian Federation

Doctor of Technical Sciences, Deputy General Director

Fedor A. Pashenko

JSC “LenAeroProect”

Email: cskte@mail.ru
122 Obvodnogo kanala embankment, litera B, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation

General Director

References

  1. Malakhanov V.V., Tolstikov V.V., Orekhov V.G., Sainov M.P., Aniskin N.A., Soldatov P.V. (2016). Gidrotekhnicheskie sooruzheniya (rechnye). Ch. 2 [Hydrotechnical structures (river) Part 2]. Moscow: LitRes Publ. (In Russ.)
  2. Volosuhin V.A., Dyba V.P., Evtushenko S.I. (2008). Raschet i proektirovanie podpornyh sten gidrotekhnicheskih sooruzhenij [Calculation and design of retaining walls of hydraulic structures]. Moscow: ASV Publ. (In Russ.) http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785930935455.html
  3. Snegireva A.I., Murashkin V.G. (2007). Proektirovanie zhelezobetonnyh i kamennyh podpornyh sten: uchebnoe posobie [Design of reinforced concrete and stone retaining walls: Study guide]. Samara: University of Architecture and Civil Engineering. (In Russ.)
  4. Volosuhin V.A., Voropaev V.I., Yaickij L.V. (2000). Raschet podpornyh sten gidrotekhnicheskih sooruzhenij: uchebnoe posobie [Calculation of the retaining walls of hydraulic structures: Study guide]. Novocherkassk. (In Russ.)
  5. Semenyuk S.D., Kotov Yu.N. (2018). Reinforced concrete retaining walls. Bulletin of the BelarusianRussian University, 4(61), 86–101.
  6. Vasil'ev P.I., Kononov Yu.I., Chirkov Ya.N. (1982). Raschet podpornyh sten gidrotekhnicheskih sooruzhenij: uchebnoe posobie [Reinforced concrete structures of hydraulic structures: Study guide]. Kiev: Vishcha shkola Publ. (In Russ.)
  7. Rubin O.D., Lisichkin S.E., Nefedov A.V., Chernenko V.N., Ponomarev D.I., Mukashov R.Z., Lisichkin A.S. (2013). Raschetnye issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya podpornoj stenki pervogo yarusa LV-1 vodopriemnika Zagorskoj GAES, v tom chisle s uchetom dannyh sinhronnyh zamerov pri sutochnom izmenenii urovnya verhnego akkumuliruyushchego bassejna [Computational studies of the stress-strain state of the retaining wall of the first tier LV-1 of the receiving water of the Zagorskaya PSPP, including taking into account the data of synchronous measurements with daily changes in the level of the upper storage pool]. Bezopasnost' energeticheskikh sooruzheniy,(18), 38–50. (In Russ.)
  8. Lisichkin S.E., Rubin O.D., Atabiev I.Zh., Mel'nikova N.I. (2012). Raschetnye issledovaniya ustojchivosti i prochnosti podpornyh sten pervogo yarusa vodopriemnika Zagorskoj GAES [Computational studies of the stability and strength of the retaining walls of the first tier of the receiving basin of the Zagorsk PSP]. Prirodoobustrojstvo, (2), 44–48. (In Russ.)
  9. Rubin O.D., Ponomarev D.I., Mel'nikova N.I. (2011). Raschetnye issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya podpornyh sten pervogo yarusa vodopriemnika Zagorskoj GAES [Computational studies of the stressstrain state of the retaining walls of the first tier of the receiving water of the Zagorsk PSPP]. Prirodoobustrojstvo, (5), 51–55. (In Russ.)
  10. Fedorova N.V., Gubanova M.S. (2018). Crackresistance and strength of a contact joint of a reinforced concrete composite wall beam with corrosion damages under loading [Crack-resistance and strength of a contact joint of a reinforced concrete composite wall beam with corrosion damages under loading]. Russian journal of building construction and architecture, 2(38), 6–18. (In Russ.)
  11. Nikolaev V.B., Gun S.Ya., Lisichkin S.E., Lyapin O.B. (1988). Prochnost' zhelezobetonnyh podpornyh stenok [Strength of reinforced concrete retaining walls. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo, (10), 54–58. (In Russ.)
  12. Lisichkin S.E., Lyapin O.B. (1989). Poperechnoe armirovanie massivnyh konstrukcij energeticheskih sooruzhenij [Transverse reinforcement of massive structures of power facilities]. Energeticheskoye stroitel'stvo, (11), 40–43. (In Russ.)
  13. Lisichkin S.E., Korolev L.V., Skvorcov A.G. (1999). Sovershenstvovanie rascheta zhelezobetonnyh konstrukcij, oslablennyh prodol'nymi stroitel'nymi shvami [Improving the calculation of reinforced concrete structures weakened by longitudinal construction seams]. Construction and architecture. Series: Building designs and materials, (3), 1–4. (In Russ.)
  14. Lisichkin S.E., Skvorcov A.G. (2000). Povyshenie bezopasnosti massivnyh zhelezobetonnyh konstrukcij s kontaktnymi stroitel'nymi shvami [Improving the safety of massive reinforced concrete structures with contact building joints]. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo, (6), 17–21. (In Russ.)
  15. Lisichkin S.E. (2001). Povyshenie nadezhnosti konstrukcij TES, imeyushchih kontaktnye shvy, s uchetom soprotivleniya armatury sdvigu [Improving the reliability of designs of thermal power plants with contact seams, taking into account the resistance of reinforcement to shear]. Bezopasnost' energeticheskikh sooruzheniy, (9), 43–60. (In Russ.)
  16. Zalesov A.S., Lisichkin S.E. (1992). Raschet konstrukcij s naklonnoj gran'yu [Calculation of structures with an inclined edge]. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo, (6), 48–50. (In Russ.)
  17. SN 55-59. (1959). Normy i tekhnicheskiye usloviya proyektirovaniya betonnykh i zhelezobetonnykh konstruktsiy gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Standards and technical conditions for the design of concrete and reinforced structures of hydraulic structures]. Moscow: Gosstroyizdat. (In Russ.)
  18. SNiP II-I.14-69. (1970). Betonnyye i zhelezobetonnyye konstruktsii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy. Normy proyektirovaniya [Concrete and reinforced structures of hydraulic structures. Design Standards]. Moscow: Stroyizdat. (In Russ.)
  19. SNiP II-56-77. (1977). Betonnyye i zhelezobetonnyye konstruktsii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Concrete and reinforced structures of hydraulic structures]. Moscow: Stroyizdat. (In Russ.)
  20. SP 101.13330.2012. (2012). Podpornyye steny, sudokhodnyye shlyuzy, rybopropusknyye i rybozashchitnyye sooruzheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.06.07-87 [Retaining walls, shipping gateways, fishways and fish screen structures. Updated edition of SNiP 2.06.0787]. (In Russ.)
  21. SP 41.13330.2012. (2012). Betonnyye i zhelezobetonnyye konstruktsii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.06.08-87 [Concrete and reinforced structures of hydraulic structures. Updated version of SNiP 2.06.08-87]. (In Russ.)

Statistics

Views

Abstract - 147

PDF (Russian) - 93

Cited-By


PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2019 Rubin O.D., Lisichkin S.E., Pashenko F.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies