Лабораторные исследования параметров высокоточных железобетонных блоков для строительства кабельных и канализационных тоннелей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

--------------------------------------- © А.Н. Левченко, Б.В. Ляпидевский,

Б.И. Федунец, А. В. Пахомов,

2008

УДК 69.035.4

А.Н. Левченко, Б.В. Ляпидевский,

Б.И. Федунец, А.В. Пахомов

ЛАБОРА ТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БЛОКОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА КАБЕЛЬНЫХ И КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТОННЕЛЕЙ

Описаны этапы построения фрактальной модели разрушения непосредственной кровли горной выработки, закреплённой анкерами. Приведены распределение напряжений непосредственно в кровле выработки и результаты расчётов вероятности её разрушения при различных комбинациях параметров анкерной крепи.

зготавливаемые промышленностью строительных материалов Москвы сборные железобетонные блоки коллекторных тоннелей не удовлетворяют требованиям к точности сборки элементов коллекторов, поэтому возникает необходимость при строительстве тоннелей предусматривать устройство дорогостоящей вторичной обделки из высокопрочного гидротехнического бетона, что не только увеличивает стоимость, расход материалов, но и удлиняет сроки возведения объекта.

В связи с этим Департаментом градостроительной политики, развития и реконструкции г. Москвы разработана программа освоения и внедрения в городе канализационных и коммуникационных тоннелей, сооружаемых без вторичной обделки с применением футеровки на основе полимерных материалов [1]. Работа направлена на создание и внедрение новых инновационных технических решений прокладки коммунальных тоннелей, повышение скоростей проходки, снижение затрат труда и расхода материалов.

Составной частью программы является разработка проектных решений для сооружения коллекторных тоннелей без

вторичной обделки с применением высокоточных блоков с футеровкой на основе полимерных материалов.

По заданию Департамента градостроительной политики г. Москвы проектное решение высокоточных железобетонных блоков было разработано Московским государственным горным университетом совместно с ГУП «Мосинжстрой», ГУП «НИИМосстрой» и ОАО «Моспромжелезобетон».

В соответствии с проектом сборный железобетонный блок (рис. 1-2) внутренним диаметром 2750 мм, толщиной стенки 200 мм и длиной 1000 мм собирается из шести сегментов с плоскими торцами (4 сегмента имеют форму параллелограмма и 2 - форму трапеции). Для соединения отдельных сегментов в блок предусмотрены направляющие стержни 0 35 мм, Ь = 800 мм. В продольном направлении блоки соединяются между собой посредством 12 специальных фиксирующих приспособлений (по 2 в каждом элементе) 0 60 мм, расположенных равномерно по сечению блока.

Вид на кольцо обделки Вид А - А

Масштаб 1:25 Масштаб 1:25

■Вид со стозжны забоя Вид на яа.бой

1СЧ2.&ИИ

А1

Вид В - В

Масштаб 1:25

Продольный разрез С - С [ Масштаб 1:25

Детали стыкового соединения 1:2

Периферический стык Продольный стык

Уплотнительный профиль Масштаб 1:1

Профиль а несжатом состоянии Профиль ■ сжатом состоянии

5*1 2750 мм 200 ыи 1000 им 25 ыи 135 и 4.вЗ т 0,7* т 0,7* т 0,77 т 0,73 т

Рис.2

Сборная ж/б обделка

Расклады блоков Внутренний диаметр Толщина блока Ном им, длина кольца Конусность Мнн. радиус тоннеля Общий аее копыла Блок *АГ Бгюки XIе. 'С!'

Блок ■вГ, ‘62'

Замковый блок *01*

Батон: С35/45

Арматурные прутья; ВВС £00

Для блокоб В1, В2, , ,\

С1, С2 (С“' Р“С' ’>

Рис. 3

Со стороны щита в торцах блоков предусмотрены пластины из ДВП под

12 щитовых домкратов. Суммарное усилие для продвижения щита, создаваемое домкратами, предусмотрено до 1200 тс (12-100 тс).

Элементы блоков изготавливаются из мелкозернистого бетона класса по прочности на сжатие В45, марки по морозостойкости Б75 и марки по водонепроницаемости \У12. До начала серийного изготовления высокоточных железобетонных блоков на ОАО «Мос-промжелезобетон» были проведены стендовые испытания в лаборатории ГУЛ «НИИМосстрой».

Испытания элементов блоков прово-дшгись с целью изучения напряженно-

деформированного состояния элементов, а также их прочности и трещино-стойкости под воздействием горного давления и нагрузки от щитовых домкратов.

