автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Влияние фильтрационных воздействий на работу железобетонных обделок гидротехнических туннелей

' £ фд на пРавах рукописи

АЛЬ-бИТАР ШАУКИ

ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОЗДЕСТВИЙ НА РАбОТУ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОбДЕЛОК ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ

спецнальтюсть:05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САННТ-ПЕТЕРбУРГ-1994

на правах рукописи

АЛЬ-бИТАР ШАУКИ

ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОЗДЕСТВИЙ НА РАбОТУ ЖЕЛЕЗОбЕТОННЫХ ОбДЕЛОК ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ

специальность:05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРбУРГ-1994

<

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций и материалов Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор И.Б.СОКОЛОВ

Научный консультант: кандидат технических наук

• доцент В.А.ЛОГУНОВА

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор А.А.ХРАПК01 кандидат технических наук, доцент А.П.КРУТОВ

Ведущая организация : , АО Ленгидропроект

Защита диссертации состоитсяНвбГя'ърЯ 1994 г. в /6 ° часов на заседании специализированного совета Д 063.38.19 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая 29, СПбГТУ, гидротехни ческий корпус, ауд. У// .

С диссертацией можно познакомиться в фундаментальной библиотек СПбГТУ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью просим направлять на имя ученого секретаря специализированног совета по указанному выше адресу.

Автореферат разослан г

1 Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук В,И.МОРОЗОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на успешное строительство и <сплуатацию целого ряда крупных гидротехнических туннелей за |Гбежом и в странах СНГ, известные достижения в части научного ^основания проектных решений по'снижению давления подземных вод а обделки гидротехнических туннелей с помощью противофильтра-юнных устройств, вопросы совместной работы обделки напорного /ннеля со скальным массивом в различных условиях эксплуатации нраОотаны еще недостаточно; не учитывается влияние поверхност-IX и объемных фильтрационных сил,возникающих при движении воды, 1 напряженно-деформированное состояние обделки гидротехни-гского туннеля; не учитывается также влияние изменения >допроницаемости бетона в зависимости от напряженного состояния > объемные фильтрационные силы; рассмотрен также важный вопрос влиянии неравномерности толщины обделки на НДС обделки туннеля учетом фильтрационных воздействий.

Цель работы "заключается в обосновании величины поверхност-IX и объемных фильтрационных сил на напряженно-деформированное »стояние обделок туннелей, которое, в свою очередь, зависит от :ловий совместной работы железобетона обделки с окружающим сальным массивом. На основе экспериментальных и ючетно-теоретических исследований необходимо разработать ¡комендации и нормативные требования, направленные на уточнение чествующих методов расчетов главных напряжений в обделках торных и безнапорных туннелей при фильтрационных воздействиях.

Научная новизна. Проведены экспериментальные исследования ¡вига между железобетоном обделки и скалой при различных :ловиях сцепления. Впервые выполнены расчетно-теоретические ¡следования напряженно-деформированного состояния железобетон-1Й обделки при различных коэффициентах фильтрации и эффективно противодавления вода в бетоне и скальном массиве, сработаны предложения по расчету обделок туннелей с учетом ¡зных значений коэффициента эффективного противодавления в тоне и скале в зависимости от степени напорного водонасыщения. лучено общее выражение для определения главных напряжений в делке туннеля от давления вода при различных условиях его боты с учетом трещинообразования в бетоне.

Практическое значение работы заключается в том, что даны ' нкретные рекомендации по проектированию гидротехнических

туннелей и предложения к совершенствованию СНиП 2.06.09-"Туннели гидротехнические";

- разработаны предложения по учету фильтрационм воздействий в расчетах прочности и трещинообраэования обдел' напорных и безнапорных туннелей;

-даны рекомендации по определению напряжен» деформированного состояния обделок туннелей при уче1 совместной работы обделки с прилегающим скальным массивом.

Внедрение результатов работы. Результаты выполнен« расчетно-теоретических исследований были использованы ; Ленгидропроектом для обоснования проекта обделки тунне. Ирганайской ГЭС, в том числе для случаев неравномерной толщш обделки; при этом в развитии СНиП 2.06.09-84 учитывались 1 только поверхностные, но и объемные фильтрационные силы.

Степень обоснованности полученных результатов. Достове| ность и обоснованность научных положений и выводов обеспечива< тся использованием в опытах прессового оборудования и приборо! прошедших госпроверку, а результаты опытов показывают удовлеч верительную сходимость с расчетами. Численные исследования пс называют сходимость с решениями по действующим нормам.

