Экспериментальные исследования влияния характера нагрузок на напряженно-деформированное состояние подпорных стенок

Полный текст

Введение Подпорные стенки являются распространенными сооружениями, входящими в состав гидроузлов [1-7]. Им присущи характерные особенности гидротехнических сооружений, такие как значительные габариты, низкие проценты армирования (до 1,0 %), горизонтальные межблочные швы. Перечисленные особенности обусловливают характер работы и напряженно-деформированное состояние подпорных стен. Основные нагрузки на тыловые грани подпорных стенок - это нагрузки от действия грунта засыпок. При этом характер их воздействия может оказаться различным. Не полный учет конструктивных особенностей и характера действия нагрузок при проектировании целого ряда подпорных стенок, находящихся в стадии длительной эксплуатации, вызвал необходимость усиления подпорных стенок [8-16]. Одним из способов усиления заключался в установке стержней арматуры в пробуренные наклонные отверстия, пересекающие строительные швы. Возникла необходимость изучения конструкций подпорных стенок при действии различных нагрузок, в том числе с учетом установки наклонных стержней. Таким образом, цель экспериментальных исследований заключалась в изучении влияния переменной нагрузки на напряженно-деформированное состояние указанных конструкций, в том числе с учетом наклонной арматуры, установленной в зонах горизонтальных межблочных швов. При проведении экспериментальных исследований был также использован зарубежный опыт проведения исследований напряженно-деформированного состояния подпорных стенок [17-25]. Материалы и методы При решении поставленных задач применялись проверенные экспериментальные методы исследований железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Экспериментальные исследования проводились на основе железобетонных моделей подпорных стенок, изготовленных в масштабе 1:12 низовых подпорных стенок водоприемника Загорской ГАЭС [8; 9; 14]. Основные габариты железобетонных моделей: высота 1,43 м, толщина 0,30 м, ширина в корневом сечении 0,33 м, ширина верха моделей 0,08 м. На высоте 0,14; 0,345; 0,708 м от корневого сечения устроены горизонтальные межблочные швы. Бетон моделей класса В25. У тыловой грани установлены три стержня диаметром 12 мм класса А-III, у лицевой грани - один стержень диаметром 12 мм класса А-III. Две модели М-1 и М-4 изготавливались без усиления, две модели М-2 и М-3 усиливались посредством наклонных хомутов Ø 10 мм класса А-III, размещенным по бокам модели под углом 15º к горизонтальному среднему шву. На первой стадии исследований (этапы 1 и 2) моделей М-1 (без усиления) и М-2 (усиленной наклонными стержнями) равнодействующая нагрузки прикладывалась на расстоянии 0,82 м от корневого сечения. На этапах 3 и 4 второй стадии исследований равнодействующая нагрузки прикладывалась к моделям М-3 и М-4 на расстоянии 0,645 м от корневого сечения. Конструкции моделей М-1, М-2, М-3, М-4 и схемы их испытаний представлены на рис. 1. Stage 3 Stage 4 Stage 2 Stage 1 Рис. 1. Конструкции моделей М-1, М-2, М-3, М-4 и схемы их испытаний [Figure 1. Designs of models M-1, M-2, M-3, M-4 and their test schemes] Результаты и обсуждение Результаты экспериментальных исследований модели железобетонной подпорной стенки без усиления при расположении нагрузки на расстоянии 82,0 см от корневого сечения На первом этапе проводились экспериментальные исследования модели подпорной стенки М-1 без усиления при расположении равнодействующей нагрузки на высоте 82,0 см от низа модели. Опытные данные сведены в табл. 1. Таблица 1 Результаты испытаний модели М-1 (Р = 62,4 кН) при нагрузке на верхней отметке [Table 1. Test results of the model M-1 (Р = 62,4 kN) at the load at the top