автореферат диссертации по строительству, 05.23.18, диссертация на тему:Обоснование и разработка методики расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

Р Г Б ОД

На правах рукописи

КИРИЛЕНКО Алексей Михайлович

УДК 622:624.191

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.23.18 — «Подземное строительство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. ШИЛИН А. А.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, 'Проф. МЕРКИН В. Е., канд. техн. наук ПЕРШИКОВ А. М.

■Ведущее ¡предприятие — Государственное сетевое предприятие «Москоллектор».

В . • . 1 ли ъ'и единил V ^ 1 Л-4

Д-053.12Л 1 з Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, С.

С диссертацией можно ознакомиться в 'библиотеке Московского государственного горного университета.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М. П.

Автореферат разослан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для нормальной яизнедеятельности городов необходимы интенсивное строительство и надетая эксплуатация подземных сооружений различного назначения, в частности, коллектор!их тоннелей для инженерных коммуникаций, являющихся важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры.

На сегодняшний день в эксплуатации только в городе Москва находится более 260 км подземных сооружений этого типа, из них 225 км теплофикационных проходных коллекторных тоннелей мелкого заложения - из сборных железобетонных конструкций. В них проложено 2500 км силовых кабелей, 6500 км кабельной связи, 155 км водопровода и 450 км труб теплосети. Средний прирост вводимых в эксплуатацию магистралей за последние 10 лет составил 5,5 км в год.

Преждевременный выход из строя этих объектов приводит к тяжелым социальным последствиям для целых районов города, может способствовать возникновению серьезных аварий наземных зданий и сооружений.

Таким образом, социально-экономические последствия выхода из строя этих сооружений требуют надежной, безотказной работы конструкций обделки.

Опыт же эксплуатации коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций показал, что железобетонные конструкции подземных сооружений этого типа подвергаются ускоренному износу, затраты на ремонт значительно превышают существующие нормативы, сроки службы конструкций определяются нормативными документами весьма ориентировочно.

Сложившаяся ситуация объясняется тем, что исследование процесса износа конструкций коллекторных тоннелей сопряжено с изучением большого количества случайных факторов, а также с длительностью времени эксплуатации сооружений. На сегодняшний день имеются лишь единичные публикации, посвященные исследованию этого вопроса.

В связи с этим обоснование и разработка методики расчета эксплуатационной надежности конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций является актуальной научной задачей.

Цель работы - установить вероятностно-статистические характеристики эксплуатационной надежности конструкций теплофикационных коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций: срок службы плит перекрытия, время от начала их эксплуатации до начала коррозии арматуры и трещинообразования в защитном слое бетона, выявить закономерности изменения времени безотказной работы конструкции и срока службы плит перекрытия от конструктивных параметров этого типа подземных сооружений, учет которых позволит качественно улучшить проектирование и эксплуатацию, определить объемы и своевременность проведения ремонтных работ.

Идея работы состоит в том, что эксплуатационная надежность обделки коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций рассматривается как функция конструктивных параметров с учетом случайной природы изменения коррозионного состояния отдельных элементов конструкции на основе имитационной вероятностной модели накопления коррозионных повреждений, позволяющей прогнозировать сроки службы и коррозионное состояние конструкций.

Научные положения, разработанные лично диссертантом,1 и новизна^

1. Разработана модель потери надежности плит перекрытия при накоплении коррозионных повреждений в арматуре, учитывающая время до начала коррозии и период повреждения до наступления предельного состояния, когда суммарная площадь арматуры достигнет критического минимального значения, отличающаяся тем, что период повреждения складывается как сумма случайных значений времени до и после тре-щинообразования в защитном слое бетона, а реализация коррозионного уменьшения диаметров стержней арматуры во времени представляется выборочными функциями с постоянными значениями скоростей на каждом этапе, позволяющая прогнозировать срок службы и коррозионное состояние конструкции.

2. Уточнен механизм коррозионного разрушения арматуры в железобетонных элементах обделки коллекторных тоннелей вследствие карбонизации бетона на ее внутренней поверхности.отличающийся учетом влияния разрушения внешнего гидроизоляционного слоя и агрессивного воздействия хлоридов на арматуру, что приводит к ускорению процесса потери несущей способности и сокращению сроков службы конструкции.