Апробация работы. По материалам выполненной диссе{ тациошпй работы сделаны два доклада на "Всероссийскс совещании по предельным состояниям бетонных и железобетоннь конструкцш энергетических сооружений - ПРЕДСО-93", г Санкт-Петербург, октябрь 1993 г. Основные положени диссертационной работы докладывались так^е на семинарах кафедг Строительных конструкций и материалов СПбГТУ в 1993 и 94 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано де печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит и введения, четырехглав, заключения к списна литературы. Сбщи объем работы 213 страниц, 123 из них машинописного текста, 6 рисушпз, 15 таблиц, библиография из 142 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ . РА60ТН Во введении обоснована актуальность темы, сформулирован цель работы, ее научная новизна и практическое значение.

Б ВШШЙ главе рассмотрены основные конструкции подземны гидротехнических сооружений, а также важнейшие положени проектирования гидротехнических туннелей и мероприятий по

ив давления подземных, вод на обделки туннеля. В настоящее время ормами для расчета прочности обделки туннеля является СНиП .06.09-84 "Туннели гидротехнические". Эти нормы разработаны под уководством профессора,д.т.н. В.М.Мосткова;нормы классифицируют авление подземных вод на обделки туннеля как временную длитель-ую нагрузку и требуют расчета сечения обделок по предельным остояниям I и II групп.В этих нормах нет указаний.каким образом читывать силовое воздействие фильтрующей воды на обделку тунне-я и вместе с тем влияние коэффициента эффективной площади ротиводавления аг в бетоне и скале на распределение главных апряжений в обделке туннеля при совместной работе обделки уннеля со скальным массивом. Значение коэффициента <*а зависит е только от напряженного состояния бетона гидротехнических ооружений, но и от наличия трещин в бетоне. Изменению значения ■ в зависимости от напряженного состояния бетона конструкции освящены работы И.Б.Соколова.

В.Ф.Илюшиным, В.М.Насбергом и Д.Д.Сапегиныы разработаны |азные варианты обделок гидротехнических туннелей с использова-ием разных устройств снижения давления воды на обделки туннеля, ¡опросам построения и обоснования фильтрационных моделей,расчета ;роцесса формирования и прогнозирования эффективности противо-ильтрэциошшх и укрепительных мероприятий, фильтрации в одно-юдных основаниях посвящены работы Л.И.Малышева и В.Н.Ииленкова.

В первой главе проанализированы метода расчета обделок ццротехнических туннелей за рубежом и в .странах СНГ. Этим етодам посвящены работы Васильева И.М. Приведены основные ыводы и сформулированы задачи исследований, в состав которых ходят: необходимость максимального использования несущих войств вмещающего массива горных пород при совместной аботе обделки туннеля со скальный массивом; применение одопроницаемой обделки туннеля и вместе с тем необходимость чета давления воды в виде поверхностных и объемных сил, юзникаюших при фильтрации воды в расчетной области, что может рнвести к значительному снижению главных напряжений в обделке ! зависимости от коэффициента «2 в бетоне обделки и скале.

Во второй главе приведены данные выполненных нами кспериментальных исследований совместной работы железобетонной гщялки туннеля со скальным массивов

Из обзора литературы следует, что взаимодействию железобе-

тонных конструкций со скальным основанием посвящено достаточно небольшое количество работ. Исследований процессов трещинообра-зования в сдвигаемых по скальному грунту пригруженных железобетонных элементов нами в литературе не встречено.

При совместной работе железобетонных конструкций со скальным основанием бетон будет работать в условиях стесненного деформирования, что должно сказаться на более позднем образовании трещин, меньшей ширине их раскрытия, замедленном росте растягивающих напряжений .в арматуре по сравнению сс свободно работающим железобетонным элементом.

С этой целью автором были изготовлены и выполнены две серии экспериментальных исследований сдвига между железобетонно» обделкой напорного туннеля и окружающим скальным массивом с учетом различных значений сцепления и трения по контакту пp^ совместной работе растягиваемой до образования трещин обделт туннеля со скальным массивом.

Первая серия опытов. В начале изготавливались П-обраэны< железобетонные образцы, боковые части образцов сечением 200*20( мм и длиной 1000 мм имитировали обделку туннеля. Они был) изготовлены из бетона Ы300 и армированы одним стержнем арматур! 20 им периодического профиля класса А-Ш.

