автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Термонапряженное состояние бетонных массивов на скальных основаниях сложного рельефа

РТ6 ОД

2 КОЙ

На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Андрей Григорьевич

Термонапряженное состояние бетонных массивов на скальных основаниях сложного рельефа

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Сибирском научно-исследовательском институте гидротехники (г.Красноярск) и Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Соколов Игорь Борисович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Трапезников Лев Петрович

■ кандидат технических наук, доцент Белов Вячеслав Вячеславович

Ведущая организация

- АО "Ленгидропроект*

Защита состоится "1£Г декабря 1997 г. в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.38.19 при Санкт-Петербургском государствено« техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, гидротехнический корпус, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан /с&сЯ^Л 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Морозов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Зона сопряжения бетонных плотин со скальным основанием относится к наиболее ответственным элементам сооружения. Напряженно-деформированное состояние (н.д.с.) этой зоны, сформировавшееся в процессе возведения сооружения, оказывает существенное влияние на работу плотин в эксплуатационный период. Анализ аварий и непроектных состояний эксплуатирующихся гидротехнических сооружений подтверждает необходимость пристального внимания к проблеме сопряжения бетонных плотин с основанием. На эффективность сопряжения, наряду с конструктивными решениями по возведению сооружения, влияет монолитность блоков контактной зоны. Качество укладки бетона, расположение строительных швов, возможное трещинообразование в прискальных блоках во многом определяет характер передачи нагрузок на основание. От монолитности прискальных массивов, расположенных у напорной грани и испытывающих максимальные напоры, зависит также фильтрационная надежность сооружения. В условиях сурового климата, который характеризуется высокими отрицательными температурами наружного воздуха в зимнее время и длительными морозными периодами, проблема обеспечения трещиностойкости стоит наиболее остро.

Разработке мероприятий по обеспечению монолитности бетонных массивов в строительный период в условиях сурового климата посвящены многочисленные натурные и расчетные исследования. Анализ научной литературы по данной проблеме позволяет сделать вывод о том, что основная часть выполненных работ относится к вопросам термонапряженного состояния и температурного трещинообразования в бетонных блоках, сопрягающихся с основанием ( старым бетонным или скальным) по плоским поверхностям. Такой контакт между блоком и основанием в большей мере соответствует схеме наращивания основного тела плотины с организацией плоских горизонтальных строительных швов. При возведении же прискальных бетонных блоков основание зачастую представляет собой поверхность сложного рельефа в виде различного рода углублений в основании или поднятий отдельных участков скального массива. Причем, размеры неровностей сопоставимы с размерами блока, что является причиной изменения не только температурного режима блока, но и условий его защемления в основание. Практически не исследован вопрос о термонапряженном состоянии бетонных массивов, примыкающих к скальным откосам. В высоких бетонных плотинах арочного типа число таких прискальных блоков достаточно велико и их напряженно-деформированное состояние оказывает существенное влияние на работу сооружения совместно с основанием.

Таким образом, вопросы термонапряженного состояния прискальных бетонных массивов, возводимых на скальных основаниях сложного рельефа, остаются открытыми и требуют проведения соответствующих исследований. Определение особенностей термонапряженного состояния таких массивов, особенно для условий сурового климата, позволит обеспечивать монолитность бетонных сооружений в области их сопряжения со скальными основаниями и повышать их надежность при эксплуатации.

Цель работы. Исследование особенностей термонапряженного состояния прискальных бетонных массивов, возводимых на основаниях сложного рельефа, и разработка предложений по технологии возведения таких массивов в условиях сурового климата с целью предотвращения в них термического трещинообразования.

Исходя из цели настоящей диссертации, были поставлены и решены следующие задачи :

• определены характерные схемы сопряжения бетонных массивов со скальными основаниями сложного рельефа;

• разработана и реализована на ПЭВМ типа IBM программа расчета температурных полей в наращиваемых бетонных массивах на скальных основаниях сложного рельефа;

• реализована на ПЭВМ типа IBM прикладная программа, позволяющая учитывать при определении напряжений в твердеющих бетонных массивах ползучесть бетона и зависимость модуля деформации бетона от температуры;

• определены характерные схемы сопряжения бетонных массивов со скальными основаниями сложного рельефа;

• проведены расчетные исследования термонапряженного состояния прискапьных блоков для характерных схем сопряжения бетонных массивов с основанием сложного рельефа;

• определены основные особенности термонапряженного состояния прискальных блоков на русловых и береговых участках сопряжения бетонных плотин с основанием;

• выполнены расчетные исследования по обоснованию технологических мероприятий, направленных на обеспечение трещиностойкости бетонных массивов на скальных основаниях сложного рельефа;

• разработаны предложения к технологическим правилам на производство бетонных работ при возведении бетонных массивов на скальных основаниях сложного рельефа в условиях сурового климата.

