CC BY
79
2/2011 ВЕСТНИК 2/20L]_МГСУ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КАМЕННОЙ КЛАДКИ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ ИХ ИНЪЕЦИРОВАНИИ ЦЕМЕНТНЫМ РАСТВОРОМ ПО РАЗРЯДНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
THE EXPERIMENTAL STUDY OF THE BEARING CAPACITY OF MASONRY WITH CRACKS AFTER THE INJECTION OF THE CEMENT MORTAR USING THE DISCHARGE-PULSE TECHNOLOGY
O.B. Кабанцев., Г.П. Тонких
O.V. Kabantsev, G.P. Tonkikh
МГСУ, ОАО 26 ЦНИИ
В статье изложены результаты экспериментальных исследований образцов каменной кладки, усиленных инъекциями по разрядно-импулъсной технологии при действии статических нагрузок. Проведен сравнительный анализ данных, полученных при экспериментах, с теоретическими значениями по предлагаемой методике.
The results of the experimental investigations of masonry patterns, strengthened by the injection of the cement mortar using the discharge-pulse technology under static loads are presented. The comparative analysis of experimental data and the theoretical values, obtained by the proposed procedure was made.
В настоящее время существует несколько апробированных методов повышения несущей способности каменных стен зданий, имеющих повреждения, в том числе за счет инъецирования цементного раствора в тело кладки. Использование для инъецирования каменной кладки метода разрядно-импульсной технологии (РИТ), который был предложен в [1], а также широко применяется при изготовлении свайных фундаментов [10], на сегодняшний день не изучен.
Разрядно импульсная технология основана на гидродинамическом эффекте, возникающем при высоковольтном электрическом разряде. На электроды, помещенные в подвижный цементный раствор, периодически подается высокое напряжение, вследствие чего происходит электрический разряд. Электрическая энергия преобразуется в энергию гидродинамической ударной волны, которая, совершая механическую работу, заполняет пустоты кладки инъекционным раствором [1]. Схема РИТ-инъецирования представлена на рис.1.
В рамках изучения напряженно-деформированного состояния каменной кладки, усиленной инъекциями цементного раствора, выполненными по разрядно-импульсной технологии при центральном осевом сжатии и испытаниях на главные растягивающие напряжения, было изготовлено и испытано 14 образцов - кирпичных стенок размером 103(a) x104(h)x25 см. Размеры кладки назначались как аналоги про-
стенков зданий, с учетом влияния на прочность соотношения размеров сторон образцов [9].
Кирпичная кладка выполнялась с цепной системой перевязки швов из керамического полнотелого кирпича пластического формования марки М150 и цементно-песчаного раствора марки М50. Для инъецирования кладки применялся цементно-песчаный раствор марки М200. Для визуальной оценки заполнения пустот кладки в раствор добавлялся минеральный красящий пигмент.
импульсного тока; 2- излучатель; 3- коаксиальный кабель; 4- тампон; 5- электроразряд 6- инъекционный цементный раствор; 7- подготовленный для РИТ обработки, заполненный раствором шпур; 8- кирпичная стена.
Образцы по конструкции разделены на шесть серий (табл. 1): _Таблица 1
№ серии Характеристика образцов
1 Образцы (эталоны) для определения прочностных и деформационных характеристик кладки
2 Образцы усилены инъекцией раствора по методу РИТ через 5 шпуров 040 мм, расположенных с шагом 250 мм под углом 60° к поверхности образца, для исследования характеристик кладки при осевом сжатии
3 Образцы (эталоны) для исследования характеристик кладки при возникновении в сечении главных растягивающих напряжений
4 Образцы усилены инъекцией раствора по методу РИТ через 5 шпуров 040 мм, расположенных с шагом 250 мм под углом 60° к поверхности образца, для исследования характеристик кладки при возникновении в сечении главных растягивающих напряжений (диагональное загружение)
5 Образцы кирпичной кладки с трещиной для оценки ее влияния на несущую способность при диагональном нагружении. В процессе кладки образцов этой серии горизонтальные и вертикальные швы не заполнялись раствором, а под кирпичи каждого следующего ряда, попадающие на «трещину» укладывались металлические стержни 010мм, которые после затвердевания раствора в окружающих швах удалялись (рис. 2)
6 Образцы, аналогичные серии 5, но с инъецированием раствора в трещину кирпичной кладки
Для проведения эксперимента были приняты размеры шпура 40мм в диаметре, угол наклона 60° - для обеспечения свободного заполнения шпура инъекционным раствором. Шпуры устраивались с одной стороны образца. Перед заливкой инъекционного раствора шпуры очищались струей сжатого воздуха.