Средняя часть П-образного образца заполнялась гранитным! обломками по боковым поверхностям и заливалась цементно-песчаньп раствором;сцепление между бетонной и скальной частями было обеспечено как по всей площади,так и по 1/3 и 2/3 поверхности путе! включения промасленных картонных прокладок (образцы 1,2,3).

В процессе опыта измерялись деформации бетона и арматуры : сдвига бетона по скале. На каждой контактной поверхности были ш три точки измерения деформаций сдвига, всего по шесть точек I кавдой стороны фрагмента. Всего было установлено двенадцат приборов - индикаторов часового типа. Цена деления индикаторо 1-10"3 мм. Индикаторы закреплялись в специальных рамках.

Деформации арматуры измерялись с помощью тензодатчико проволочного типа с базой 20 мм. Они наклеивались на предвари тельно зачищенную арматуру. Во зремя испытания фрагменте текзодатчики подключались к тензометрической станции ИДЦ-1, дп каждого фрегмеята было наклеено по четыре пары тензодатч.чков.

Длп измерений деформаций бетона использовались индикатор часового типа с ценой деления Ы0"э мм. Они закреплялись

держателях, наклеенных на предварительно зачищенную бетонную поверхность с помощью эпоксидного клея.

Схема загружения и размещения индикаторов на фрагменте образцов показана на рис. 1.

Вторая серия опытов. Опытный фрагмент состоит из двух железобетонных призм размерами 200x200x800 мм, между которыми располагаются изготовленные как и в первой серии два скальных образца размерами 200*200x200 мм. Бетонные призмы армированы двумя продольными стержнями арматуры 20 мн периодического профиля класса А-П1.

С целью изучения влияния сцепления между бетоном и скалой на сдвигающие характеристики по контактной поверхности были заданы разные площадки контакта: е первом фрагменте - по 1/2 площади, но участки сцепления бетона со скалой были равномерно распределены по контактной плоскости; во втором - по всей контактной площади; в третьем - по 1/2 площади, но сцепление отсутствовало в средней части контактной плоскости. В процессе проведения опытов измерялись деформации бетона, арматуры и сдвига бетона по скале по той же методике, как и для фрагментов первой серии.

Для измерения деформаций сдвига между бетоном и скалой устанавливались щелемеры, всего было установлено в щелемеров на опытном образце.

Схема загружения и размещения индикаторов на фрагменте образцов второй серии показана на рис. 1. Для испытания использовались специально сконструированные экспериментальные установки л стандартное прессовое оборудование.

Для фрагментов первой серии между траверсой и скальным образцом помещался гидравлический домкрат грузоподъемностью 100 Т. Домкрат одновременно создает растяжение в железобетонных призмах и сдвиг бетона по скале. Боковое обжатие железобетонных призм осуществлялось с помощью пресса.

Для фрагментов второй серии между двумя скальными образцами размещался домкрат грузоподъемностью 25Т,который создавал сдвигавшие усилия и одновременно растягивал арматуру в железобетон-нн«призмах. Для обжатия призм использовался пресс, усилие от которого передавалось на железобетонную призму через жесткую изтгллическую траверсу. Для исключения трения иеи'ду траверсой и прклмой устанавливались катки на боковую поверхность призмы.

В диссертации показано, что фрагменты первой серии

ЛНИИЛЛ!

1 §

А

.3

—>■ § «л

I §

Вотчим На орта па/ре.

2Ф20

■ - 1 1-_

' ъ ф Ч |ЧМ' II—:—1 —Г -Р—

и Ц © — Г ¿Г-25т г ¿А — ф ь г

' 4 Ф ч V-=-1 М; -ЧГТ И;

5

ЕШ.

Ш2

800

тел&кка пресса

Рис. 1 Схема загружения и размещения индикаторов на фрагменте образцов (а - первая серия, б - вторая серия; 1 -бетон, 2 - скала, 3 - верхняя траверса, 4 - стальная балка; М1 - чессуры измерений деф&риац»а сдвига между бетоном и скалой; М) - мессуры измерений деформации в бетоне)

эигружались с помощью пресса силой Р=6Т, а затем с помощью эмкрата растягивалась арматура в бетонных частях и производился эстепенный сдвиг бетона по скале. Разрушение образцов произошло ри N=11.251; 12.5Т; 12.5Т по трещинам в направлении, близком к ертикальному, в местах контактз бетона со скалой. Нарушение цепления между бетоном и скалой произошло при N=201.

