автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Использование укатанного бетона и грунтоцемента в гидротехническом строительстве Туниса

Введение.

Глава 1. Опыт применения укатанного бетона в практике гидротехнического строительства.

1.1. История вопроса.

1.2. Основные преимущества укатанного бетона.

1.3. Конструкции плотин.

1.4. Технология укладки укатанного бетона.

1.5. Особенности укатанного бетона.

Глава 2. Исследование влияния зернового состава заполнителя на физические показатели грунтоцемента.

2.1. Гранулометрический состав грунтоцемента.

2.2. Максимальный размер фракций.

2.3. Содержание мелкозема.

2.4. Использование естественньрГаллювйальных отложений

2.5. Определение оптимальной влажности.

Глава 3. Исследование физико-механических и фильтрационных свойств грунтоцемента.

3.1. Изучение прочностных и деформационных свойств грунтоцемента.

3.2. Изучение фильтрационных свойств грунтоцемента.

Глава 4. Исследование укатанного бетона.

4.1. Гранулометрический состав.

4.2. Метод расчета состава заполнителя укатанного бетона.

4.3. Влияние типа песка (окатанный или дробленый) на прочность укатанного бетона.

4.4. Изучение влияния содержания цемента и влажности на плотность.

4.5. Исследование влияния количества цемента и сроков выдерживания на прочность образцов сжатию.

4.6. Прочностные и деформационные свойства укатанного бетона.

4.7. Анализ эмпирической формулы для оценки прочности.

4.8. Изучение прочности и фильтрации строительных швов в плотинах из укатанного бетона.

Глава 5. Опытные укатки на плотине РМИЛ.

5.1. Транспортирование бетонной смеси к месту укладки.

5.2. Распределение и уплотнение бетонной смеси.

5.3. Контроль качества укатанного бетона.

5.4. Контроль на стройплощадке.

В последние годы во многих странах отмечается широкий интерес к проблеме возведения гидротехнических и других массивных сооружений из укатанного бетона, представляющего собой жесткую бетонную смесь с пониженным содержанием цемента и воды, уплотняемую вибрационными катками. Применение для транспортировки, укладки и уплотнения укатанного бетона высокоэффективного оборудования, используемого для возведения грунтовых сооружений, позволяет существенно сократить стоимость и продолжительность возведения плотин, перемычек, фундаментов, автодорог по сравнению с такими же сооружениями из вибрированного бетона.

Использование укатанного бетона позволяет повысить прочность и водонепроницаемость плотин; значительно уменьшить объем сооружения, отказаться от устройства обязательных для грунтовых плотин водонепроницаемых элементов (ядра, экрана, диафрагмы); снизить эксплуатационные расходы, улучшить компоновку сооружений гидроузла. С другой стороны, это дает возможность избавить массивные бетонные сооружения от их основного недостатка - неблагоприятного термонапряженного состояния, за счет резкого снижения количества цемента в бетоне.

После получения независимости Тунис проводит политику мобилизации водных ресурсов. Несмотря на континентальный климат, Тунис остается одной из немногих стран средиземноморского бассейна, которые не вводят ограничений на использование воды.

В Тунисе разработана программа освоения водных ресурсов страны, рассчитанная на 1990-2011 гг. В срок до 2004 г. планируется строительство 21 больших, 203 средних и 1000 малых гидроузлов.

В результате реализации этого плана будет достигнуто:

- удовлетворение растущих потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства;

- повышение запасов воды и предотвращение засоления грунтовых вод, вызванное интенсивной эксплуатацией подземных горизонтов;

- защита территорий от паводков;

- и как следствие всего вышесказанного, закрепление сельского населения на орошаемых землях.

Выполнение этой программы потребует больших капиталовложений, что является основным препятствием для ее реализаций.

Целью данной работы является всестороннее изучение в лабораторных и полевых условиях физико-механических свойств и технологии приготовления грунтоцементов и укатанных бетонов применительно к гидротехническому строительству в Тунисе с учетом специфики природных грунтовых материалов; выбор оптимальных составов заполнителей для повышения прочности и понижения проницаемости грунтоцементов; отработка способов получения прочных и малопроницаемых швов в теле плотин из укатанного бетона.