mark] Раскрытие горизонтальных швов [Disclosure of the horizontal joints]: - верхний шов [upper joint] ср. [average] 0,16 мм [mm] - средний шов [middle joint] ср. [average] 0,39 мм [mm] - нижний шов [bottom joint] ср. [average] 0,365 мм [mm] Раскрытие наклонных трещин [The inclined cracks opening] № 3 - 0,5 мм [mm] № 4 - 0,4 мм [mm] № 6 - 0,8 мм [mm] Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 20,37 мм [mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Перемещение, мм [Displacement, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Рис. 2. Величина горизонтальных смещений [Figure 2. The value of horizontal displacements] Рис. 3. Величина раскрытия верхнего шва [Figure 3. The value of the upper joint opening] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Рис. 4. Величина раскрытия среднего шва [Figure 4. The value of the middle joint opening] Рис. 5. Величина раскрытия нижнего шва [Figure 5. The value of the lower joint opening] Трещина № 6 [Crack No. 6] Трещина № 4 [Crack No. 4] Трещина № 7 [Crack No. 7] Трещина № 6 [Crack No. 6] Трещина № 4 [Crack No. 4] Трещина № 3 [Crack No. 3] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Деформация, е×10-5 [Deformation, е×10-5] Рис. 6. Величина раскрытия наклонных трещин [Figure 6. The value of the inclined cracks opening] Рис. 7. Величина деформации наклонной арматуры модели М-2 [Figure 7. Deformation value of the model М-2 inclined reinforcement] Наибольшая нагрузка на модель М-1 на первом этапе равнялась 62,4 кН. При этом перемещение верха модели составило 20,37 мм. Среднее значение ширины раскрытия верхнего, среднего и нижнего горизонтальных межблочных швов составило 0,16; 0,39; 0,365 мм соответственно. Ширина раскрытия наиболее существенных наклонных трещин № 3, 4, 6 составила 0,5; 0,4; 0,8 мм соответственно. Опытные данные испытаний модели М-1 изображены в виде графиков (в сопоставлении с испытаниями модели М-2) на рис. 2-7. Результаты экспериментальных исследований модели железобетонной подпорной стенки, усиленной наклонными стержнями, при расположении нагрузки на расстоянии 82,0 см от низа модели На втором этапе изучалась конструкция модели М-2, в которой установлены два стержня Ø 10 мм класса А-III, размещенных по бокам модели под углом 15º к горизонтальному среднему шву при расположении нагрузки на расстоянии 82,0 см от корневого сечения. Опытные данные сведены в табл. 2. Таблица 2 Результаты испытаний модели М-2 (с усилением, Р = 66,56 кН) при нагрузке на верхней отметке [Table 2. Test results of the model M-2 (with amplification, Р = 66,56 kN) at the load at the top mark] Раскрытие горизонтальных швов [Disclosure of the horizontal joints]: - верхний шов [upper joint] ср. [average] 0,17 мм [mm] - средний шов [middle joint] ср. [average] 0,39 мм [mm] - нижний шов [bottom joint] ср. [average] 0,43 мм [mm] Раскрытие наклонных трещин [The inclined cracks opening] № 4 - 0,65 мм [mm] № 6 - 0,90 мм [mm] № 7 - 0,30 мм [mm] Относительная деформация наклонных стержней [The relative deformation of the inclined rods] 42,0×10-5 е. о. д. Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 21,75 мм [mm] Наибольшая нагрузка на модель М-2 на втором этапе равнялась 66,56 кН. При этом перемещение верха модели составило 21,75 мм. Среднее значение ширины раскрытия верхнего, среднего и нижнего горизонтальных межблочных швов составило, 0,17; 0,39; 0,43 мм соответственно. Ширина раскрытия наиболее существенных наклонных трещин № 4, 6, 7 составила 0,65; 0,90; 0,3 мм соответственно. Величина относительного растяжения в боковой наклонной арматуре составила 42,0×10-5 при величине напряжений 84 МПа и усилий 9,49 кН. Опытные данные испытаний модели М-2 изображены в виде графиков (в сопоставлением с испытаниями