В диссертации приведены графики деформаций сдвига по скале деформаций арматуры в зависимости от ' сдвигающей силы N для рагментов первой серии. На рис.2 приведено сравнение деформа-ий сдвига для фрагментов первой серии при разных величинах цепления между бетоном и скалой в одной точке измерения сдвига.

По результатам измерений деформаций арматуры были |пределены напряжения в арматуре и параметры сопротивления двига (сцепление и трение) по контактной площади; таким >бразом, сцепление и трекие получено для трех образцов, ^ответственно: С = 1.12; 0.797; 0.43 МПа, Г = 0.96; 1.078; 1.65.

При испытании образцов второй серии вначале обжимали бетон :илой Р, увеличивая ее ступенями, при достижении Р максимальной ?еличины к скальным образцам прикладывали сдвигающую силу N. (оторая также возрастала ступенями вплоть до момента сдвига по юнтанту "бетон-скала", эти силы равны N=7.27 - для первого образца, N=13.6Т - для второго образца, N=3.21 - для третьего образца. Разрушение сцепления л сдвиг бетона по скале при этих шлах произошли без разрушения бетонных элементов.

В диссертации приведены графики деформаций сдвига бетона по скале и деформаций арматуры в зависимости от сдвигающей силы К для фрагментов второй серии.

Сравнение результатов опытов показало, что чем больше площадь сцепления между бетоном и скалой, тем выше сдвигающая сила. Силы сцепления и трения получены для трех фрагментов, соответственно: -С = 0.6; 1.3; 0.0 МПа, ? = 0.4.

Результаты выполненных исследований показывают, что совместная работа обделки гидротехнического туннеля со скальным массивом оказывает большое влияние на напряженное состояние обделки. При испытании первой серии образцов сцепление и трение на контактной площади привело к повышению несущей способности сямой единой системы "обделка-скала" и более позднему образованию трещин в бетоне и меньшей величине их раскрытия. Напряженке

Рис. 2 -Сравнение деформаций сдвига для первое серии при разных величинах сцепления между Сетоном и скалой в одной точке измерения сдвига

арматуре при действующих усилиях также меньше по сравнению с |ботой железобетонной конструкции без взаимодействия со ольным массивом; на это указывают исследования второй серии.

Таким образом,результаты выполненных исследований показывают:

- при совместной работе железобетонной обделки со скальным »ссивом влияние последнего существенно сказывается на НДС зтона обделки, моменте образования и ширины раскрытия трещин, апряжениях в арматуре;

- НДС обделки туннеля зависят от величины площади контакта в истеме "железобетон-скала";

- при расчетах фильтрационных воздействий на железобетонную йделку необходимо учитывать взаимовлияние НДС обделки туннеля

фильтрационных сил в системе обделки туннеля - скальный массив.

Третья глава посвящена расчетно-теоретическим исследованиям лнянин фильтрационных воздействий на НДС обделки идротехнического туннеля.

Одной из важнейших особенностей проектирования бетонных и елезобетонных конструкций гидротехнических Туннелей является еобходиыость учета давления воды, действующего как по наружным раням сооружения и его контакту с массивом, так и по юверхности пор и трещин в бетоне. Давление воды вызывает вменение напряженного и деформированного состояния материала 'ицросооружений, в том числе напорного гидротехнического •уннеля, находящегося постоянно под значительным давлением воды внутреннее давление воды в туннеле и давление подземных вод).

В соответствии с действующими нормативными документами при мечете давления подземных вод на гидротехнические туннели Сделка их принимается водонепроницаемой (а =0), а давление зоды - приложенным к внешнему контуру обделки' непосредственно штенсивностью Р=гм-Н^, где удельный вес воды, т/м3; Н^-мпор подземных вод, м. В расчете не учитываются значения коэффициента эффективной площади противодавления <*2 в бетоне обделки ¡1 окружающем скальном массиве. Однако, грунтовые воды действуют и значительном объеме грунта, поэтому традиционная схема расчета нуждается в уточнении. Необходимость учета фильтрационных воздействий при расчете прочности обделки бэзнапорного туннеля остается основной при оценке НДС обделки напорного туннеля под ,гн>йетвтем внутреннего давления воды. По нормам проектировании оПдлвдл напорного туннеля принимается водонепроницаемой

(а =0); и внутреннее давление воды - приложенным к внутр*нн£м;

2 , d

контуру обделки непосредственно интенсивностью Р=»м-Н , где Н(-внутренний напор воды.