В настоящее время использование укатанного бетона должно быть обязательно рассмотрено, как один из вариантов при разработке проекта плотины.

В первой главе диссертации рассматривается опыт применения укатанного бетона в практике гидротехнического строительства: история вопроса, основные преимущества, конструкции плотин, технология укладки и особенности укатанного бетона.

Во второй главе приводятся результаты исследования влияния зернового состава заполнителя на физические показатели грунтоцемента.

В третьей главе рассматриваются исследования физико-механических и фильтрационных свойств грунтоцемента. Изучение физико-механических свойств грунтоцемента проводилось применительно к материалам природных карьеров гидроузла на река Фум-Эль-Ханга с гравитационной плотиной из грунтоцемента высотой 27 м, состоящей из глухой и водосливной частей. Исследовались прочностные, деформационные и фильтрационные свойства грунтоцемента в зависимости от содержания цемента и фракционного состава заполнителя.

В четвертой главе изложены результаты исследований дробленых и отсортированных материалов из карьеров для изготовления укатанного бетона. Изучение физико-механических свойств укатанного бетона проводилось применительно к строительству гидроузла река РМИЛ с гравитационной плотиной высотой 24 м. Исследовались фильтрационные свойства швов, при перерыве в укладке, контактные поверхности в экспериментах принимались трех видов: без очистки предыдущего слоя, с очисткой его водой и воздухом, заливка контактных поверхностей тонким слоем цементного раствора.

В пятой главе представлены результаты инженерных полевых опытов по приготовлению и укладке укатанного бетона при строительстве плотины Рмил.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Гидротехнические сооружения» Санкт-Петербургского технического университета докт. техн. наук, профессору А.Е. Андрееву за помощь в работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основании анализа и обобщения мирового опыта применения укатанного бетона и грунтоцемента, результатов лабораторных и полевых исследований, выполненных в настоящей работе, можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Применение укатанного бетона на основе отсортированного карьерного материала и грунтоцемента из естественных гравийно-галечниковых смесей с содержанием цемента в диапазоне 60-100 кг/м3 позволяет сократить стоимость и продолжительность возведения гидротехнических сооружений без снижения их прочности и устойчивости и в целом надежности в процессе их эксплуатации.

2. Исследования естественных аллювиальных отложений для получения грунтоцемента показали следующее.

Существует связь между плотностью, влажностью и прочностью на сжатие. Эта связь определена экспериментальным путем в лаборатории для грунтоцемента плотины Фум-эль-Ханга.

Отклонение содержания воды от оптимальной его величины вызывает резкое снижение прочности.

Наименьшей деформируемостью и наибольшей прочностью обладает грунтоцемент с содержанием мелкозема 35%.

Для заданных гранулометрических составов с увеличением содержания мелкозема происходит уменьшение коэффициента фильтрации, так как при увеличении содержания мелких фракций происходит уменьшение пустотности (пористости) материала. 5

С увеличением содержания цемента до 200 кг/ м коэффициент о фильтрации составил в среднем 4,82-10" см/с, что на порядок меньше, чем при содержании цемента, равном 100 кг/м .

Естественные гравийно-галечниковые смеси могут быть использованы для приготовления грунтоцемента. При содержании цемента равном 200 кг/ м3 грунтоцемент может укладываться в зону напорной грани плотины. С точки зрения водонепроницаемости такой грунтоцемент может заменить вибрированный бетон.

3. Исследования дробленых и отсортированных материалов горной массы из карьеров для изготовления укатанного бетона позволяют сделать следующие выводы.

При увеличении процентного содержания окатанного песка от 0 до 100% отмечается среднее увеличение на 6% плотности и на 14% прочности на сжатие.

Для каждой дозы цемента существует оптимальная консистенция (влажность и максимальная плотность во влажном состоянии), которую необходимо определить и поддерживать постоянной во время укладки свежего укатанного бетона. При этом удобоукладываемость характеризуется временем VB, и контроль за удобоукладываемостью осуществляется по значению времени VB. Существует связь между плотностью и прочностью на сжатие. Эта связь была определена экспериментальным путем в лаборатории грунтов гидроузла Фум-эль-Ханга, отклонение от оптимальной влажности вызывает снижение прочности на сжатие. Коррекция значения оптимальной влажности должна вводиться при опытных укатках.