модели М-1) на рис. 2-7. Сопоставление и анализ полученных опытных данных показали, что наличие стержней наклонной арматуры вызвало возрастание предельной нагрузки на 6,7 %, снижение горизонтальных смещений и величины раскрытия строительных швов и наклонных трещин. Также при нагрузке 62,4 кН горизонтальные смещения снизились на 1,5 %, величина раскрытия среднего шва - на 5,2 %, нижнего шва - на 6,5 %, величина раскрытия наклонных трещин: № 4 - на 33,3 %; № 6 - на 6,3 %; № 7 - на 20,0 %. Результаты экспериментальных исследований модели железобетонных подпорной стенки, усиленной наклонными стержнями, при расположении нагрузки на расстоянии 64,5 см от низа модели В рамках третьего этапа проводились экспериментальные исследования модели подпорной стенки М-3 (усиленной наклонными стержнями), к которой равнодействующая нагрузки приложена на высоте 64,5 см от низа модели. Опытные данные сведены в табл. 3. Таблица 3 Результаты испытаний модели М-3 (с усилением, Р = 83,2 кН) при нагрузке на нижней отметке [Table 3. Test results of the model M-3 (with amplification, Р = 83,2 kN) at the load at the bottom mark] Раскрытие горизонтальных швов [Disclosure of the horizontal joints]: - верхний шов [upper joint] ср. [average] 0,07 мм [mm] - средний шов [middle joint] ср. [average] 0,34 мм [mm] - нижний шов [bottom joint] ср. [average] 0,37 мм [mm] Раскрытие наклонных трещин [The inclined cracks opening] № 3 - 0,43 мм [mm] № 4 - 0,70 мм [mm] № 6 - 0,63 мм [mm] Относительная деформация наклонных стержней [The relative deformation of the inclined rods] 72,0×10-5 е.о.д. Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 18,24 мм [mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Перемещение верха, мм [Displacement of the top, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Рис. 8. Величина горизонтальных смещений [Figure 8. The horizontal displacements value] Рис. 9. Величина раскрытия верхнего шва [Figure 9. The value of the upper joint opening] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Рис. 10. Величина раскрытия среднего шва [Figure 10. The value of the middle joint opening] Рис. 11. Величина раскрытия нижнего шва [Figure 11. The value of the lower joint opening] Трещина № 6 [Crack No. 6] Трещина № 4 [Crack No. 4] Трещина № 3 [Crack No. 3] Трещина № 6 [Crack No. 6] Трещина № 4 [Crack No. 4] Трещина № 3 [Crack No. 3] Нагрузка, кН [Load, kN] Ширина раскрытия, мм [Opening width, mm] Нагрузка, кН [Load, kN] Деформация, е×10-5 [Deformation, е×10-5] Рис. 12. Величина раскрытия наклонных трещин [Figure 12. The value of the inclined cracks opening] Рис. 13. Величина деформации наклонной арматуры модели М-3 [Figure 13. Deformation value of the model М-3 inclined reinforcement] Наибольшая нагрузка на модель М-3 на третьем этапе равнялась 83,2 кН. При этом перемещение верха модели составило 18,24 мм. Среднее значение ширины раскрытия верхнего, среднего и нижнего горизонтальных межблочных швов составило 0,07; 0,34; 0,37 мм соответственно. Ширина раскрытия наиболее существенных наклонных трещин № 3, 4, 6 составила 0,43; 0,70; 0,63 мм соответственно. Величина относительного растяжения в боковой наклонной арматуре составила 72,0×10-5 при величине напряжений 144 МПа и усилий 16,27 кН. Опытные данные испытаний модели М-3 изображены в виде графиков (в сопоставлении с испытаниями модели М-4) на рис. 8-13. Результаты экспериментальных исследований модели железобетонной подпорной стенки без усиления при расположении нагрузки на расстоянии 64,5 см от низа модели В рамках третьего этапа проводились экспериментальные исследования модели подпорной стенки М-4 без усиления, к которой равнодействующая нагрузки приложена на высоте 64,5 см от низа модели. Опытные данные сведены