Методика исследования В работе используются расчетные методы определения термонапряженного состояния твердеющих бетонных массивов, а также данные натурных наблюдений за термонапряженным состоянием прискальных бетонных массивов больших бетонных плотин, строящихся и эксплуатирующихся в условиях сурового климата.

Научная новизна работы. В рамках диссертационной работы определены основные особенности влияния рельефа скального основания на термонапряженное состояние возводимых на нем бетонных массивов. Разработаны технологические мероприятия по ограничению термического треицинообразо-вания в бетонных блоках, возводимых на скальных основаниях сложного рельефа в условиях сурового климата.

Реализация результатов работы. Часть положений выполненной работы вошла в раздел "Предложения по способам укладки бетона в прискальную зону плотины, обеспечивающим сохранение монолитности возводимого сооружения" научно-технического отчета по договору №162-116 ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева с Минтопэнерго РФ "Совершенствование бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с целью повышения их эксплуатационной надежности и снижения материалоемкости", выполненного в 1993 году. Большой объем расчетных исследований термонапряженного состояния прискальных бетонных массивов был выполнен в рамках НИР "Комплексные исследования для обоснования конструктивно-технологических решений Усть-Среднеканского гидроузла" по заказу Ленгидропроекта в 1992 году.

К диссертации прилагается акт о внедрении результатов исследований термонапряженного состояния бетонных массивов на скальном основании сложного рельефа в производство бетонных работ на строительстве Богучан-ской ГЭС.

Результаты работы могут быть использованы при возведении на скальных основаниях в условиях сурового климата массивных бетонных сооружений на этапах их проектирования и строительства.

Публикации. По теме диссертации в открытой печати опубликовано 4 работы.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 172 стр., в том числе 127 стр. текста, 44 рисунков, 22 таблиц, включенных в состав текста, 1 стр. приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, дается общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены особенности возведения бетонных массивов на скальных основаниях в условиях сурового климата. Приводятся факторы, влияющие на степень защемления прискальных блоков в основание. На основе рассмотрения форм контакта «бетон-скала» прискальных бетонных массивов плотин, строящихся и эксплуатирующихся в условиях сурового климата (Богучанская, Бурейская и Саяно-Шушенская ГЭС), определяются характерные схемы сопряжения бетонных блоков с основанием, имеющим сложный рельеф.

Проблеме температурного трещинообразования в бетонных массивах посвящены многочисленные натурные и расчетные исследования. Прикладной задачей этих исследований ставилось определение оптимальных условий возведения бетонных сооружений с минимальным трещинообразованием бетона в строительный период. Вопросы обеспечения монолитности сооружений получили новое развитие, когда в условиях Сибири и Дальнего Востока развернулось широкое строительство высоких бетонных плотин на скальных основаниях.

Значительный вклад в проведение натурных исследований при строительстве плотин в условиях сурового климата внесли такие ученые, как Л.М.Гаркун, В.Н.Дурчева, А.П.Епифанов, Л.И.Маркин, В.И.Сильницкий С.Н.Старшинов, С.Я.Эйдельман и целый ряд других исследователей.

Одновременно с проведением наг/рных исследований выполнялся большой объем исследований, направленных на теоретическое осмысление процессов в твердеющих бетонных массивах, определяющих его напряженно-деформированное состояние. Этому, в значительной степени, способствовали работы С.В.Александровского, Н.Х.Арутюняна, П.И.Васильева, И.Д. Запорожца, Г.Н.Маслова, В.Г.Орехова, Л.П.Трапезникова, С.А.Фрида, и др. Следует также отметить таких зарубежных ученых, как Бабушко, Дюрана, Карлсона, Келли, Таунсенда, Раструпа и др.