3. Разработаны расчетная схема и алгоритм прогнозирования на ЭВМ срока службы конструкций коллекторных тоннелей из сборных железобетонных элементов, отличающиеся учетом одновременности протекания процессов карбонизации защитного слоя бетона, возникающей под влиянием атмосферы коллекторного тоннеля, и проникновения хлоридов из грунта в бетон конструкций в результате разрушения гидрог изоляции, определяющих время начала и развития коррозии стальной арматуры.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением апробированных методов теории надежности, теории случайных процессов и методов математического моделирования:

- сходимостью теоретических и натурных результатов по коррозионному состоянию арматуры с доверительной вероятностью 0,9, а также качественной картиной сходимости результатов расчета сроков службы плит перекрытия от конструктивных параметров.

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении вероятностно-статистических характеристик -эксплуатационной надежности конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций и выявлении закономерностей изменения времени безотказной работы конструкции и срока службы плит перекрытия от конструктивных параметров, учет которых позволит качественно улучшить проектирование и надежность эксплуатации этого типа подземных сооружении.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета эксплуатационной надежности конструкций коллекторных тоннелей, позволяющей прогнозировать время безотказной работы и об- '„'мы проведения ремонтных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Система автоматизированного расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей при их коррозионном разрушении принята к использованию в ГСГГМосколлектор" при назначении времени безотказной работы и определении объемов ремонтных работ.

Апробация работы.Основные положения и результаты работы доложены. обсуждены и одобрены на техническом совещании в ГСП "Мос-коллектор" (г.Москва. 1993г.), Межрегиональном совещании Межреспубликанской тоннельной ассоциации "Опыт эксплуатации, проблемы повышения надежности и защиты коммунальных тоннелей от коррозии" (г. Москва, 10-12 июня 1992 г.), Международном научно-техническом симпозиуме "Экология большого города" (г.Санкт-Петербург, 25-29 апреля 1994 г.) и на Международной конференции по коррозии и защите стали в бетоне ( г.Шеффилд, Великобритания, 24-28 июля 1994 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на {€$ стр. машинописного текста, включает рисунка, таблиц, список литературы из /^наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ исследований в области эксплуатационной надежности и оценки долговечности железобетонных конструкции подземных и наземных сооружений.

Вопросам эксплуатационной надежности и оценке долговечности бетонных и железобетонных конструкций был посвящен ряд аналитических и экспериментальных работ в России и за рубежом.

Вопросы оценки надежности и сроков слуабы подземных сооружений, а также использование статистических методов при расчете нагрузок и прочности крепей и обделок исследовались в работах И. В. Баклашова. В. Т. Глушко, И. И. Кандаурова, Б. А. Картозия, В. В. Матвиенко, В. Е. Меркина, Р. А. Муллера. К. В. Руппенейта, В. И. Шейнина и др.

Изучении эксплуатационной надежности строительных конструкций сооружений посвящена работы В. В. Болотина, Т. 3. Кесккюлы, Б. М. Колотилкина, М. Б. Краковского, Г. А. Порывая, В. Л- Райзсра,

A. Р. Ржаницына, В.А.Рогонского, А.Г.Ройтмана, В.П.Чиркова и др.

Исследованию долговечности бетона и железобетона при коррозионных разрушениях в различных средах посвящены работы С.Н.Алек сеева, Г.П.Вербецкого, Е.А. Гузеева, Ф.М. Иванова, Т.Г.Кравченко,

B.М.Москвина, Б.И.Пинуса, А.М.Подвального, Н.К. Розенталя, Н.В.Савицкого и др.

Но на сегодняшний день имеются лишь единичные публикации по вопросу коррозионного состояния подземных строительных конструкции теплофикационных коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций, при этом авторами исследован лишь процесс карбонизации защитного слоя бетона, возникающий вследствие воздействия внутренней атмосферы коллекторных тоннелей и инициирующий коррозию арматуры в бетоне. Но агрессивное воздействие внешней среды на железобетон конструкций, конструктивные особенности подземных сооружений этого типа (наличие гидроизоляции, "многошовность" конструкции) не рассматривались, а условия коррозии арматуры (толщина защитного слоя, плотность бетона, температурно-влажностное состояние атмосферы в тоннелях) и скорость коррозии арматуры исследованы лишь частично.

Исследования эксплуатационной надежности, в частности, определение сроков службы конструкций этого типа подземных сооружении практически не проводились.