, ж. -_ив__
«Ь—V
я
Б
а
£
ЗЁ
Е
—~-"Iг—»==■—)
ь А
II П
тпг
п
д
ь
Ш-
Рис.2. Схема расположения шпуров и трещин
В процессе исследований контролировалась прочность цементно-песчаного раствора, керамического кирпича и расчетное сопротивление кладки растяжению по неперевязанным швам по методике испытания «образцов-троек».
Рис. 3. Приложение статической нагрузки при осевом сжатии 3.1 и при испытании на главные
растягивающие напряжения 3.2
Испытания проводились на гидравлическом прессе П-500. Статическая нагрузка при осевом сжатии прикладывалась через металлическую балку на всю поверхность кирпичной кладки, а при испытании на главные растягивающие напряжения через металлическую траверсу - вдоль одной из диагоналей (рис. 3).
Разрушающие нагрузки, полученные при испытаниях кирпичных образцов, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты статических испытаний_
Номер серии Номер образцов Марка кирпича Марка раствора Разрушающая нагрузка Повышение несущей способности Энергоемкость, Дж
Рр, т Рр средняя, т Рр, кг д, кг
%
1 1 150 50 250 224 Эталон 700
2 150 50 198
2 3 150 50 210 257 33 - 2170
4 150 50 320 15
5 150 50 240
3 6 150 50 27 25 Эталон 30
7 150 50 23,2
4 8 150 50 30,8 30,8 5,8 21,56 77,5
23,2
5 9 150 50 7,1* 15 - 10 10,5 35
10 150 50 14,1 - 40
11 150 50 14,4
6 12 150 50 22,6 25 0 17,5 360
13 150 50 32,1 0
14 150 50 20,4
Ввиду того, что практически невозможно добиться одинаковых показателей прочности кладочного раствора для всех образцов, разрушающая нагрузка была приведена к прочности раствора (сопротивление кладки растяжению по неперевязанному шву) для образца КО-1. Коэффициент пересчета нагрузок для приведения к общему уровню, а также определение расчетного сопротивления кладки растяжению по неперевязанному шву принято по методике, принятой в [9].
При испытании образцов серии 1 происходило характерное для каменной кладки разрушение (рис. 4). График деформирования для 2-х образцов серии 1, построенный по средним величинам деформаций, представлен на рисунке 5.
Предел прочности кладки серии 1 определяли по формуле Онищика Л. И.: ( 1 - а / (Ъ+(Я2 /2Я1))) у = 99.6 кг/см2, (1)
где - предел прочности кладки при сжатии;
- Я1 - предел прочности камня при сжатии;
- Я2 - предел прочности раствора (кубиковая прочность);
- а, Ъ, у - коэффициенты, равные 0,2; 0,3; 1,0, определяемые по табл. 2 [6].
Учитывая то, что при изготовлении образцов применялся жесткий цементный раствор, в соответствии с п. 3.8 [6] предел прочности кладки при сжатии необходимо уменьшить на 15%. При этом расчетный предел прочности Ru кладки со-Расхождение с
эксперимен-равной 76,9 кг/см2 составит
ставит 84,6 кг/см . тальной величиной, не более 9%.
Разрушение образцов серии 2 происходило с образованием в кладке большего количества параллельных вертикальных трещин. По результатам экспериментальных исследований установлено, что несущая способность при осевом сжатии образцов с инъецированием повышается до 15% за счет заполнения раствором пустот в каменной кладке.
Оценивая напряженно-деформированное состояние по энергетическому параметру (поглощение энергии), установлено, что расход энергии для разрушения образцов серии 2 более чем в 3 раза превышает данный параметр эталонных образцов (рис. 5).
При испытании образцов серии 3 происходило хрупкое (практически мгновенное) разрушение после появления первой трещины с последующим преодолением касательными напряжениями сопротивления кладки сдвигу вдоль горизонтальных швов - вначале в центре образца, а затем на остальных участках диагонали (рис. 6).
Рис. 4. Разрушение образца серии 1
ъ
3 =
Ыг.
1211
I иг-
ни -
п *
♦ ^___ +
шМ
<< * 1........,
яг ; « ^^* ; I
А г ** . # .... 'г ?........... г.....1
- ■- ! -.
№ . у —.
о
О Ч
1
I 5 : з
< 111 ик' 1111 <м м I ^ я 1111 м л и 11 м с- I4
Рис. 5. График деформирования образцов серии 1 и 2 при осевом сжатии: Ж - серия 1, ♦ - серия 2.