Чтобы оценить необходимость указанных требований npi расчете прочности и трещикообразовании обделок напорных i безнапорных туннелей, были проведены расчетные исследования НДС обделки туннеля Ирганайской ГЭС для двух случаев:

1. При условии действия фильтрующейся воды в виде давления поверхностных сил на наружную грань обделки при давление подземных вод и на внутреннюю грань обделки при внутренне!, давлении воды.

2. При условии действия и поверхностных и объемных си/ фильтрации с учетом коэффициента <*г в бетоне и скале.

Расчеты выполнялись методом конечных элементов пс программам MFEPL - расчет НДС обделки туннеля при действии поверхностных сил и MFESP2 - расчет НДС обделки туннеля при учете фильтрационных воздействий. Программы разработаны вс ВНИИГе Ефимовым Ю.Н. Расчеты выполнялись на ЭВМ ЕС-1066.

Рассматривалась плоская задача (плоская деформация) е упругой постановке, принималось для упрощения, что скала изотропна и однородна вдоль окружности туннеля, действие напоров равномерно на внешнем контуре обделки (при давлении подземных вод) и на внутреннем контуре (при внутреннем давлении воды), поэтому в качестве расчетной области рассматривалась 1/4 часть поперечного сечения туннеля. Разбивочная сетка для расчетов приведена на рис. 3. Физико-механические характеристики бетона п скалы были рассмотрены для Ирганайского туннеля. Расчеты показали, что влияние собственного веса бетона и скалы является пренебрежимо малым по сравнению с другими воздействиями, поэтому в последующих расчетах его не учитывали.

Расчеты проводились для водонепроницаемой обделки (аг =0) напорного и безнапорного туннеля без учета фильтрационных воздействий и для водопроницаемой нетрещиностоикой (аг д=1) и трещиностойкой (0< < 1) обделки напорного и безнапорного

туннеля с учетом фильтрационных воздействий (объемных и поверхностных сил).

Классы бетона водонепроницаемой обделки принимались трех разных видов для сравнения: В15, В25, В35; класс бетона водопроницаемой обделки принимался В2.5.

Рио. 3

Схема ряочетной сетки

Для нетрещиностойной обделки туннеля коэффициенты аффоктинной площади противодавления в бетоне и скале приняты равными <*а 1, аг г- 0.15; 0.5; 0.75; 1. Соотношение коэффициентов фильтрации бетона обделки и окружающего скального массига (нарушенный и сохранный) принималось равным: КФ КФ СК. НАР : КФ СК.СОХ = Ю00:200:100. Напор подземных вод Н^ "100 м, внутренний напор воды Н(=100 м.

Даплпние води учитывается в виде:

- поверхностных сил, приложенных к внешнему контуру расчетной области скалы при давлении подземных вод (туннель опорожнен) и внешнему контуру обделки при внутреннем давлении поды, интенсивностью Р' (1-ос2 г), где Р' - гидростатическое дпплпнип поды, рапное Р'-г^Н^ - при давлении подземных вод и 1" -г1)111 - при внутреннем давлении воды, ти - удельный вес воды;

- объпмныд фильтрационных сил в скале интенсивностью П --1 •<* ,гдо I -градиент гидродинамического давления в скале,

( Р Л , Г |>

и, - коэффициент эффективной площади противодавления в скале.

Для трещиностойкой оОделки туннеля коэффициенты <*г п бетоне и скале приняты равными аг 0.15; 0.5; 0.75, аг = 0.15; 0 1); 0.75; 1. Соотношение коэффициентов фильтрации принималось равным Кф б: Кф ^ НДр : Кф сох= 1:200:100.

При данлешш подземных вод давление воды учитывается в виде:

- поверхностных сил, приложенных радиально к внешнему контуру скалы и обделки, интенсивностью, соответственно: Г (1а .), Р'(<*., ,-а ), где Р' - гидростатическое давление

1 «« I 2 я • < 2 ^ О ]

подземных вод, равной . Р^ - гидростатическое давление

на внешнем контуре обделки, равное - остаточный

напор подземных вод на внешнем контуре обделки;

- объемных фильтрационных сил в^ска^е и обделке интенсивностью, соответственно: •« : о I • <« где I - гра-

Г р 2 ) г <1 |> 2 . а р

диопт гицродинамического давления имеет разные значения в скале и бетоне в зависимости от коэффициента Кф.