Анализ опыта эксплуатирующей организации ГСП "Москоллгктор" и имеющихся результатов обследований позволил установить, что или большему износу из всей номенклатуры железобетонных племонтгп под■ вержены плиты перекрытия, которые являются наиболее нонхтч'н'.м элементом конструкции тоннели'«, и их разрушение ножот гцпаккти к прекращению функционирования сооружения. Основной причин ?и иг-н-' 1 этот пломентл конструкции коллектор!¡их теннел'Ч'! ппужит ! • ; г< :•.!•• ар!мтурн.

Анализ существующих теоретических исследований в области долговечности и расчета эксплуатационной надежности железобетонных конструкций позволил сделать следующие выводы:

- исследования коррозионного состояния конструкций коллекторных тоннелей показали, что одной из причин, вызывающей коррозию арматуры, является агрессивное воздействие внутренней атмосферы коллекторных тоннелей, проявляющееся в карбонизации бетона;

- исследованные модели эксплуатационной надежности железобетонных конструкций не учитывают конструктивные особенности и специфику эксплуатации этого типа подземных сооружений: наличие гидроизоляции, "многошовность" конструкции, одновременное агресивное воздействие на железобетон эксплуатационной и внешней среды, определяющей 'во времени процесс коррозии арматуры до и после трещино-образования в защитном слое бетона элементов обделки:

- существующие метода" расчета сроков службы железобетонных конструкций по потере прочности сечения при коррозии арматуры но учитывают потерю контакта "бетон-арматура" и многостадийность физико-химического процесса коррозии арматуры, когда при смене стадий изменяются скорости коррозии арматуры;

- отсутствуют закономерности изменения сроков службы элементов конструкций коллекторных тоннелей от конструктивных параметров этого типа подземных сооружений.

В связи с вышеизложенным необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на разработку методики расчета эксплуатационной надежности конструкций коллекторных тоннелей на основе учета конструктивных особенностей и специфики эксплуатации этого типа подземных сооружений.

Исходя из состояния и изученности вопроса для достижения поставленной цели необходимо:

- выполнить экспериментальные исследования по выявлению вида коррозии стали "и условий (толщины защитного слоя бетона, плотности и влажности бетона, температурно-влажностного состояния атмосферы коллекторных тоннелей), определяющих скорости коррозии арматуры в плитах перекрытия, для создания модели накопления коррозионных повреждений;

- разработать математическую и имитационную модель накопления коррозионных повреждений арматуры плит перекрытия;

- на основании критерия потери прочности сечения плиты перекрытия построить модель надежности плиты перекрытия при коррозии арматуры и определить ее функцию надежности;

- разработать алгоритм расчета сроков службы плит перекрытия коллекторных тоннелей при коррозии арматуры;

- выявить закономерности изменения времени безотказной работы конструкции и срока службы плит перекрытия от конструктивных параметров этого типа подземных сооружений.

Для решения поставленных задач использовалась комплексная методика исследования, включающая в себя: имитационное моделирование, вероятностные и статистические методы, натурные измерения, метод сопоставительного анализа результатов, полученных на основе предлагаемой методики с экспериментальными данными.

Во второй главе изложены результаты натурных, обследований обделок коллекторных тоннелей общей протяженностью более 4000 м, эксплуатирующихся на момент обследования от 14 до 38 лет. На основании полученных результатов разработана физико-химическая модель процесса коррозии арматуры в плитах перекрытия.

Натурные исследования проводились в два этапа.

Первый этап включал в себя изучение качественных особенностей эксплуатации коллекторных тоннелей, коррозионного состояния плит перекрытия, условий коррозии арматуры.

Целью второго этапа являлось определение оероятностно-ста-тистических характеристик коррозионных процессов, протекающих в железобетонных конструкциях типичного коллекторного тоннеля.