Расчетную несущую способность каменной кладки серии 3 на главные растягивающие напряжения определяли в соответствии с указаниями [8], по формуле:
б < ; (2)
V
где Q - расчетная поперечная сила; к - толщина стены; I - длина стены в плане;
V - коэффициент неравномерности касательных напряжений в сечении (для прямоугольного сечения допускается принимать равным 1,5);
Я(д - расчетное сопротивление скалыванию кладки, обжатой расчетной силой N определяемой с коэффициентом перегрузки 0,9.
где <Г0 - напряжение обжатия.
(3)
В работе [3] на основании приближенного решения задачи теории упругости о напряженном состоянии прямоугольного диска, получено, что нормальные напряжения при диагональном нагружении определяются по формуле:
<г0 =-
ак , (4)
где а- половина длины усиливаемого участка стены.
Ъ - высота сечения образцов.
Значение расчетного сопротивления главным растягивающим напряжениям Км
приняли для деформации по перевязанным швам, так как трещины проходили как по растворным швам, так и по кирпичу.
Средняя разрушающая нагрузка для образцов серии 3 равна Рр=25000 кг. Применив принцип разложения сил, получим: N=17750 кг, Q=17500 кг, тогда напряжения
обжатия равны: = Щ50 = п,8 кг / см2. 1287,5
Расчетное сопротивление скалыванию кладки равно:
Я,ч =Л14,2(4,2+13,8) = 8,.7кг/см2,тогда Q = 87 ■25 ■103 = ]4935кг
1.5 '
Полученный аналитический результат расчета на главные растягивающие напряжения образцов серии 3 расходится на 14 % с экспериментальными данными, а механизм разрушения и деформационные характеристики согласуется с данными, полученными в [9].
При испытании образцов серии 4 после появления первой трещины образцы не разрушались, а продолжали воспринимать нагрузку (рис. 7). Расход энергии для разрушения образцов серии 4 более чем в 2 раза превышает данный параметр эталонных образцов серии 3.
Рис. 6. Разрушение образца 1 серии 3
Рис. 7. График деформирования образцов серии 3 и 4 при диагональном сжатии:
х- серия 3, А- серия 4.
По результатам экспериментальных исследований установлено, что, несущая способность при испытании на главные растягивающие напряжения образцов с инъецированием повышается до 23% за счет заполнения раствором пустот в каменной кладке и создания шпурами нагельного эффекта.
При испытании образцов серии 5 с трещиной происходило хрупкое разрушение после появления первой трещины (рис.8). Установлено, что искусственно созданная в образце трещина приводит к существенному снижению несущей способности образцов на главные растягивающие напряжения - до 40%.
При испытании образцы серии 6, также как и образцы 2 серии, после появления первой трещины не разрушались, а продолжали воспринимать нагрузку (рис. 8). Инъецирование цементного раствора приводит к восстановлению монолитности каменной кладки и повышению несущей способности до первоначального значения (серия 3). Расход энергии образцов серии 6 более чем в 10 раз превышает данный параметр эталонных образцов серии 3.
и
ч и>
г.
к
1 ^
*
1 — 4 1 1 Г < 1 V ( •у * 1 Т 1 —Ь-'г
* 1 \ ^Лг н * 4 1 . 1 ^ ■ 1 н ■ н 1 4 н
1 Л: * ■| . ' № 1 1 > ; \ ]
• к/ А У \ \ 4 > } 1 Ь 1 1 ! ! 1 | 1 ■
! ! 1 1 } ■| . 1 I 1 4 1 к
7 1 1 \ \ \ т 1 —РИ к г 4 1-—4—4-—{
11 1 * к 4 —4- \ \ 1 ¥ -1-1- " 1'" V) -1-
I (3 1-1 1 I» I я
'1нтт*пни к4ирищ|и г- |й>
Рис. 8. График деформирования образцов серии 5 и 6 при осевом сжатии: Ж - серия 5, ♦ - серия 6.
Основные выводы:
- несущая способность при осевом сжатии образцов с инъецированием повышается до 15% за счет заполнения раствором пустот в каменной кладке при этом энергопоглощение усиленных образцов более чем в 3 раза превышает аналогичный параметр эталонных образцов;
- несущая способность при диагональном нагружении образцов с инъецированием повышается до 23% за счет заполнения раствором пустот в каменной кладке и создания монолитных «нагелей» в теле кладки, при этом энергопоглощение усиленных образцов более чем в 2 раза превышает аналогичный параметр эталонных образцов;
- несущая способность при диагональном нагружении образцов с искусственно созданной трещиной и последующим их инъецированием обеспечивает восстановление несущей способности образца до эталонного уровня при многократном (по отношению к образцу с трещиной) повышении энергоемкости.
