Результаты экспериментальных исследований железобетонных подпорных стен

Полный текст

Введение[15] Подпорные стены являются наиболее распространенными сооружениями гидроузлов [1-5]. Действующие в период проектирования подпорных стенок нормативные документы не в полной мере учитывали характерные особенности железобетонных конструкций, в первую очередь наличие горизонтальных межблочных швов, вследствие чего во многих случаях при длительной эксплуатации проявились существенные отклонения от проектных предпосылок (чрезмерные смещения верха конструкций стен, раскрытие горизонтальных межблочных швов и др.) [6-8]. По этой причине в ряде случаев было выполнено усиление конструкций подпорных стен в зонах горизонтальных межблочных швов. Потребовалось проведение экспериментальных исследований железобетонных моделей гидротехнических подпорных стенок, в том числе с учетом их усиления наклонными стержнями, для исследования работы подпорных стен. 1. Материалы и методы исследований. Конструкция модели железобетонной подпорной стенки. Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена железобетонная модель подпорной стены в масштабе 1:12 с габаритами: высота 143,0 см; толщина 30,0 см; ширина в корневом сечении 33,0 см. По высоте моделировались три горизонтальных межблочных шва: нижний шов протяженностью 29,9 см на расстоянии 14,0 см от нижней грани; средний шов протяженностью 25,2 см на расстоянии 35,4 см от нижней грани; верхний шов протяженностью 17,5 см на расстоянии 70,8 см от нижней грани. На этапе 1 модель испытывалась без усиления; на этапе 2 была усилена посредством наклонных стержней диаметром 10 мм из арматуры класса А400, установленных по боковым граням модели под углом 15º к горизонтали в зоне среднего межблочного шва. Усиление модели выполнялось по аналогии с усилением существующих конструкций подпорных стен и стен камер шлюзов [13-15]. Конструкция модели на этапах 1 и 2 представлена на рис. 1. Рис. 1. Конструкции модели подпорной стены на этапах 1 и 2 [Figure 1. The structures of the retaining wall model in the stages 1 and 2] Рабочее армирование у тыловой грани модели стенки выполнялось в виде трех 12 мм диаметров А-III (А400), у лицевой грани - одного 12 мм диаметра А-III (А400). Бетон модели класса В25. Методика экспериментальных исследований модели подпорной стены. При проведении экспериментальных исследований использовались следующие средства испытаний: - стенд для испытания моделей железобетонных конструкций; - гидроцилиндр (домкрат) ДГС-63 с максимальным усилием 630 кН; - тензорезисторы для измерения деформаций с точностью до 10×Е-5 (0,00001) е.о.д.; - тензометрическая станция ZET 017-T8; - индикаторы часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм; - микроскоп МПБ-3 для измерения величины раскрытия трещин. В ходе экспериментальных исследований определялись такие показатели, как: - нагрузка образования трещин (в том числе по горизонтальным межблочным строительным швам) и характер образовавшихся трещин; - ширина раскрытия горизонтальных межблочных швов и трещин; - перемещение верха модели; - деформации элементов усиления модели (наклонных стержней); - прирост нагрузки для усиленной модели (по сравнению с неусиленной конструкцией). Экспериментальные исследования проводились в определенном порядке: нагрузка прикладывалась ступенями по 10 % от нагрузки разрушения (по 5 % при величине нагрузки более 90 % от планируемой разрушающей нагрузки) с выдержкой 15 мин. Схема установки контрольно-измерительной аппаратуры на железобетонной модели подпорной стены представлена на рис. 2. Для контроля перемещения верха модели устанавливались прогибомеры - индикаторы часового типа (мессуры). Раскрытие горизонтальных межблочных швов контролировалось посредством установленных вертикально индикаторов часового типа, трещинообразование в железобетонной модели - визуально с применением микроскопа отсчетного МПБ-3 (трубки Бриннеля). При проведении экспериментальных исследований был учтен опыт экспериментальных исследований гидротехнических сооружений [16-19; 21; 22]. Рис. 2. Схема установки