в табл. 4. Таблица 4 Результаты испытаний модели М-4 (Р = 79,04 кН) при нагрузке на нижней отметке [Table 4. Test results of the model M-4 (Р = 79,04 kN) at the load at the bottom mark] Раскрытие горизонтальных швов [Disclosure of the horizontal joints]: - верхний шов [upper joint] ср. [average] 0,085 мм [mm] - средний шов [middle joint] ср. [average] 0,37 мм [mm] - нижний шов [bottom joint] ср. [average] 0,30 мм [mm] Раскрытие наклонных трещин [The inclined cracks opening] № 3 - 0,80 мм [mm] № 4 - 0,45 мм [mm] № 6 - 0,70 мм [mm] № 7 - 0,65 мм [mm] Перемещение верха модели [Displacement of the top of the model] 17,86 мм Наибольшая нагрузка на модель М-4 на четвертом этапе равнялась 79,04 кН. При этом перемещение верха модели составило 17,86 мм. Среднее значение ширины раскрытия верхнего, среднего и нижнего горизонтальных межблочных швов составило 0,085; 0,37; 0,30 мм соответственно. Ширина раскрытия наиболее существенных наклонных трещин № 3, 4, 6 составила 0,8; 0,45; 0,70 мм соответственно. Опытные данные испытаний модели М-2 изображены в виде графиков (в сопоставлении с испытаниями модели М-3) на рис. 8-12. Сопоставление и анализ полученных опытных данных показали, что наличие стержней наклонной арматуры вызвало возрастание предельной нагрузки на 5,3 %, снижение горизонтальных смещений и величины раскрытия строительных швов и наклонных трещин. Также при нагрузке 62,4 кН горизонтальные смещения снизились на 0,3 %, величина раскрытия среднего шва - на 11,1 %, нижнего шва - на 30,0 %, величина раскрытия наклонных трещин: № 4 - на 29,0 %; № 6 - на 8,5 %; № 7 - на 11,6 %. Заключение Установлено, что неполный учет конструктивных особенностей и характера действия нагрузок при проектировании целого ряда подпорных стенок, находящихся в стадии длительной эксплуатации, вызвал необходимость их усиления (в том числе вследствие недостаточного горизонтального армирования). При этом один из способов усиления заключался в установке стержней арматуры в пробуренные наклонные отверстия в зонах горизонтальных межблочных швов. Для исследования влияния различного характера действующих нагрузок, а также влияния усиления конструкций подпорных стенок слабонаклонными арматурными стержнями в зонах горизонтальных межблочных швов были изготовлены железобетонные модели низовых подпорных стенок водоприемника Загорской ГАЭС в масштабе 1:12. Были проведены экспериментальные исследования железобетонных моделей (без усиления и усиленных слабонаклонными арматурными стержнями), к которым равнодействующая нагрузки прикладывалась на расстояниях 0,57 и 0,45 высоты модели от корневого сечения. Анализ полученных опытных данных показал, что при положении равнодействующей нагрузки на расстоянии 0,57 высоты модели М-2 от корневого сечения наличие стержней наклонной арматуры вызвало возрастание предельной нагрузки на 6,7 %, снижение горизонтальных смещений на 1,5 % и величины раскрытия строительных швов (в среднем на 5,85 %) и наклонных трещин (в среднем на 19,9 %). А при положении равнодействующей нагрузки на расстоянии 0,45 высоты модели М-3 от корневого сечения наличие стержней наклонной арматуры вызвало возрастание предельной нагрузки на 5,3 %, снижение горизонтальных смещений на 0,3 % и величины раскрытия строительных швов (в среднем на 20,6 %) и наклонных трещин (в среднем на 16,4 %). Таким образом, экспериментально обоснована целесообразность усиления железобетонных конструкций подпорных стенок наклонными стержнями в зоне среднего горизонтального межблочного шва.

Об авторах

Федор Александрович Пащенко

АО «ПИиНИИ ВТ “Ленаэропроект”»

Автор, ответственный за переписку.
Email: lenair@lenair.ru

генеральный директор

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

Список литературы