Совместные усилия ученых в области натурных и теоретических исследований позволили определить основные условия образования трещин в бетоне, установить критерии их появления и кинетику распространения трещин в бетонных массивах.

Между тем, на всех построенных в условиях сурового климата бетонных плотинах не удавалось избежать температурного трещинообразования, в том числе и сквозного. Особую проблему представляет трещинообразование в контактной зоне бетонных плотин на скальных основаниях. Широко известны примеры сквозного трещинообразования в бетоне контактной зоны на плотинах Кировского водохранилища, Братской, Зейской, Саяно-Шушенской ГЭС.

Было отмечено, что трещинообразование в прискальных блоках происходило при соблюдении технологических требований на производство бетонных работ, регламентирующих как общие вопросы технологии бетонирования, так и вопросы, относящиеся к обеспечению трещиностойкости блоков ( теплоизоляционные свойства опалубки, температурные перепады, допустимая скорость остывания бетона и т.д.).

Как представляется автору диссертации, трещинообразование в прискальных бетонных массивах в некоторых случаях может определяться рельефом основания в области контакта. Влияние рельефа скального основания на термонапряженное состояние бетонных массивов контактной зоны не отражено в натурных и теоретических исследованиях, проводившихся для крупных бетонных плотин, строящихся и эксплуатирующихся в условиях сурового климата.

Основная часть натурных и расчетных исследований посвящена термонапряженному состоянию бетонных массивов для наиболее распространенной их схемы сопряжения с основанием - блок возводится на бетонном или скальном основании при плоском контакте между ними.

Анализ реальных схем сопряжения бетонного массива и скального основания бетонных плотин показал, что контакт "блок-основание" в большинстве случаев резко отличается от плоской поверхности, может иметь самые разнообразные формы. Рельеф поверхности основания прискальных бетонных массивов определяется прежде всего: формой поверхности сопряжения сооружения с основанием; разгрузкой скального основания после разработки котлована; качеством проведения буровзрывных работ; локальной слоистостью, анизотропностью и трещиноватостью скальных массивов; морозным выветриванием скальных пород; требованиями на качество основания под блоки бетонирования. На основе проведенного анализа определены характерные, наиболее часто встречающиеся формы контакта между отдельными бетонными блоками и скальными массивами.

В главе рассмотрены также особенности формирования термонапряженного состояния прискальных бетонных массивов с учетом опыта возведения крупных бетонных плотин в условиях сурового климата.

В заключении первой главы сформулированы задачи исследования особенностей термонапряженного состояния прискальных бетонных массивов, возводимых на основаниях сложного рельефа.

Во второй главе приводится описание математического и программного обеспечения, используемого в расчетных исследованиях, в том числе разработанной автором диссертации программы расчета температурных полей в твердеющих бетонных массивах. Описывается используемый в расчетах алгоритм учета при определении напряженного состояния прискальных блоков ползучести бетона и зависимости модуля деформации бетона от температуры.

Определение температурных полей.

Для определения температурных полей в твердеющих бетонных массивах использовались численные решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье для систем с внутренними, равномерно распределенными источниками тепла (1).

§ = «^±.§; (,)

СЛ. С£ СЯ

А

где I - температура; т - время; а - коэффициент температуропроводности; с - удельная теплоемкость; у - удельный вес; О - количество тепла, выделяемого внутренними источниками тепла.

Уравнение (1) приводилось к конечно-разностному (КР) уравнению по явной четырехточечной схеме с использованием центральных разностей. В центральных частях расчетных областей, на внешних границах и линиях раздела сред (бетон-основание, бетон-бетон, бетон-опалубка-среда) автором предлагается использовать КР уравнение (2), которое позволяет использовать не только нерегулярную сетку узлов, но и учитывать отличие коэффициентов температуропроводности (а) граничных областей.

2 Ах

Х.У.Т +Vi

Ах, + Дх2

(nXt <lxt Л

I »-ах|,ул а2^+дх,,у,т

Ах,

Vx,

2Дт

Ду, + Ду2 I - 2Дт ■

(nyt qyt

al Lx,y-Äy,,t 2 Х,у+Лу),-г

АУ,

Ду2

f а2 ■ Ах, + aj1 ■ Дх2 л

(Ах, + Дх2) • Ах, ■ Дх

-2Ат •

! ау2 - Ду, + af • Ду2 л (Ду, + Ду2)-Ду, -Ду2

2 У

(2)

V

/

где дх,, Дх2, Лу1, Дуг, - расстояния между узлами конечно-разностной сетки; I х.у.-1+лт. ^ х-дх1 ,у,т» I х+дх2,у,т! I Х,у-Ду1.1, 1 Х.у+Лу2д - температуры в узлах конечно-разностной сетки на моменты времени т+Лт и т; а*, аг", а/ , а2У- коэффициенты температуропроводности материала в направлении осей х и у для двух граничных областей 1 и 2.