Методика испытаний

Испытание элементов блоков проводились по 4 схемам нагружения (I, II, III, IV). Схемы I и II (рис. 3) имитируют работу элемента в кольце от воздействия горного давления по двум расчетным сочетаниям нагрузок от грунта при прокладке тоннеля на глубину 20 и 40 м.

Испытание элементов по этим схемам производились на стенде, разработанном и изготовленном конкретно для этих испытаний.

Проект стенда предусматривал специальные металлические опоры, обеспечивающие шарнирность опирания элементов, а также возможность их горизонтальных перемещений при нагружении.

Вертикальная нагрузка на конструкции должна создаваться гидравлическими домкратами.

По схемам I и II предполагается испытать 4 элемента - 2 в форме параллелограмма и 2 в форме трапеции.

Схема III (рис. 4) предусматривает испытание элементов, подвергающихся действию транспортных и погрузочно-разгрузочных работ

Элемент устанавливается при этих испытаниях на 2 шарнирные (подвижную и неподвижную) опоры. Вертикальная нагрузка создается посредством гидравлического домкрата.

Испытания по этой схеме проводятся на двух элементах блока различной конфигурации.

Схема IV (рис. 5) имитирует нагрузку от щитовых домкратов.

Нагружение элементов по этой схеме производится в 1000-тонном прессе ПМС-1000. Нагрузка на элементы при-

Для блсжоВ А1, 01 (см. рис. 1)

Для блоков В1, В2, , .х

СІ, С2 (си- риС' ’>

Для блоков В1 В2 1}

С1, С2

Рис. 4

Рис. 5

кладывается в местах размещения пластин.

Испытание элементов блоков производится в соответствии с требованиями [2].

Загружение элементов блоков при всех схемах испытаний производится ступенями, составляющими 10 % величины контрольных нагрузок.

При испытании элементов измерялись:

прогибы элементов в середине пролета;

формации бетона в наиболее нагруженных сечениях;

ширина раскрытия трещин в местах их максимального раскрытия;

величина отслоения полимерного листа от бетона.

При испытании использовались следующие измерительные приборы:

- прогибомеры системы Максимова с ценой деления 0,1 мм;

- тензорезисторы с базой 50 мм и электронный измеритель деформаций АИД-1 М в качестве вторичного измерительного прибора;

- микроскоп с цд. 0,02 мм.

Прочность бетона после разрушения

элементов определялась методом отрыва со скалыванием прибором ПОС 50МГ4. Результаты, полученные при испытании элементов блоков, позволят:

Схема N2

Марка блока Усилие от домкрата щита, Р2, тс Количество площадок

С1 70 2

Рис. 6

- оценить прочность и трещиностой-кость блоков при воздействии нагрузок от щитовых домкратов и горного давления при глубине заложения коллекторов 20 и 40 м, а также при действии транспортных и монтажных нагрузок;

- определить коэффициенты запаса по прочности и трещиностойкости при всех Таблица 1

предусмотренных схемах нагружения;

изучить напряженно-деформированное состояние блоков под действием нагрузок;

- измерить величину и места отслоения полимерного листа от бетона.

Результаты исследований параметров блоков для кабельных тоннелей и блоков с полимерной футеровкой с металлическими анкерами

По схеме №1 (рис. 6) испытаны блоки марок А1 и С1, по схеме №2 (рис. 6) -блоки марки С1, изготовленные с полимерной футеровкой с металлическими анкерами.

Г еометрические параметры испытанных блоков соответствовали указанным в проекте.

Прочность бетона блоков на сжатие при испытании составляла 650-700 кг/см2, водонепроницаемость бетона соответствовала маркам 14—\У 18.

Сроки изготовления и испытания блоков приведены в табл. 1.

Испытательное оборудование обеспечивало погрешность измерения нагрузки не более 3 %.

Прочность бетона блоков определяли методом отрыва со скалыванием прибором ПОС 50МГ4, водонепроницаемость бетона - ускоренным методом по его воздухопроницаемости прибором Агама-2Р, ширину раскрытия трещин - микроскопом с ц.д. 0,02 мм.

Прогибы блоков при испытании на нагрузки, имитирующие давление грунта, измеряли с помощью индикаторов часового типа с ц.д. 0,01 мм и прогибомеров системы Максимова с ц.д.

0,1 мм.

Перемещения полимерной футеровки

Марка блока Схема испытания Вес блока, тс Дата

изготовления испытания

А1 №1 0,775 24.10.06 г. 12.02.07 г.