При внутреннем давлении поды давление воды учитывается в виде:

- поверхностных сил, приложенных радиально к внутреннему и внешнему контуру обделки, интенсивностью, соответственно: I1'(1~«„ Р1(а. „-<*.. .). где Р] - гидростатическое давление

1 >д«(1 «с л « а 3 » Г 1

поды иы внучренном контуре обделки, равное Г*=1гмН1, Р^ - гидро-стчгичгсиое давление воды на контакте (обделка-скала), равное р;-г„Н;. II| • остаточный напор воды на контакт« (обделка-скала V,

-13- объемных фильтрационных сил в дбдедке и снале, интенсивностью, соответственно: q -а ; q =-I -а

<1 р 2, (I Г Р 2 , f

Градиенты гидродинамического давления в скале и бетоне ршшьт.

Четвертая глава посвящена оценке НДС туннеля Иргшшйской ГЭС. Сравнение результатов исследований с расчетами но действующим нормам. На рис. 4 приведены значшшя гланных тангенциальных и радиальных а напряжений нетрещиностойкой

О Г

обделки напорного и безнапорного туннеля в зависимости от а

2 г 1

Результаты расчетов показывают, что для нетрещиностойкой обделки туннеля с увеличением коэффициента от 0.1.г> до 1

максимальные тангенциальные и радиальные сжимающие напряжения возрастают почти в 6.5 раз при давлении подземных вод; а при внутреннем давлении воды в туннеле максимальные тангенциальны!) растянивающие и радиальные сжимающие напряжения уменьшаются, соответственно, в 2.3 и 1.6 раза.

По результатам расчетов главные напряжения нетрещиностойкой обделки определяются по формулам:

- при давлении воды снаружи

<r"Vp.-l .054-е : (г*'"/р-~0.566 -а ; «гя"/р-'-0.102-«. :

v 2 , Г & 7 f Г Г d t I

- при внутреннем давлении воды в туннеле

fr"Vp=2. 64-1.6•« ; <г5,в/р»1.225-0.6Л-ая

„»•«/р^О.225-0.334.« г ' а,г

На рис 5 и 6 приведены графики тангенциальных и радиальных

напряжений трещшюстойкой обделки напорного и беяпансрмого

туннеля в зависимости от о и « «г1?

г, d a, /

Для трещиностойкой обделки туннеля максимальные тпнгомци-альние сжимающие <т**к и радиальные растягигавтио напряжения гг""1" возрастают, соответственно, в среднем в 7 и 2 раза с увеличением аг f от 0.15 до 1 при аг const,о-***, возрастают в 3.7 рпз с увеличением аз л от 0.15'до 0.75 при а2 f»0.15 ив 2 раза при «, Г*1 при давлении подземных вод; при внутреннем даялоиии коды в туннеле <х***(с'»'им;т«ие) уменьшаются в 3,4 par»» с увяличеииед « , от 0,1Ь до 0.75 и не зависят от значении « .

7.. « г, f

ГЬ речультатем расчетов главны« нчпргакения гр<Ч1Ииостойкм1 обделки туннеля опрндмяютсч по формуем, ,

- при дайяеяии кода снаружи

«r*"Vp-O,0ti-«4 -'¿.Ш'«, ,; oI'Vp.O.Ш-u. -i-Ki-ft. ■

W * i Ч в f I ТУ (t ( U i ( f

c"Vp*0. I'M-« +0.4J6'«, : При ИНутр(!5«|(!М ДЯНЛ'ЯПШ гкда

(й - при дявлэшга подзчмных вод; б - при внутреннем

ДППЛ91ШИ чолн)

бв /

АЧ

1.1 2.0

1В &

(и $

*

14 а 1,0 0.8 О, б

О.ч о,г\

а

(О-11-

№

§ 2.0 Ч «

^ НА 16

6*/Р

-г } :■

95-

—I—

<375 —(—

£

1 %

с/г,о

<и а

пь

I

=>!

«о

Рис. 5

Сравнение максимальных тангенциальных напряже ^ ний трешиностойнсй оселки туннеля: 1) «-

2)

-О 75; 31 «,

=0,5. А) а

туннеля: г

15;

я

стойкой обделки туннеля при давлении подземках вод

растяпгеэ.даиа) и внутреннем давлении вода

(о"ях схимаощие) 1*

<т"х/р=2.316+0.263-а -0.155-а ;

в г г, л 2, г'

о-",п/р. 1.02+0.075-« -0.064-а ; <г",х/р=« -1.