Для определения агрессивности внешней среды проводился химический анализ воды в местах поступления в подземное сооружение (5-6 мест измерения). Исследование эксплуатационной среды включало в себя: измерение температуры и влажности воздуха, а также опрело -ление агрессивных к материалам строительных конструкций газов при помощи газоопределителей. Измерения проводились на 15-20 см ниго плит перекрытия через 30-50 м по протяженности сооружений. Витальная оценка коррозионного состояния плит перекрытия проводил,чсь по четырехбалльной шкале коррозионных поражений. Из полок плит перекрытия и стеновых блоков проводился отбор кернов для определения экспресс-методами глубины нейтрализации и наличия ионов хлора в

поверхностном слое бетона. Вскрытие арматуры для оценки степени коррозии производили в 6-10 конструкциях для каждой категории коррозионных поражений по всей протяженности коллекторных тоннелей. В местах вскрытия арматуры определялись толщина защитного слоя и глубина карбонизации бетона. Тут же проводился отбор проб бетона для лабораторного определения влажности, водопоглощения по массе и концентрации хлоридов. Кроме этого, при натурных исследованиях не-разрушающими методами контроля (ультразвуковым и методом пластической деформации) по диагностической сетке через 10-12 м измерялась прочность бетона..

Подтверждено, что основным видом повреждения плит перекрытия является коррозия арматуры, приводящая в ребрах жесткости к возникновению. продольных трещин вдоль стержней арматуры с разной степенью раскрытия от "волосяных" до 10 мм, нарушению сцепления арматуры с бетоном и отколу защитного слоя с дальнейшим протеканием коррозии арматуры в атмосфере сооружений. Разрушение гидроизоляции происходит через 10-15 лет после начала эксплуатации, после чего массовый характер носят протечки грунтовых вод по стыкам между плитами перекрытия.

Установлено, что причиной коррозии стальной арматуры является присутствие в бетоне конструкций хлоридов, .проникающих из грунта в бетон конструкций в результате разрушения гидроизоляции, также подтверждено, что коррозия стали протекает вследствие процесса карбонизации защитного слоя бетона.

По результатам натурного эксперимента на основе метода рас -слоенных выборок произведена оценка средней скорости коррозии арматуры. Разность коррозионного уменьшения диаметров арматуры, рассчитанная при этой скорости, для имеющихся результатов обследований отличается не более чем на 5%. Прочность бетона за период эксплуатации до 38 лет не уменьшилась ниже проектной, что также соответствует имеющимся" результатам обследований.

Установлено, что ускоренный износ железобетонных элементов обделки при коррозии арматуры обусловлен высокой скоростью коррозии стали в бетоне конструкций, что, в свою очередь, определяется несоответствием в сроках службы гидроизоляции и обделки,"многошов-ностью" конструкции,высокой проницаемостью бетона, малыми значени-

ями фактической толщины защитного слоя, эксплуатацией сооружений при высоких значениях температуры и относительной влажности воздуха.

По значениям глубины карбонизации и водопоглощения бетона произведена статистическая оценка коэффициента карбонизации и коэффициента диффузии для ионов хлора.

Проведен анализ теоретических исследований в области физико-химических процессов коррозии арматуры в бетоне и результатов натурного эксперимента. На его основе разработана физико-химическая модель коррозии арматуры в ребрах жесткости плит перекрытия.

Коррозия арматуры протекает при наличии двух встречных процессов: карбонизации защитного слоя бетона изнутри, под влиянием газовоздушной среды коллекторных тоннелей, и при воздействии хлоридов, которые проникают в бетон из грунта после разрушения гидроизоляции.

Процесс карбонизации защитного слоя бетона начинается с момента эксплуатации сооружения; через момент времени ( инкубационный период для начала коррозии) сталь начинает корродировать со скоростью гсЬ в карбонизированном бетоне. Расширение продуктов коррозии приводит к появлению в бетоне растягивающих напряжений; при превышении прочности бетона на растяжение в защитном слое появляется трещина и арматура начинает корродировать' со скоростью г0 уже в атмосфере коллекторного тоннеля.

Проникновение хлоридов из грунта в бетон начинается после разрушения гидроизоляции и происходит с внешней поверхности конструкций и из стыков между плитами перекрытия. Инкубационный период для хлоридной коррозии складывается из двух промежутков времени: - времени от начала эксплуатации до момента разрушения гидроизоляции и 1с| - времени, необходимого для возникновения в бетоне у поверхности арматуры критического значения концентрации хлоридов. С этого момента сталь начинает корродировать со скоростью г. | до момента откола защитного слоя и г - в атмосфере коллекторного тоннеля в присутствии хлоридов.

При рассмотрении процесса коррозии арматуры с наложением двух видов коррозии учитывалось, что скорость коррозии стали при воздействии хлоридов значительно превышает ( в 2-7 раз ) скорость коррозии при карбонизации. То есть хлоридная коррозия стали в дан-

ном случае является определяющей. Поэтому принималось, что скорость коррозии в карбонизированном бетоне равна скорости хлоридной коррозии.