Прочность укатанного бетона постоянно возрастает, в первые 7-14 дней -быстро, затем (к 28-му дню) замедляется и постепенно стабилизируется. Средняя прочность образцов на 7-ой день достигает 60-70% от прочности образцов на 28-ой день. Прочность образцов в возрасте 3 месяца на 12-18% выше, чем прочность образцов на 28-ой день.

Приближенная эмпирическая формула для расчета прочности бетона разных возрастов дает результаты на 10-20% выше по отношению к реальному значению, установленному в лаборатории. Эмпирическая формула может применяться для оценки прочности укатанного бетона только при введении дополнительных коэффициентов, отличающихся для п < 28 и п > 28 дней.

4. Как следует из результатов исследований, проницаемость шва практически не отличается от проницаемости сплошных образцов укатанного бетона, за исключением так называемого «холодного» шва без очистки контактных поверхностей. Причем, естественно, горячий шов предпочтительнее холодного.

5. В результате исследований установлено, что средняя прочность на растяжение образцов со швами в возрасте 28 суток составляет: для образцов с контактным швом без очистки - 8,58 кг/см ; с контактным швом, залитым цементным раствором - 12,21 кг/см2.

Это весьма высокие показатели прочности на растяжение, соответствующие по СНиП 2.06.08-87 расчетным сопротивлениям для предельных состояний первой группы классам бетона В15-В30. Однако, можно предположить, что бразильский метод дает более высокие показатели прочности бетона на растяжение, чем традиционный метод на разрыв образцов.

При столь низкой проницаемости швов и их высокой прочности на растяжение для плотин с низком и средним напором можно отказаться от специальных мероприятий при конструировании напорной грани плотины (применение литых бетонов в напорной зоне, устройство гидроизоляционных экранов и т.п.).

6. Грунтоцементы и укатанный бетон, исследованные в диссертационной работе, успешно применяются при строительстве двух плотин в Тунисе: Фум-эль-Ханга и Рмил.

1. Василевский В.В., Судаков В.Б., Силъницкий В.И. Опытное применение укатываемых бетонных смесей в зимних условиях на строительстве Бурейской ГЭС//Энергетическое строительство .-1987. -N 1.-С. 8-12.

2. Гидротехнический бетон и его работе в сооружении. МКС по гидротехнике / ВНИИГ им Б.Е Веденеева, Л., Энергия, 1984.

3. Ерахтин Б.М. Опыт строительство гидроузлов. М., Энергоатомиздат, 1988.

4. Инструкция по применению укатанного бетона в гидротехническом строительстве. П. 917-97 / Гидропроект, М., 1997.

5. Карышева. В. А. Исследование свойств малоцементных бетонов из бетонных смесей повышенной жесткости. Известия ВНИИГ. Сборник научных трудов. 1981. т.152.с. 25-32.

6. Карышева. В. А., Лисина. Г. Ф. Свойства бетоннов из жестких смесей// Известия ВНИИГ им Б. Е Веденеева. Сборник научных трудов 1984.Т.177. -с. 37-42.

7. Конструктивно-технологическое решения плотин из малоцементных укатанных бетонов. Сборник научных трудов Гидропроекта, Вып. 117, М., 1990.

8. Малоцементные бетоны для гидротехнических сооружений. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике 1984.- Вып. 121.

9. Правила производства бетонных работ при возведении гидротехнических сооружений ВСН 31-83, ВНИИГ.

10. Розанов Н.С., Судаков В.Б. Пути удешевления и ускорения строительства бетонных плотин. М., Энергоиздат, 1981. ВНИИГ, т. 152, 1981.

11. Рекомендации по применению укатанных бетонов в гидротехническом строительстве. П 25-85 ВНИИГ, Л., 1985.

12. Судаков В.Б. Строительство плотин из укатанного бетона. Обзорная информация. Информэнерго, 1988.

13. Судаков В.Б., Картелава М.А., Суханкин Г. П. и др. Пути строительства гравитационных плотин из укатанных бетонов. МКС по гидротехнике / ВНИИГ им Б.Е Веденеева, Л., Энергия, 1981.