При взаимном равенстве а/ , а2х, а/ , агу выражение 2 переходит в известное конечно-разностное выражение Чилингаришвили Г.И. для решения задач теплопроводности методом сеток, позволяющее также аппроксимировать граничные условия 3 рода. Сходимость задачи обеспечивается, если вы-

ражение стоящее перед t

х.уд+Дт

, больше 0.

Тепловыделение бетона учитывалось по методике, предложенной Запорожцем И.Д., Окороковым С.Д. и Парийским A.A., в которой в качестве основного уравнения тепловыделения бетона используется выражение:

Q = Qn

1-

1 +А

V

20 ' |

0

■0.833

v20

У

(3)

где Qmax - максимальное количество тепла, выделяющегося при полном освоении запаса активной воды; А2о - коэффициент темпа роста тепловыделения при постоянной во времени температуре твердения +20 °С; кго- константа скорости реакции гидратации при постоянном давлении и постоянной температуре +20°С.

В соответствии с приведенными выше зависимостями применительно к ПЭВМ типа IBM была разработана прикладная программа для определения плоских температурных полей в твердеющих бетонных массивах.

Программа позволяет выполнять расчет температурных полей в наращиваемых бетонных массивах сложной конфигурации. В ней имеется возможность:

• использовать в расчетных областях нерегулярную сетку узлов;

• задавать температуры окружающей среды в виде фиксированных значений для нескольких видов их изменений (наружный воздух, шатер и т.д.);

• изменять в течение расчетного интервала по времени граничные условия и теплофизические характеристики рассматриваемых сред;

• учитывать послойную укладку бетона;

• использовать при формировании расчетной схемы симметричность исследуемой области;

• учитывать при расчете температурных полей трубное охлаждение;

• выдавать на любом шаге вычислений данные о температурном режиме;

• определять максимальную разницу температур и время их наблюдений между различными точками расчетной области;

• выполнять проверку корректности задания исходных данных и сходимости расчетного алгоритма;

• выдавать рекомендуемые значения параметров расчета при нарушении условий сходимости задачи;

• формировать файлы исходных данных к программе расчета термонапряженного состояния исследуемой области и к вспомогательным программам отображения результатов работы в виде графиков и температурных изолиний.

Апробация программы выполнялась путем сравнения расчетных температур в твердеющих бетонных массивах с натурными данными. Такой сравнительный анализ проводился в частности для бетонных массивов основных сооружений результатов Вилюйской ГЭС-3 и Богучанской ГЭС. Расхождение после приведения граничных и начальных условий твердения, теппофизических характеристик бетона и основания к значениям, близким к соответствующим натурным характеристикам, не превышало 5% в контролируемых с применением КИА точках.

Определение напряженно-деформированного состояния.

При определении н.д.с. прискальных блоков использовался программный пакет «COSMOS/M», позволяющий решать задачи теории упругости методом конечных элементов в плоской и объемной постановке, а также учитывать в расчетных исследования анизотропность деформационных свойств среды и ее геометрическую нелинейность.

По методике, предложенной Васильевым П.И., используемые в расчетах н.д.с. модули деформации бетона определялись исходя из расчетных значений температуры бетона.

Определение напряжений с учетом ползучести бетона выполнялось путем приближенного решения известного интегрального уравнения теории упруго-ползучего тела.

1

a(t) = a(t) + E(t)Ja'(T).A

Е(х)

+ C(t,x)

dx; (4)

где а*(1) - напряжения с учетом ползучести в момент времени 1 ; с(0 -упруго-мгновенное напряжение; ЕЩ - модуль упругости бетона в момент вре-

мени t; C(t,x) - мера ползучести бетона в момент времени t от единичного напряжения в момент времени т;

1 + (Yt t,j _ §Л- ту - полная деформация в момент t от еди-Е(т) V ' / V > /> ничного напряжения, приложенного в возрасте т.