контрольно-измерительной аппаратуры на железобетонной модели подпорной стены [Figure 2. The installation diagram of the instrumentation on a reinforced concrete retaining wall model] 2. Результаты экспериментальных исследований модели подпорной стены Железобетонная модель подпорной стены, подверженная действию силовой нагрузки, устанавливалась вертикально в силовом стенде. Схема испытаний представлена на рис. 1. На этапе 1 проводились экспериментальные исследования неусиленной модели подпорной стены при расположении равнодействующей нагрузки на высоте 64,5 см от корневого сечения. На этапе 2 изучалась модель подпорной стены, усиленная посредством наклонных арматурных стержней, при том же расположении равнодействующей нагрузки. В ходе экспериментов фиксировалось раскрытие горизонтальных межблочных швов со стороны тыловой грани модели; а на более поздних этапах нагружения из горизонтальных швов происходило образование наклонных трещин (рис. 3), что согласовывалось с исследованиями особенностей работы действующих сооружений [9-12; 20; 23]. Основные результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, представлены в табл. 1 - при полных значениях нагрузок испытания модели на этапах 1 и 2 и в табл. 2 - при одинаковых нагрузках (62,4 кН) на этапах 1 и 2 в целях сопоставления результатов. Рис. 3. Схема образования наклонных трещин в модели подпорной стены [Figure 3. The diagram of the inclined cracks formation in the retaining wall model] На этапе 2 испытаний деформации растяжений в наклонных стержнях усиления модели составили 65×10-5 единиц относительной деформации, что соответствует напряжениям 130 МПа (усилию в каждом стержне 10,2 кН). Результаты экспериментальных исследований модели подпорной стены (графики перемещений верха модели, ширины раскрытия горизонтальных межблочных швов, ширины раскрытия наклонных трещин, деформаций в наклонных элементах усиления) представлены графически на рис. 4-14. Таблица 1 Полное значение нагрузки [Table 1. Full load value] Этап 1 (нагрузка 68,64 кН) [Stage 1 (68,64 kN load)] Этап 2 (нагрузка 70,72 кН) [Stage 2 (70,72 kN load)] Ширина раскрытия горизонтальных швов [The width of horizontal joints disclosure] Верхний шов [Upper joint] ср. 0,06 мм [avg. 0,06 mm] ср. 0,09 мм [avg. 0,09 mm] Средний шов [Middle joint] ср. 0,425 мм [avg. 0,425 mm] ср. 0,35 мм [avg. 0,35 mm] Нижний шов [Bottom joint] ср. 0,475 мм [avg. 0,475 mm] Датчик на тыловой грани ИЧ11-0,60 мм [Rear Edge Sensor ИЧ11-0,60 mm] ср. 0,325 мм [avg. 0,325 mm] Датчик на тыловой грани ИЧ11-0,50 мм [Rear Edge Sensor ИЧ11-0,50 mm] Ширина раскрытия наклонных трещин [Width disclosure of the inclined cracks] Т3 - 0,45 мм [mm] Т6 - 0,80 мм [mm] Т7 - 0,50 мм [mm] Т3 - 0,40 мм [mm] Т6 - 0,75 мм [mm] Т7 - 0,45 мм [mm] Относительная деформация наклонных стержней [The relative deformation of the inclined rods] - 65,0×10-5 е.о.д. Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 18,3 мм [mm] 16,9 мм [mm] Таблица 2 Одинаковая нагрузка - 62,4 кН [Table 2. The same load - 62.4 kN] Этап 1 (нагрузка 62,4 кН) [Stage 1 (62,4 kN load)] Этап 2 (нагрузка 62,4 кН) [Stage 2 (62,4 kN load)] Ширина раскрытия горизонтальных швов [The width of horizontal joints disclosure] Верхний шов [Upper joint] ср. 0,052 мм [avg. 0,052 mm] ср. 0,075 мм [avg. 0,075 mm] Средний шов [Middle joint] ср. 0,365 мм [avg. 0,365 mm] ср. 0,28 мм [avg. 0,28 mm] Нижний шов [Bottom joint] ср. 0,405 мм [avg. 0,405 mm] Датчик на тыловой грани ИЧ11-0,52 мм [Rear Edge Sensor ИЧ11-0,52 mm] ср. 0,275 мм [avg. 0,275 mm] Датчик на тыловой грани ИЧ11-0,48 мм [Rear Edge Sensor ИЧ11-0,48 mm] Ширина раскрытия наклонных трещин [Width disclosure of the inclined cracks] Т3 - 0,35 мм [mm] Т6 - 0,70 мм [mm] Т7 - 0,40 мм [mm] Т3 - 0,30 мм [mm] Т6 - 0,65 мм [mm] Т7 - 0,35 мм [mm] Относительная деформация наклонных стержней [The relative deformation of the inclined rods] 57,0×10-5 е.о.д. Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 15,96 мм [mm] 15,34 мм [mm] Рис. 4. График перемещения верха модели на этапе 1, мм [Figure 4. Diagram of the displacement of the top of the model at the stage 1, mm] Рис. 5. Графики ширины раскрытия верхнего шва модели на этапе 1, мм [Figure 5. Diagrams of the disclosure width of the upper joint of the model at the stage 1, mm] Рис. 6. Графики ширины раскрытия среднего шва модели на этапе 1, мм [Figure 6. Diagrams of the disclosure width of the middle joint of the model at the stage 1, mm] Рис. 7. Графики ширины раскрытия нижнего шва модели на этапе 1, мм [Figure 7. Diagrams of the disclosure width of the lower joint of the model at the stage 1, mm] Рис. 8. Графики ширины раскрытия наклонных трещин в модели на этапе 1, мм [Figure 8. Diagrams of the disclosure width of the inclined cracks in the model at the stage 1, mm] Рис. 9. График перемещения верха модели на этапе 2, мм [Figure 9. Diagram of the displacement of the top of the model at stage 2, mm] Рис. 10. Графики ширины раскрытия верхнего шва модели на этапе 2, мм [Figure 10. Diagrams of the disclosure width of the upper joint of the model at the stage 2, mm] Рис. 11. Графики ширины раскрытия среднего шва модели на этапе 2, мм [Figure 11. Diagrams of the disclosure width of the middle joint of the model at the stage 2, mm] Рис.12. Графики ширины раскрытия нижнего шва модели на этапе 2, мм [Figure 12. Diagrams of the disclosure width of the lower joint of the model at the stage 2, mm] Рис.13. Графики ширины раскрытия наклонных трещин в модели на этапе 2, мм [Figure 13. Diagrams of the disclosure width of the inclined cracks in the model at the stage 2] Рис. 14. График деформаций наклонного стержня усиления модели на этапе 2 (×10-5 е.о.д) [Figure 14. Diagram of the deformation of the inclined model gain rod at the stage 2 (×10-5)] Сопоставление результатов экспериментальных исследований, представленных в табл. 1 и 2, а также на рис. 4-14, показало, что за счет усиления модели подпорной стены наклонными стержнями увеличилась предельная нагрузка на модель, уменьшились прогиб верха модели, ширина раскрытия горизонтальных межблочных швов и наклонных трещин. При этом при одинаковой нагрузке 62,4 кН прогиб верха модели снизился на 3,9 %, ширина раскрытия среднего шва - на 23,3 %, нижнего шва - на 32,1%, ширина раскрытия наклонной трещины Т3 - на 14,3 %, трещины Т6 - на 7,1 %, трещины Т7 - на 12,5 %. Заключение Изготовлена железобетонная модель подпорной стены в масштабе подобия 1:12, в которой воспроизведены горизонтальные межблочные швы. При этом на этапе 2 испытаний модель была усилена наклонными стержнями в зоне среднего межблочного шва. Проведены экспериментальные исследования работы железобетонной модели подпорной стены на действие нагрузки, приложенной к тыловой грани модели, равнодействующая которой приложена перпендикулярно к наклонной грани на высоте 64,5 см от корневого сечения. На этапе 1 выполнялось испытание неусиленной модели, на этапе 2 - модели, усиленной наклонными стержнями в зоне среднего межблочного шва. Анализ результатов экспериментальных исследований на этапах 1 и 2 показал, что за счет усиления наклонными стержнями на этапе 2 предельная нагрузка увеличилась на 3,0 %, прогиб верха модели снизился на 3,9 %, ширина раскрытия горизонтальных швов снизилась в среднем на 27,7 %, а ширина раскрытия наклонных трещин - на 11,3 %.

Об авторах

Олег Дмитриевич Рубин

АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Автор, ответственный за переписку.
Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, директор филиала АО «Институт Гидропроект» - «НИИЭС»

Российская Федерация, 125362, Москва, Строительный пр., 7А, а/я 393

Сергей Евгеньевич Лисичкин

АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, главный научный сотрудник филиала АО «Институт Гидропроект» - «НИИЭС»

Российская Федерация, 125362, Москва, Строительный пр., 7А, а/я 393

Федор Александрович Пащенко

АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт воздушного транспорта “ЛенАэроПроект”»

Email: cskte@mail.ru

генеральный директор АО «ПИиНИИ ВТ “Ленаэропроект”».

Российская Федерация, 198095, Санкт-Петербург, наб. Обводного канала, д. 122, лит. Б

Список литературы