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

кандидата технических наук
Аль-Битар Шауки
город
Санкт-Петербург
год
1994
специальность ВАК РФ
05.23.07
Автореферат по строительству на тему «Влияние фильтрационных воздействий на работу железобетонных обделок гидротехнических туннелей»

Автореферат диссертации по теме "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.