Литература
1. Еремин В.Я., Кабанцев О.В. Усиление конструкций из каменной кладки монолитными железобетонными аппликациями, выполняемыми по разрядно-импульсной технологии. // IV Российская Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием: Тез. докл. конференции. - Москва: 2001. - СС. 119.
2. Коноводченко В. И. Усиление стен кирпичных зданий для повышения их сейсмостойкости, Сб., «Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий», Госстройиздат, М.: 1967.
3. Поляков С. В., Коноводченко В. И, Прочность и деформации квадратных виброкирпичных панелей при перекосе в плоскости стены. Прочность вертикальных стыков. Сб. «Исследования по сейсмостойкости крупнопанельных и каменных зданий», Госстройиздат, М., 1962 г.
4. Поляков С.В., Садыхов З.Г., Прочность и деформации сплошных виброкаменных панелей при перекосе. // Сейсмостойкость сборных крупноэлементных зданий. - М.: 1963. - с. 170183.
5. Поляков С.В., Сафаргалиев С.М. Монолитность каменной кладки. - Алма-Ата.: 1991. -160 с.
6. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II-22-81*).- М.: ВДПП Госстроя СССР, 1989. - 138 с.
7. СНиП II-7-81* "Строительство в сейсмических районах". - М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 44 с.
8. СНиП II-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции". - М.: ФГУП ЦПП, 2007. - 40 с.
9. Тонких Г. П., Кабанцев О. В., Кошаев В. В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния каменной кладки, усиленной железобетонной аппликацией, при совместном действии статических вертикальных и горизонтальных нагрузок. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений №6, ВНИИНТПИ - 2007 г.- с. 26-31.
10. TP 50-180-06 «Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи-РИТ). - М.: ООО «УИЦ «ВЕК», 2006. - 68 с.
References
1. Eremin V. Ja, Kabantsev O.V. Strengthening of designs from a stone laying the monolithic reinforced concrete applications which are carried out on discharge-pulse technology.//IV Russian National conference on a seismic building and seismic division into districts with the international participation: tes. report. Conferences. - Moscow: 2001. - p. 119.
2. Konovodchenko V. I. Strengthening of walls of brick buildings for increase of their seismic stability, Col., «Seismic stability of large-panel and stone buildings», Gosstrojizdat, M: 1967.
2/2011 ВЕСТНИК _2/2011_МГСУ
3. Polyacov S. В, Konovodchenko V. I. Durability and deformations of square vibrobrick the panels at a warp in a wall plane. Durability of vertical joints. Сб. « Researches on seismic stability of large-panel and stone buildings», Gosstrojizdat, M, 1962
4. Polyacov S.B., Sadyhov Z.G.. Durability and deformations continuous vibrostones panels at a warp.//Seismic stability modular large-panel buildings. - M: 1963. - p. 170-183.
5. . Polyacov S.B., Safargaliev S.M. Solidity of a stone laying. - Alma-Ata.: 1991. - 160 p.
6. The grant on designing stone and ferrostone structures (to SNiP II-22-81 *). - M: VDPP Gosstroj of the USSR, 1989. - 138 p.
7. SNiP II-7-81* "Building in seismic countries". - M: FGUP TsPP, 2004. - 44 p.
8. SNiP II-22-81 "Stone and ferrostones structures". - M: FGUP TsPP, 2007. - 40 p.
9. Tonkikh G.P, Kabantsev O. V, Koshaev V.V. Experimental investigations of the is intense-deformed condition of the stone laying strengthened by reinforced concrete application, at joint action of static vertical and horizontal loadings.//A seismic building. Safety of constructions №6, VNIINTPI -2007 - p. 26-31.
10. TR 50-180-06 «Technical recommendations about designing and the device of the pile bases which are carried out with use of discharge -impulse technology for buildings raised floor (pile-RIT). - M: Open Company" UITS "VEK», 2006. - 68 p.
Ключевые слова: каменная кладка, несущая способность, цементный раствор, разрядно-импульсная технология, кирпичные образцы, армокаменные конструкции.
Key words: stone laying, bearing capacity, the cement mortar, the discharge-pulse technology, brick samples, ferrostones structures.
Почтовый адрес: г. Москва, Ярославское шоссе 26, Рецензент: Белостоцкий A.M., д-р техн. наук, проф., генеральный директор ЗАО НИЦ СтаДиО