9 2, а г, г г 2, г

В диссертационной работе автором рассмотрено влиянне неравномерности толщины обделни на НДС с учетом фильтрационных сил с целью проверни прочности обделки туннеля при уменьшенной толщине в верхней полуокружности в связи с выпором основания в нижней части туннеля для части трассы Ирганайского туннеля, проходящего в тектонической зоне. При смещении центра на 10-30 см толщина обделки в верхней части уменьшается до 40-20 см. Бетон обделки классов В15 и В27.5.

В расчетах учитывалось фильтрационное поле в виде поверхностных и объемных сил и горное давление.

Расчеты производились для случая, когда туннель опорожнен, напор фильтрационных вод равен 100 м. Сжимающие напряжения достигают наибольшей величины в верхней части обделки (толщина обделки 20 см, смещение 30 см), класс бетона 827.5 при этом <г"а* =-5.6 МПа. При этом <т*** (сжимающие) для предельного состояния, определенные в соответствии с СНиП 2.06.01-66, не превышают:

V» „

» =г~МПа,

ьс п

и прочность обделки обеспечена.

В четвертой главе даны рекомендации и предложения к совершенствованию СНиП 2.06.09-В4 "Туннели гидротехнические". На основании результатов исследований, выполненных автором, предлагаются некоторые изменения и дополнения к существующим нормам со следующими положениями:

1. При расчетах прочности и трещиностойкости бетонных и железобетонных обделок гидротехнических туннелей необходимо силовое воздействие фильтрующейся воды учитывать в аидэ поверхностных сил, приложенных радиально к границе сред, с различии'!" величинами коэффициентов эффективной площади противодавления аг и объемных сил в расчетной области.

?, При давлении подземных вод силовое воздействие фильтрующейся воды учитывается в виде:

- поверхностных сил, приложенных радияльио к наружной грани расчетной области скалы ч обделки, интенсивность», соответственно, ,), ^"г Г~аз а^'

- объемных фильтрационных }сил в скалой ^бделке туннеля, равных, соответственно, q =~1 -а ; ч =-1 ■« . При

Г р1 Э» Г г! р«5 3, (1

трещипообразовашш в Сетоне значения Р^ и равны нулю.

3. При внутреннем давлении воды силовое воздействие фильтрующейся воды учитывают в виде:

- поверхностных сил, приложенных радиально и внутренней > наружной грани обделки, интенсивностью, соответственно,

- объемных фильтрационных с^л в^бетоне и скале, равных,

соответственно, ч^-Г •<* л а =-1 а При трещинооб-а р1 а,(1' рз з, г г-*

разовании в бетоне значения Р^ и равны нулю.

4. Значение коэффициента ав бетоне и .скале следует принимать: для песчаных и сильнотрещиноватых полускальнш грунтов и зон трещинообразования бетона равным аа=1.0; для скальных грунтов", а также в сжатой зоне бетона и скального основания - по результатам исследований с учето* водопроницаемости бетона и скального основания; до выполнения перечисленных исследований, а также при предварительны? расчетах допускается принимать аг=0.15; для зон растяжения бетона и скального массива «„=0.75.

5. При проектировании гидротехнического туннеля необходимо учитывать водопроницаемость бетона и окружающего скальногс массива; при этом необходимо также учитывать, что значения коэффициента фильтрации (Кф) бетона и 0скалы зависят от напряженного состояния материала. Значения напряжений могут меняться от Я до И

6. Коэффициент фильтрации железобетонной обделки гидротехнического туннеля зависит не только от напряженного состояния обделки, но и наличия трещин; значения Кф отличаются от нуля и изменяются в значительных пределах, как правило, Кф=0.01-1 м/сут.

7.В пункт 5.3 необходимо включить в качестве временной длительной нагрузки силы противодавления воды в обделках напорных и безнапорных туннелей (силы противодавления воды существенно влияют на распределение главных напряжений в обделке туннеля).

0. В пункте 6.13 расчет обделок туннелей следует выполнять с учетом взаимодействия их с грунтовым массивом, однако, нет указаний о влиянии сил сцепления и трения на несущую способность обделок. Расчеты обделок туннелей следует выполнять с учетом сил сиепления и трения на поверхности между бетоном и скалой.