В алгоритме учета ползучести используется приближенное решение выражения (4) в форме ряда, предложенного Швецовым A.B. при начальном условии cr*(to)= a(t0); t0 - начальный момент времени.

ст

*(t„) = °'(t„-i) + ' {^PHB(tn) - a*(t„) " 5(tn,t0) -

-•••-[a'(tn.2)].5(tn,ç);:; }; (5)

ô(t £,)'" " сРеДнее значение функции 5(tn,t) в интервале изменения 11 ' переменной т от t„-i до tn ;

. . (1 + u) • <7 + Ц • fo: + О : )

grpM(tn) = - ' 1 —(6)

t

где Ci,<Tj - упруго-мгновенные напряжения по двум взаимно-перпендикулярным осям (i,j) в момент времени tn ( плоское напряженное состояние).

Полные удельные деформации бетона определяются по зависимости, предложенной Александровым C.B.

1

; (7)

Аппроксимация кривых ползучести бетона, позволяющая получить параметры, входящие в (7), выполнена Идельсоном В.Б. применительно к задачам определения напряжений в бетонных массивах по результатам тензомет-рических наблюдений. Указанный алгоритм использовался автором диссертации для учета ползучести бетона при определении напряжений в прискальных бетонных массивах.

В третьей главе на основе расчетных исследований выполнена оценка влияния рельефа поверхности скального основания на термонапряженное состояние возведенного на этом основании блока.

В качестве основных расчетных вариантов рассматривались наиболее часто встречающиеся в практике плотиностроения схемы сопряжения бетонных и скальных массивов на русловых и береговых участках врезки сооружения в основание.

Для русловых прискальных блоков принимались три основные схемы контакта:

• отдельные скальные выступы в основании блока, имеющие близкую к треугольнику форму сечения (рис.1.а);

• ступенчатая форма контакта, при которой основание имеет скальные выступы прямоугольной или трапецеидальной формы (рис. 1.6);

• поверхность сопряжения представляет собой две горизонтальные плоскости на разных отметках (рис.1.в).

Для берегового участка рассматривался бетонный массив, примыкающий к скальному откосу (рис.2).

Термонапряженное состояние прискального бетонного массива зависит от очень большого количества параметров, которые определяют широкий спектр расчетных схем, начальных и граничных условий для проведения расчетных исследований. Целью диссертации являлось не исследование влияния всех параметров на термонапряженное состояние прискального блока, а рассмотрение специфики этого состояния при сложном рельефе скального массива в основании блока. В связи с этим, для всех основных схем сопряжения варьировались только высота скальных выступов и ступеней, их количество и положение относительно боковых граней блока (русловые блоки), угол наклона скального откоса (береговые блоки) и деформационные характеристики основания. Остальные расчетные параметры принимались неизменными и соответствующими параметрам, часто встречающимся в практике возведения в условиях сурового климата бетонных плотин.

Каждый вариант рассчитывался с учетом изменения во времени деформационных характеристик твердеющего во времени бетонного блока на приращения температур в бетоне.

По большинству расчетных вариантов в качестве основных неизменяемых параметров расчета принимались: В=14м, Н=3м - геометрические размеры блока; Ц = 250 кг/м 3 - расход цемента; Ч мах = 90 ккал/кгчас - максимальное удельное тепловыделение цемента; (Зоп=0.6 ккал/м2час°С - коэффициент теплопередачи зимней опалубки. Тб.см=8°С - температура бетонной смеси. Диапазон изменений модуля деформации основания - от 1Ю4МПа до 3.3-10 4 МПа. Температура наружного воздуха принималась для климатических условий строительства Усть-Среднеканской и Саяно-Шушенской ГЭС. Начало бетонирования - 1.03.

Результаты выполненных расчетных исследований для каждой расчетной схемы приведены в диссертационной работе в виде плоских полей температур и напряжений и их распределений по сечениям в графическом виде, а также в табличной форме в виде напряжений в характерных точках сечений блока.