14. Судаков В.Б., Толкачев JI.A. Современные методы бетонирования высоких плотин. М., Энергоатомиздат, 1988.

15. Симаков Г. К. Сдвиговые характеристики укатанного бетона // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Гидротехнический бетон и его работа в сооружении / ВНИИГ им Б. Е Веденеева, Л. 1984. с. 73-77.

16. Судаков В. Б., Бертов В. М, Симаков Г. К. Сдвиговые характеристики горизонтальных швов в массиве из укатанного бетона. Энергетическое строительство . 1988. N 1. с. 26-28.

17. Large dams № 765. Special congres de Pekin juin 2000.

18. Youri Kononov. Construction beton arme / Universite technique d'etat de Saint Petersbourg / Saint Petersbourg 1995.

19. Beton compacte au rouleau / projet national BaCaRa/ 1988-1995.

20. Presses Ponts et Chausses Cahiers des charges de barrage Rmil Coyne Bellier Tunis 1999.

21. Roller compacted concrete for gravity dams Bulletin №75, ICOLD, Paris, 1989

22. Bencheikh L., Tayae M., Jafrane S., Lahlon K. Barrage Ain al Koreima en Beton Compacted an Rouleau, a Base d'Alluvions Naturelles Conception et Composition du Beton. Sixteenth Congress on Large Dams. San Francisco. 1988. Q62, v3, pp. 613-633.

23. Berkani A., Ibanez de Aldecoa R. and Dunctuan M. The construction of Beni Ha-roun dam, Algeria Hydropower and Dams, London, June 2000

24. Berkani A., Ligny G. and Michel J-P. Algeria's first major RCC dam is completed Hydropower and Dams, London, Octobre 2000

25. Holtz W.G. and Walker F.C. Discussion to Utilization of soil cement as slope protection for earth dams' by First ASCE Water Resources Engineering Conference, Omaha, Nebraska, 1962 (no proceeding of this Conference were published).

26. Hollingworth F., Hooper D. J. and Geringer J. J. Roller compacted concrete arched dams Water Power and Construction, London, November 1989

27. Wang В., Wang D. and He Y. Construction of the Puding RCC arch dam International Journal of Hedropower and Dams, London, March 1994

28. Shen С. New technical progress of RCC dam construction in China Proceedings of International Symposium on Roller-compacted concrete dams, Santander, Spain, Octobre 1995.

29. Lui G. Т., Mai, J. X. and Zhang G. X. Research and practice on Xi-Bin roller-compacted concrete thin-arch dam Proceedings of International Symposium on Roller-compacted concrete dams, Santander, Spain, Octobre 1995.

30. Znang M. A construction of RCC arch-gravity and cofferdam for Yantan Hydroelectric Project Proceedings of International Symposium on Roller-compacted concrete , Beijing, China, November 1991.

31. Annotated Bibliography on Roller-Compacted Concrete Dams USCOLD, Denver, 1994.

32. Londe P. and Lino M. The faced symmetrical hard-fill dam: a new concept for RCC Water Power and Construction, London, February 1992.

33. Dunstan M. R. H. Trial of lean foiled concrete at the Tamar Treatment Works Report to the South West Water Authority, June 1977

34. Dunstan M. R. H. Rolled concrete for dams a laboratory study of the properties of high flyash content concrete CIRIA Technical Note 105, London, May 1981

35. Dunstan M. R. H. Rolled concrete for dams-construction trials using flyash content cocrete CIRIA Technical Note 105, London, May 1981

36. Iffla J. A., Millmore J.P. and Dunstan M. R. H. The use of Rcc for small flood alleviation dams in the UK. Water Power and Construction, London, February 1992.

37. Chao P. C. and Johnson J.A. Rolled concrete usage at Tarbela dam Construction International: Design and Construction, ACI, Chincago, November 1979.