В третьей главе предложена модель надежности коллекторного тоннеля. Коллекторный тоннель рассмотрен как последовательная схема соединения звеньев, в свою очередь состоящих из плиты перекрытия, двух стеновых блоков и одного лоткового элемента. Учитывая, что плиты перекрытия являются наиболее ненадежны!.) элементом конструкции, вероятность безотказной работы стеновых и лотковых элементов принята равной единице. В этом случае безотказная работа коллекторного тоннеля при коррозионных повреждениях плит перекрытия есть случайное событие, равное пересечению независимых случайных событий безотказной работы каждой плиты перекрытия. На основе системной теории надежности среднее время безотказной работы коллекторного тоннеля Мк.т. определяется из выражения:

где Т0 - пороговое значение времени, при котором произойдет отказ плиты перекрытия; N - количество плит перекрытия в коллекторном тоннеле; Г( ) - гамма-функция: Т0,а,X - константы.

Параметры Т0_ X. и а определяются аппроксимацией значений вероятностей отказа плит перекрытия в области малых значений по методу наименьших квадратов.

В работе используется критерий отказа плиты перекрытия по несущей способности, выраженный через площадь сечения рабочей арматуры в виде:

где к5(1, V, г„) - текущее значение площади рабочей арматуры в момент времени t в результате коррозии; ^ - инкубационный период для начала коррозии арматуры;

(1)

) Азс0?ь. Я.. Л«. Ь, 1. V). (2)

г» - скорость коррозии, зависящая от того, происходит ли коррозия при карбонизации бетона или при воздействии ионов С1-, а также при наличии или отсутствии защитного слоя бетона (после его разрушения);

АзС - площадь рабочей арматуры сечения, обеспечивающая прочность, равную действующему внешнему моменту;

Яь - фактическое значение прочности бетона;

И, - фактическое значение прочности арматуры;

11 а - высота сечения ребра плиты перекрытия без учета толщины защитного слоя;

Ь - ширина плиты;

1 - длина плиты;

V - расчетная нагрузка на плиту перекрытия.

Сущность этого критерия заключается в следующем. Значение А-,с является минимально допустимым значением площади рабочей арматуры, обеспечивающим прочность сечения плиты перекрытия, равную действующим внешним нагрузкам. При уменьшении значения параметра АЛ1;Л0,г,) в результате протекания коррозии и достижения им своего предельного допустимого значения Азс, что происходит через некоторый случайный промежуток времени 1;и, наступает отказ плиты перекрытия по несущей способности.

Параметры А.. Ц, г,) и Азс являются случайными, так как зависят: первый - от случайных характеристик протекания коррозии арматуры 10 иг,, второй - от случайных значений прочности бетона прочности арматуры II. и нагрузки V.

Значение А.;с определяется в соответствии со СНиП с использованием коэффициента уменьшения несущей способности плит перекрытия при коррозионных разрушениях.

Текущее случайное значение площади рабочей арматуры ■ А.. (I. ^, г,), определяющее несущую способность плиты перекрытия в момент времени связано с коррозионным изменением диаметров

стержней арматуры:

п

!1

А Ц 1,,гА) = — Е dVt.to.rJ. (3)

4 з-1 '

где N - число арматурных стержней в растянутой зоне ребер жесткости;

(^ЦДо.г*) - случайное значение диаметра ¿-го стержня рабочей арматуры в момент времени г.

Срок службы плит перекрытия определяется согласно наступлению равенства в (2). Для выполнения равенства (2) необходимо определить время 1ц- наступления предельного состояния, которое в общем виде складывается как суша инкубационного периода 10 до начала коррозии и периода повреждения арматуры, происходящего со скоростями коррозии, соответствующими физико-химическим условиям протекания этого процесса.

Инкубационный период до начала коррозии стальной арматуры ^ определяется условием:

, если < С1 ~ЧС1. если С1 <СЬ .

где Цс 1' - инкубационный период при карбонизации бетона;

° ^оо + _ инкубационный период для хлоридной коррозии стали;

- время от начала эксплуатации до момента разрушения гидроизоляции;

- время, необходимое для возникновения в бетоне у поверхности арматуры критического значения концентрации хлоридов.