С1 №1 0,8 24.10.06 г. 01.02.07 г.

С1 №2 0,8 19.12.06 г. 15.02.07 г.

Рис. 7. Общий вид стенда при испытании блока марки А1 на нагрузки, имитирующие давление грунта

измеряли индикаторами с ц.д. 0,01 мм.

Нагружение блоков производили ступенями, составляющими не более 10 % контрольных нагрузок по прочности и образованию трещин.

При испытании блоков на нагрузки, имитирующие давление грунта (схема испытаний №1, см. рис. 6), опи-рание блоков осуществлялось на две шарнирные опоры, одна из которых имела возможность горизонтального перемещения. Вертикальная нагрузка передавалась на блок через две металлические распределительные балки, установленные на блок на цементном растворе.

Вертикальная и горизонтальная нагрузки создавались 100-тонными гидравлическими домкратами.

Контрольные нагрузки при испытании на прочность по схеме №1 составляли: вертикальная - 60 тс, горизонталь-

ная - 30 тс. Контрольная ширина раскрытия трещин - 0,3 мм.

Общий вид стенда при испытании блоков марок А1 и С1 по схеме №1, а также характер расположения трещин на внутренней поверхности блоков после нагружения их до контрольных нагрузок представлены на рис. 6-8.

При испытании на нагрузки, имитирующие давление от щитовых домкратов (схема испытаний №2, см. рис. 6), блок помещали в вертикальном положении в пресс ПМС-1000. Нагрузка на блок передавалась через две полусферы, установленные в местах опирания щитовых домкратов на блок. Расстояние между полусферами составляло 764 мм.

Нагружение производили до суммарной нагрузки 140 тс, т.е. по 70 тс от каждого домкрата. Блок марки С1, установленный в прессе ПМС-1000.

Рис. 8. Характер расположения трещин в блоке 1/ при испытании на нагрузки, имитирующие давление грунта

Рис. 9. Характер расположения трещин в блоке С1 при испытании на нагрузки, имитирующие давление грунта

Таблица 2

Результаты испытания блоков обделок на нагрузки, имитирующие давление от грунта

Марка блока Нагрузка, вызывающая образование трещин, Рв/Рг, тс Нагрузка, вызывающая образование трещин, тс, при контрольной ширине раскрытия 0,3 мм Прогибы в середине пролета, мм, при контрольных нагрузках по прочности Рв=60тс и Рг=30тс

А1 27,0/13,5 51,0/25,0 8,6 - по длинной стороне 6,8 - по короткой стороне

С1 33,0/16,5 51,0/25,0 4,8 - с обеих сторон

Результаты испытаний блоков на нагрузки, имитирующие нагрузки от давления грунта, приведены в табл. 2.

Результаты испытания блоков при действии давления от грунта показали:

1. При действии контрольных нагрузок по прочности Рв = 60,0 тс и Рг =30,0 тс блоки обделки марок А1 и С1 сохранили несущую способность;

2. Нагрузка, при которой образуются трещины в блоке марки А1 (трапециевидной формы), ниже, чем в блоке марки С1;

3. Максимальный прогиб в блоке

А1 по длинной стороне при контрольной нагрузке по прочности почти вдвое превышает прогиб в блоке С1 при тех же нагрузках, что свидетельствует о более низкой жесткости блоков

трапециевидной формы.

4. Контрольная ширина

раскрытия трещин а = 0,3 мм в обоих блоках была достигнута при нагрузках Рв = 51,0 тс и Рг = 25,0 тс. Схема расположения трещин см. рис. 8 и 9.

Результаты испытания блока

марки С1 с полимерной футеровкой с металлическими анкерами на нагрузки, имитирующие домкратные.

До нагружения блока с помощью горного молотка была проверена ность прилегания к бетону стеклопластиковой облицовки. Проверка показала, что плотное прилегание имеет место только по контуру блока и в местах

ния металлических пластин с анкерами, посредством которых облицовка ляется в бетоне.

При нагружении блока до нагрузки, имитирующей давление от двух домкратов по 70 тс как в бетоне на наружной поверхности, так и в облицовке трещины обнаружены не были.

Замеры перемещений футеровки показали:

- в месте неплотного прилегания при полной нагрузке от домкратов футеровка отошла от бетона на 0,82 мм;

- в месте расположения металлической пластины перемещение в сторону бетона составило 0,85 мм.