Отдельные, близкие к треугольной форме скальные выступы в основании блока приводят к изменению ( равномерного при плоском сопряжении) характера температур в бетоне в области, граничащей с выступом (рис.3). Степень влияния выступа на температурный режим зависит прежде всего от глубины внедрения скального массива в бетонный блок и расположения выступа относительно его граней. Изменения в температурном поле можно считать существенными, если скальный выступ отстоит от боковой грани блока на расстоянии не менее 1/5В и его высота превышает 1МН.

Отличие термонапряженного состояния блока на скальном основании с отдельными выступами от блока с плоским сопряжением тем больше, чем ближе к срединному сечению блока располагаются выступы; чем больше их относительная высота и протяженность в плане. Наличие отдельных скальных выступов треугольной и близкой к ней формы, расположенных в средней части контакта блока и основания, приводит к развитию на поверхности остывающего бетонного блока дополнительных растягивающих усилий. & ■

X

А

1 Бетонный блок ^выс / \ V Ч \ ] щ

ч Скальное основание Скальный выступ

Б)

Бетонный блок 14 ^ВЫС ► д

\ \ ^ВЫС

„ \ Скальный выступ Скальное основание ~ , ступенчатой формы

В)

X Бетонный блок Ьст

ЬсЛ Скальная ступень

Скальное основание

Рис. 1 Варианты сопряжения русловых прискальных блоков на скальном основании сложного рельефа

Рис.2 Схемы к определению термонапряженного состояния берегового прискального блока в плоской (А) и объемной постановке (Б)

-2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0

Рис.3 Температурный режим блока на скальном основании с выступом через 10 суток после окончания бетонирования (Ьвыс/Н=1/3)

В общем случае происходит снижение эффекта обжатия поверхностных слоев бетонного массива после его остывания, а при высоте выступа больше чем Н/3, при принятых исходных параметрах расчета, в поверхностных слоях бетона развиваются растягивающие напряжения (рис.4). При плоском контакте для аналогичного блока соответствующие расчетные напряжения в бетоне у верхней грани сжимающие и достигают -0.8МПа.

1 ] с<

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

Рис. 4 Напряженное состояние (стх,МПа) бетонного блока на скальном основании с выступом. ( Е0=3.3- 10^ МПа, Ивыс/Н =1/3) после выравнивания температур в бетоне и основании до 4°С. Одноярусная схема бетонирования.

По результатам регрессионного анализа установлено, что напряжения в бетоне на поверхности блока по оси скального выступа для принятых начальных и граничных условий с высокой точностью описываются выражением вида:

ах - -1.026 • Х^ - 1.4 • + 10.4Х + 0.2147 • Х2 + 0.555;

где, Х-|,Х2- отношение высоты выступа к общей высоте блока (1твыс/Н) и отношение модуля деформации бетона к модулю деформации основания (Е/В0);

Если поверхность скального массива в основании блока представляет собой несколько ( в расчетных исследованиях - две) близких к горизонтальным плоскостей, расположенных на разных отметках, то температурное поле в блоке имеет асимметричный, относительно середины блока, характер. Наличие асимметричности в распределении температур в бетоне приводит к разной степени защемления в скальное основание отдельных частей блока.

Максимальные растягивающие напряжения в остывшем прискальном блоке при ступенчатой форме сопряжения (рис.5) больше, чем соответствующие напряжения в блоке на скальном основании с выступами (рис.4).

Ь.

0.0 . 2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0 14.0

Рис. 5 Напряженное состояние (ах,МПа) остывшего бетонного блока на скальном основании ступенчатой формы ( Е0=3.3- 10 4 МПа, Ьст /Н =1/3). Одноярусная схема бетонирования

Наиболее неблагоприятной формой сопряжения блока и основания на русловых участках плотин является случай расположения в средней части контакта скальных выступов прямоугольной или трапецеидальной (ступенчатой) формы. Если высота выступа превышает 1/5 -1/6 высоты блока, то следует изменять схему бетонирования массива, поскольку развивающиеся над выступом при остывании блока растягивающие напряжения значительно превышают расчетные сопротивления бетона. Появление высоких растягивающих усилий в поверхностных слоях бетона на этапе остывания блока ведет к необходимости сокращения сроков перекрытия его вышерасположенными массивами даже при соответствующем утеплении горизонтальной поверхности бетонного массива. Ограничения в строительный период температурных перепадов ядро-основание при ступенчатой форме сопряжения должны назначаться с учетом температуры скального массива внутри выступа и с учетом изменения высоты части блока, контактирующей с поверхностью основания, расположенной на более высокой отметке.