Для определения изменения во времени Ц, 10,г„) с учетом м.чогостаднйности процесса коррозии арматуры автором рассмотрены три варианта процесса накопления в арматурных стержнях коррозионных повреждений: •

1) при 10с1 < хлоридная коррозия стали протекает с постоянной средней скоростью г0, до момента наступления трещино-образования или откола защитного слоя бетона; после трещинообразо-ваиия оголенная арматура корродирует в присутствии хлоридов со скоростью г до момента времени Ц , когда наступит предельное состояние;

2) при t0cb < tacl коррозия стали протекает в карбонизированном бетоне со скоростью гсЬ, время t. где t0c" < t < t0cl; после чего до наступления трещинообразования протекает хлоридная коррозия стали со скоростью гс); затем,после трещинообразования, оголенная арматура корродирует со скоростью г до наступления предельного состояния в момент времени tu;

3) при t0'Jb < t0cl коррозия стали протекает в карбонизированном бетоне со скоростью rcbiвремя t.гдо t0cb < t < tcr ; после чего оголенная арматура корродирует в атмосфере коллекторного тоннеля со скоростью г0, время 1;,где tJr < t < t0cl; затем оголенная арматура корродирует со скоростью г - до момента наступления предельного состояния t„.

Значения t,,cl' - инкубационного периода при карбонизации, tc0 - срока службы гидроизоляции, tcl - времени диффузии ионов хлора и t., - времени от начала эксплуатации до трещинообразования и откола в защитном слое бетона, а также значение г» - скоростей для каждого из видов коррозии определяются по результатам натурного эксперимента и аналитическим зависимостям из литературных источников.

В четвертой главе на основе модели надежности и математической модели накопления, в арматуре коррозионных повреждений была разработана имитационная модель надежности плит перекрытия. При этом случайные величины, входящие в основные уравнения имитационной модели, определялись на основе метода Монте-Карло. Реализация коррозионного уменьшения диаметров стержней арматуры во времени представлялась выборочными функциями с постоянными значениями скоростей на каждом этапе. Алгоритм имитационной модели был реализован в виде программы, написанной на языке TURBO-PASCAL.

С целью проверки правомерности использования разработанной имитационнои модели для прогнозирования срока службы плит перекрытия автором проведено сравнение результатов натурного обследования коррозионного состояния плит перекрытия типового коллекторного тоннеля, эксплуатирующегося 25 лет. с результатами имитационного моделирования. Получена сходимость теоретических и натурных результатов по коррозионному состоянию арматуры с доверительной ве-

роятностыо, равной 0,9. Результаты натурного эксперимента по коррозионному состоянию плит перекрытия: количество плит перекрытия, в которых полностью произошла полная карбонизация защитного слоя бетона, количество плит перекрытия с трещинами и отколом защитного слоя, количество плит перекрытия, в которых началась' хлоридная коррозия стали, отличаются от результатов машинного эксперимента не более чем на 15 %.

Имитационное моделирование, проведенное для типового коллекторного тоннеля, позволило установить вероятностно-статистические характеристики эксплуатационной надежности:времени безотказной работы коллекторного тоннеля, срока службы плит перекрытия, времени полной карбонизации защитного слоя бетона, времени начала хлоридной коррозии стали,времени от начала эксплуатации до трещинообразова-ния в защитном слое бетона.

Полученные статистические законы распределения позволяют прогнозировать время безотказной работы обделки коллекторных тоннелей и изменение коррозионного состояния плит перекрытия во времени, что необходимо для безаварийной эксплуатации сооружений и оценки объемов проведения ремонтных работ.

Разработанная программа позволила установить закономерности изменения времени безотказной работы коллекторного тоннеля и среднего срока службы плит перекрытия от толщины защитного слоя бетона, срока службы гидроизоляции,косвенных характеристик плотности бетона: коэффициента карбонизации и коэффициента диффузии для ионов хлора, а также значений изгибающего момента в сечении плиты перекрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи: обоснование и разработка методики расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций, что позволит повысить надежность эксплуатации коллекторных тоннелей.

Проведенные в работе исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Результаты детального обследования коррозионного состояния железобетонных конструкций тоннелей общей протяженностью более 4000 м позволили выявить причины и факторы, обуславливающие коррозию стальной арматуры. Установлено, что коррозия стальной арматуры протекает вследствие карбонизации защитного слоя бетона под влиянием газовоздушной среды коллекторных тоннелей и при воздействии хлоридов, проникающих в бетон из грунта после разрушения гидроизоляции.