38. La Villa G. The technique of placing rollcrete as experienced at Tarbela dam during 1978-1981 for the construction of additional works at the spillwayslnter-national Conference on 'Rolled concerte for dams', CIRIA, London, June 1981

39. Hirose T. and Yanagida T. Some experience gained in construction of Shimaji-gawa and Ohkawa dams International Conference on 'Rolled concerte for dams', CIRIA, London, June 1981

40. Hirose T. Research and practice concerning RCD method C. 18, XIV the ICOLD Congress, Vol. 3, Rio de Janeiro,1982

41. Kokubu M., Shimizu S., Jojima S. Present state and problems of rationalized construction of concrete dams in Japan c. 7, XIV the ICOLD Congress, Vol. 2, Lausanne, 1985.

42. Forbes В. A., Delaney M. Desing and construction of Copperfield River Gorge dam ANCOLD Bulletin №71, August 1985.

43. Bayan B.J. Execution and control of the Castilblanco de los Arroyos dam with roller-compacted concrete, с. 62-Г.32, XVI th ICOLD Congress, Vol. 3, San Francisco, 1988

44. Wang S. Kengkou roller-compacted concrete dam с. 62-Г.32, XVI th ICOLD Congress, Vol. 3, San Francisco, 1988.

45. Hollingworth F. and Druyts F.H. Rollcrete: some applications to dams in South Africa Water Power and Dam Construction, London, January 1986.

46. Quin J.T., Rezende S., Schrader E.K. Saco dam South America's first RCC dam In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1988

47. Munillo., Fernandez. RCC Mexican dams Proceedings of International Symposium on Roller-compacted concrete dams, Santander, Spain, October 1995 In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1988.

48. Oliverson J.E., Richardson A.T. Upper Stillwater dam: design and constraction concepts Constraction International, ACI, Chicago, May 1984.

49. Mctavish R.F. Construction of Upper Stillwater dam In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1988

50. Smoak W. G. Crack repairs to Upper Stillwater dam Constraction International, ACI, Chicago, February 1991.

51. Hopman D. R., Chamberg D. R. Construction of Elk Creek dam In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1988.

52. Huang S., Yue Y. Studies on temperature control of Puding RCC arch dam Water Power and Dam Construction, London, Octobre 1995

53. Forbes B. A., Yang L., Tang G. and Yang K. Jiangya dam, China: Some interesting techniques developed for high-quality RCC construction Proceedings of International Symposium on Roller-conceret dam, China RCC '99, April,' Chengdu, China.

54. Krempel K. F. S. and Olivera L. J. N. Salto Caxias Project Upstream face Proceedings of International Symposium on Roller-conceret dam, China RCC '99, April,' Chengdu, China.

55. Dunstan M. R. H. Recent development in roller-compacted concrete dam construction. Water Power and Dam Construction Annual Handbook, London, January 1989.

56. Dunstan M. R. H. The state-of-the art of RCC dams First Portuguese Conference on roller-compacted concrete, Lisboa, November 1996.

57. Giovagnoli M., Ercoli F. and Sharader E. Conception dam: design and construction problems and their solutions In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1992

58. Krempel A. F., Crevilara C. Ch., Holanda F. G. Jordao river diversion dam. Quality control plan for materials and concrete Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret dams, Santander, Spain, October 1995

59. Ujiie K. Efficient construction of Miyagas dam and the RCD method Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret dams, Santander, Spain, October 1995

60. Bouyge В., Langois A. P., and Martin J. P. Quality of works in RCC in France: a Contractor's solution In Roller-compacted concrete II, ASCE, New York, 1988.

61. Rougui H. and Mahfoud J. Rcc dams. Moroccan experience Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret dams, Santander, Spain, October 1995.

62. Richardson A. T. Permance of Upper Stillwater dam Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret, Beijing, China, November 1991

63. Lama J. L. and Rio-Iglesias, F. Santa Eugenia dam: an impermeable compacted concrete dam Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret dams, Santander, Spain, October 1995

64. Osthuizen C. Performance of RCC arch/gravity dams Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret dams, Santander, Spain, October 1995.

65. Dunkan M. R. H., War к R. J. and Mann G. B. New Victoria dam, Western Australia. Proceedings of International Symposium on Roller-compacted conceret , Beijing, China, November 1991

66. Kolonias E., Dunkan M. R. H., Hinks J. L. and Copley A. F. The design of Plata-novryssi scheme, Europe's highest RCC dam Water Power and Dam Construction, London, November 1989.