В качестве характерных особенностей термонапряженного состояния бетонных массивов, примыкающих к скальным откосам, следует рассматривать:

• возможность промерзания блока в области бетонного клина, сопрягающегося с пологим скальным откосом, до набора бетоном необходимой прочности;

• трещинообразование в бетонном клине, сопрягающемся с пологим скальным откосом;

• защемление бетонных массивов в скальный откос;

• возможность раскрытия контакта между скалой и бетонным клином или получения дополнительного обжатия блока в направлении, перпендикулярном откосу после выравнивания температур в бетоне и скальном массиве.

Влияние скального откоса на термонапряженное состояние примыкающего к нему бетонного массива, в общем случае, зависит от:

• соотношения деформационных характеристик бетона и скального массива;

• крутизны склона;

• размеров блока и ориентации его длинной стороны относительно линии склона;

• наличия в скальном откосе трещин откола.

Защемление блока в скальный откос, как показали расчеты н.д.с. в объемной постановке, существенным образом влияет на напряжения в бетоне в направлении линии откоса. Зависимости максимальных расчетных напряжений (аг) в остывшем блоке от угла откоса (а) и длины массива (Ц вдоль склона, которые определяют площадь контакта боковой поверхности блока со скальным откосом, имеют практически линейный характер (рис.6.а,б).

21-

12

Длина блока, м

Рис.6 Зависимости (а) и ст^^Ь) (б).( Нбл=3м, Вбл=6м;

1- Ео=1.0- 10 4 МПа; 2 - Ео=2.0- 10 4 МПа; 3 - Е0=3.3- 10 4 МПа,

Летний разогрев длительно-неперекрываемых прискальных блоков на основании с отдельными скальными выступами может приводить к развитию внутри блока растягивающих напряжений, существенно превышающих соответствующие напряжения при плоской схеме сопряжения. Рост растяжения внутри блока развивается после снятия зимнего утепления с его горизонтальной поверхности.

На рис.7 приведены приращения напряжений в прискальном блоке по сечению, совпадающему с осью скального выступа, для разных моментов времени после снятия утепления (30 июня) с горизонтальной поверхности непосредственно перед наступлением максимальных положительных температур наружного воздуха. Суммирование приращений напряжений в центральной зоне блока от летнего разогрева с «замороженными» внутри него растягивающими напряжениями, обусловленными остыванием бетона после экзотермического разогрева, дает основание говорить о высокой вероятности возникновения внутренней трещины в бетонном массиве.

Влияние летнего разогрева на развитие растяжения во внутренних слоях бетона тем существеннее, чем выше температура наружного воздуха и ин-

УЗ

тенсивность ее повышения во времени, а также чем больше соотношение ЬВыс/Н и деформационные свойства основания. Отсутствие жесткого контакта между гранями блока и скального выступа или трещиноватость выступа являются существенными причинами развития значительных растягивающих напряжений внутри бетонного прискапьного блока при его летнем разогреве.

Рис.7 Приращения напряжений (ох) в прискальном блоке с центральным выступом скального основания от летнего разогрева (Е0=1.0-10 4 МПа)

Для каждой схемы сопряжения были проведены расчетные исследования по обоснованию технологии возведения блока с целью снижения негативного влияния рельефа скального основания на напряженное состояние в бетоне. В качестве мероприятий рассматривались: схемы поярусного возведения блоков с изменением высоты и сроков перекрытия каждого яруса; увеличение высоты блока при непрерывном бетонировании; дополнительный отогрев скального основания под шатром в зимний период; изменение условий теплообмена со средой на горизонтальной поверхности блока.

В четвертой главе основные результаты диссертационной работы обобщены в виде предложений к технологическим правилам на производство бетонных работ при возведении в условиях сурового климата бетонных сооружений на скальных основаниях.

Предложения определяют дополнительные условия производства бетонных работ в части возведения прискальных бетонных массивов на основаниях сложного рельефа с целью предотвращения в них температурного тре-щинообразования. Предложения относятся в основном к прискальным бетонным блокам, возводимым в зимний период, для которых по производственным или иным причинам ожидается длительный перерыв в укладке вышерасположенных бетонных массивов, и у которых габаритные размеры в плане более чем в два раза превышают высоту. Требования предложений сформулированы для каждого характерного вида сопряжения блока и скального основания. Приводятся рекомендуемые схемы оснащения блоков на скальном основании сложного рельефа контрольно-измерительной аппаратурой для проведения соответствующих натурных исследований, позволяющих отрабатывать технологию бетонирования таких блоков в условиях строительной площадки.