2. Рассмотрена физико-химическая модель развития коррозии в данных условиях и на ее основе разработана математическая модель накопления в конструкциях коррозионных повреждений, позволившая оценить их влияние на время безотказной работы коллекторных тоннелей и срок службы плит перекрытия. .

3. Полученные результаты показывают, что при принятых в настоящее время для железобетонных конструкций коллекторных тоннелей значениях конструктивных параметров коррозия стальной арматуры в конструкциях, а вследствие развития этого процесса - трещинообра-зование и откол защитного слоя бетона начинаются практически с момента начала эксплуатации сооружений. Время безотказной работы обделки и средний срок службы плит перекрытия составляют соответственно 33 % и 65 % от нормативного срока службы конструкции.

4. Показана опасность уменьшения защитного слоя бетона. При уменьшении среднего значения толщины защитного слоя бетона до 5 мм время безотказной работы коллекторного тоннеля уменьшится на 40 %, а средний срок службы плит перекрытия на 10 %.

5. Значение срсиени безотказной работы при увеличении средних значений толщины защитного слоя и срока службы гидроизоляции также возрастает, но до определенных значений каждого из параметров, после чего остается практически неизменным. Эти значения соответственно для толщины защитного слоя - 25 мм, для срока службы гидроизоляции - 15 лет.

Такой характер зависимостей обусловлен тем, что отказ первых плит перекрытия происходит в результате наложения друг на друга двух процессов: коррозии арматуры вследствие полной карбонизации защитного слоя бетона и коррозии арматуры вследствие проникновения ионов С1~ из грунта в бетон конструкций после разрушения гидроизоляции.

6. Значение среднего срока службы плит перекрытия практически линейно зависит от срока службы гидроизоляции. При увеличении варьируемого параметра с 10 до 30 лет средний срок службы возрастает на 15%.

Эта же величина при увеличении толщины защитного слоя с 5 до 25 мм, возрастая на 20 %, в дальнейшем остается неизменной.

7. Показано, что время безотказной работы коллекторных тоннелей и средний срок службы плит перекрытия зависят от значений действующего изгибающего момента, возникающего в сечении плиты перекрытия от внешней нагрузки, а также от косвенных характеристик плотности бетона: коэффициента карбонизации, характеризующего еще и состояние внутренней среды сооружения, и коэффициента диффузии ионов хлора. Причем наиболее значительное влияние оказывает значение действующего момента.

8. Разработанная в диссертационной работе методика расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций принята к использованию в ГСП"Москоллектор" при оценке времени безотказной работы коллекторных тоннелей и определении объемов ремонтных работ. Ожидаемый годовой экономический эффект составит 9455 тыс. руб. на один коллекторный тоннель в ценах 1993 года.

Основные положения_диссертации опубликованы в следующих_ра;

ботах;

1-Щилин A.A., Кириленко А.М. Состояние строительных конструкций теплофикационных коллекторных тоннелей в Москве // Подземное пространство мира. - 1993. - N 1. - С. 26 - 27.

2. Шил-??! А. А., Кириленко Л. Л1. Состояние строительных конструкций теплофикационных коллекторных тоннелей я Москве//Опыт эксплуатации, проблемы 'повышения надежности и защиты коммунальных тоннелей от коррозии: Тез. докл. Межрегионального совещания Межреспубликанской тоннельной ассоциации. — М.: МТА. — 1992.

3. Шнлин А. А., Кириленко А. М., Босзк Р. Влияние природных и техногенных факторов на 'состояние железобетонных конструкций 'подземных сооружеш1Й//Экологня большого города: Тез. докл. Международного научно-технического ■симпозиума. — Санкт-'Петербург, 1994. — С. '18—19.

4. Shilin A. A., Pavlov О. N.. Kirilenko А. М. Service Life of Precast Reinforced Concrete Members In Urban Rectangular Tunnels with Regard to Corrosion of Reinforcement// Proc. of the International Conference on Corrosion and Corrosion Protection of Steel in Concrete.—Vol. 1. — Sheffield, UK, 1994, —P. 638—647.

Подписано в печать 21.07.94. Формат 60x90/16 Объем 1 печ. л. Тираж 100 экт. Заказ № 934.

Типография Московского государственного горного университета. Ленинским проспект, д. С