9.В пункте 6.20 необходимо исключить учет набухания при

расчета бетонных и железобетонных обделок напорных туннелей и в

безнапорных туннелях учет при расчете на прочность (деформация

набухания приводит к увеличению сжимающих напряжений и можно не

учитывать влияние набухания на трещиностойкость и на раскрытие трещин),

10. Противодавление воды в швах бетонирования и в сечениях между швами бетонирования не учитывается при расчете обделок безнапорных туннелей, как указано в пункте 6.21, однако, силы противодавления воды в швах бетонирования должны учитываться при расчете обделок напорных туннелей,при зтои коэффициент эффективной площади противодавления в швах принимается равным а2 Л»1 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ

1. Совместная работа железобетонной обделки гидротехнического туннеля со скальным массивом оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние обделки. Сцепление на контактной площади приводит к повышению несущей способности единой системы "обделка-скала" и более позднему образованию трещин в бетоне и меньшей величине их раскрытия. Напряжение в арматуре при действующих усилиях также меньше по сравнению с работой железобетонной конструкции без взаимодействия со скальным массивом.

2. В расчетах прочности и трещинообразования бетонной обделки гидротехнических туннелей, объемные и поверхностные фильтрационные силы оказывают значительное влияние на НДС обделки. Эти силы вводятся в расчеты с коэффициентом эффективной площади противодавления «а в бетоне и скале, изменяющегося в пределах 0<а2я1, физически этот коэффициент характеризует степень заполнения пор и микротрещин водой под давлением.

3. Применение водонепроницаемой железобетонной обделки туннеля (оа л=0), что рекомендуется в Нормах проектирования гидротехнических туннелей приводит к увеличению глйьных напряжений в бетоне обделки. Поэтому при проектировании гидротехнического туннеля необходимо учитывать водопроницаемость бетона и окружающего скального массива и вместе с тем коэффициент фильтрации Кф.

4. Показано, что для нетрещиностойкой обделки туннеля

- снимающие ня внутреннем контуре обделки при давлении подземных вол; при внутреннем давлении воды - растягивающие; <т™** на внешнем контуре обделки при давлении подземных вод - сжимающие, остаются сжимающими при аг 0.65 и переходят в растягивающие при я2 г>0.65 при внутреннем давлении Вода.

5.Показано, что для трещиностойкой обделки туннеля о-"" -л сжимающие на внутреннем контуре обделки при давлении подземных

вод, величины которых зависят от значения <*г г, а значения «г Л

незначительно влияют на распределение <г"*, становятся

растягивающими на внутреннем контуре обделки при внутреннем

давлении воды, значения которых больше всего зависят от <*г .

<т"" - растягивающие на внешнем контуре обделки при давлении

подземных вод, величины которых, в основном, зависят от значений

аг , становятся сжимающими на внешнем контуре обделки при

внутренней давлении воды; величины которые в целом зависят от

а . а значения а не влияу- на ¡г"", г, а' г,г г

6. При расчете прочности обделки туннеля для трассы, проходящей в тектонической зоне при смещении центра до 30 см в связи с выпором основания в нишей части туннеля с учетом объемных фильтрационных и поверхностных сил, горного давления на обделки, прочность обделки обеспечена. В этом случае мероприятия укрепления обделки к окружающей породе отпадают.

7. Получены выражения, позволяющие определить величины главных напряжений (тангенциальные и радиальные) в обделке напорного и безнапорного туннеля от давления вода. Разработаны практические рекомендации по учету влияния объемных и поверхностных сил на ВДС обделки туннеля в. зависимости от степени напорногр водонасыщения бетона и скального массива.

ПУбЛИКАЦИИ ПО ТЕКЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аль-битар Ш., Логунова В.А., Соколов И.Б. Исследования сдвига между бетоном и скалой при совместной {заботе обделки напорного туннеля со скальным массивом. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений (Предсо-93), ВННИГ им. Б.Е.Веденеева, 1994 г., с. 126-129.

2. Аль-битар Ш., Логунова В.А., Соколов И.Б. Влияние объемных фильтрационных сил на напряженно-деформированное

состояние обделки гидротехнического туннеля при разных условиях его обводнения. Материалы конференций и совещаний п4 гидротехнике . Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений (Предсо-93), ВННКГ им; Б.Е.Веденеева, 1994 г., с. 130-135.