Предложения целесообразно использовать после разработки технологических правил на производство бетонных работ, учитывающих весь комплекс производственных, технологических, климатических, геологических и других условий, определяющих термонапряженное состояние бетонных массивов для

обычной плоской схемы их сопряжения с основанием (бетонным или скальным).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана необходимость учета рельефа скальных массивов в основании бетонных прискальных блоков при решении проблем температурного трещинообразования в контактной зоне бетонных сооружений, возводимых в северной строительной климатической зоне.

2. Определены особенности термонапряженного состояния бетонных блоков для наиболее распространенных форм их сопряжения со скальными основаниями при изменяющихся характеристиках деформируемости скальных пород, размерах бетонных блоков, геометрических характеристиках контакта "бетон-скала".

3. Предложена классификация форм контакта «блок -скальное основание», к которым можно свести большинство существующих вариантов сопряжения бетонных массивов со скальным основанием.

4. Установлено, что в большинстве случаев рельеф скального основания приводит к возникновению в остывающих бетонных массивах дополнительных растягивающих напряжений, которые могут являться причиной трещинообразования в бетоне.

5. Влияние рельефа скального основания на напряженное состояние блока заключается прежде всего:

• в изменении распределения температур по сечениям блока;

• в изменении формы контакта «блок-скальное основание»;

• в образовании в блоке сечений переменной площади;

• в образовании, при определенных формах рельефа скального основания, концентраторов напряжений в бетоне за счет изломов поверхности сопряжения блока и скального массива.

6. Установлено, что летний разогрев длительно-неперекрываемого пристального блока на основании сложного рельефа может существенным образом изменять его н.д.с. и приводить при определенных условиях к развитию в центральных слоях бетона дополнительных растягивающих напряжений, которые могут стать причиной образования трещин внутри блока.

7. Разработаны предложения к технологическим правилам на производство бетонных работ при возведения в условиях сурового климата бетонных массивов на скальных основаниях сложного рельефа.

8. Разработан комплекс прикладного программного обеспечения (с использованием в качестве составной части программного пакета "COSMOS/M", который позволяет выполнять расчетные исследования термонапряженного состояния твердеющих прискальных бетонных массивов сложной конфигурации и учитывать: изменение в процессе твердения граничных условий; поярус-ные и послойные схемы возведения; зависимость модуля деформации от температуры; ползучесть бетона.

9. Результаты диссертационной работы использовались при составлении проекта Усть-Среднеканской ГЭС, на строительстве Богучанской ГЭС, Ви-люйской ГЭС-Ш. Они могут быть использованы при возведении в условиях сурового климата массивных бетонных сооружений на скальных основаниях на этапах подготовки проектов, составления технологических правил на производство бетонных работ, разработки и осуществления программ натурных наблюдений с учетом конкретных климатических, геологических, производственных и иных условий возведения сооружений.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Соколов И.Б., Бондаренко А.Г., Уляшинский В.А. О допустимом уровне трещинообразования в блоках бетонирования плотин// Гидротехническое строительство, 1992,N12,0.30-32

2. Бондаренко А.Г., Старшинов С.Н. Тепловая защита грунтового основания на строительстве Вилюйской ГЭС -3//Гидротехническое строительство, N10,1996,0.28-33

3. Старшинов С.Н., Сильницкий В.И., Маркин Л.И., Бондаренко А.Г., Уляшинский В.А. Опыт бетонирования контактной зоны плотины и ее напряженно-деформированное состояние на начальном этапе возведения сооружения. // Известия ВНИИГ, т.232, часть 2,1996,с.445-455

4. Соколов И.Б., Бондаренко А.Г. Термонапряженное состояние бетонного блока на скальном основании сложного рельефа. Сборник СПбГТУ. 1997 (в печати).

Лицензия ЛР №020593 от 7.08.97.

Подписано к печати /ДУ/ Печ. л. 0. Тираж/00 Заказ № ¿¡ЗД

Отпечатало в Издательстве СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул, д. 29