Выводы

1. Испытание блоков марок А1 и С1 на действие нагрузок, имитирующих давление грунта на обделки, показало, что при действии контрольных нагрузок Рв = 60 тс и Рг = 30 тс блоки сохранили свою несущую способность.

2. Контрольная ширина раскрытия трещин в блоках, составляющая 0,3 мм, была достигнута при нагрузках Рв = 51,0 тс и Рг = 25,0 тс, что составляет 85 % от контрольных нагрузок по прочности.

3. Испытание блока марки С1 на нагрузку, имитирующую давление от двух домкратов по 70 тс, показало, что как в бетоне, так и в облицовке трещины не образовались, местных разрушений бетона не было.

Результаты исследований параметров блоков для канализационных тоннелей с полимерной футеровкой

Цель испытаний - проверка прочности и трещиностойкости блока, а также изучение влияния деформаций бетона на состояние гидроизоляционной полимерной футеровки на внутренней поверхности блока при действии нагрузок, имитирующих давление грунта. Был испытан блок марки 0-1 (рис. 10). Геометричес-кие параметры блока соответствовали указанным в проекте. Прочность бетона блока на сжатие при испытании составляла 655 кг/см.

Испытательное оборудование обеспечивало погрешность измерения нагрузки не более 3 %.

Рис. 10. Общий вид стенда при испытании блока марки 1)-1 на нагрузки, имитирующие давление грунта

Прочность бетона блока определяли прибором DIGI SCHMIDT 2000, ширину' раскрытия трещин - микроскопом с ц.д. 0,02 мм.

Прогибы блока при испытании измеряли с помощью индикаторов часового типа с цд. 0,01 мм и прогибомеров системы Максимова с ц.д. 0,1 мм.

Деформации полимерной футеровки измеряли с помощью тензометров сопротивления с базой 50 мм. Схема расположения тензорезисто-ров показана на рис. 11. Нагружение блоков производили ступенями, составляющими не более 10 % от контрольных нагрузок по прочности и образованию трещин.

При испытании блоки опирались на две шарнирные опоры. Вертикальная нагрузка передавалась на блок через две металлические распределительные балки, установленные на блок на цементном растворе.

Вертикальная и горизонтальная нагрузки создавались 100-тонными гидравлическими домкратами.

Значения контрольных нагрузок при испытании приведены в табл. 3.

Результаты испытаний блока на прочность:

при действии контрольных нагрузок по прочности Рв = 60,0 тс и Рг = 30,0 тс блок обделки марки D-1 сохранил несущую способность;.

на образование трещин: нагрузки, вызывающие образование трещин в блоке составили Рв = 35,0 тс и Рг =

Таблица 3

Испытания Контрольные нагрузки, тс

Вертикальная Г оризонтальная

На прочность 60,0 30,0

На образование трещин 25,0 я

На раскрытие трещин до контрольной величины 0,3 мм 40,0 20,0

17,5 тс, что на 40 % выше требуемых контрольных нагрузок (табл. 3);

на раскрытие трещин до контрольной величины а = 0,3 мм при нагрузках Рв = 40 тс и Рг = 20 тс (рис.

т

контрольная ширина раскрытия трещин а = 0,3 мм была достигнута в блоке при контрольных нагрузках по прочности, максимальная ширина раскрытия трещин при этих нагрузках составила

0,36 мм;

на способность к деформированию:

прогибы в середине пролета блока составили по длинной стороне - 9,6 мм, по короткой - 7,8 мм;

максимальные относительные растягивающие деформации в полимерной футеровке в середине пролета блока при контрольных нагрузках по прочности составили 270-10" (тензорезисторы 5, 6, см. рис. 11), при этом трещины в футеровке не бы-

ли обнаружены:

в зонах размещения анкеров полимерной футеровки также наблюдались относительные растягивающие деформации (тензорезисторы 3, 8, см. рис. 11),

максимальные величины относительных растягивающих деформаций в этих зонах при контрольных нагрузках по прочности составили 65-10 и 70-10°.

Выводы

1. Испытание блока марки О-1 на действие нагрузок, имитирующих давление грунта, показало, что при действии контрольных нагрузок Рв = 60 тс и Рг = 30 тс блок сохранил свою несущую способность.

2. Нагрузки, вызывающие образование трещин в блоке, были выше контрольных величин на 40 %.

3. Контрольная ширина раскрытия трещин в блоках, составляющая 0,3 мм, была достигнута при контрольных нагрузках по прочности, ширина раскрытия трещины в середине пролета составляла 0,36 мм,

4. Максимальные величины относительных деформаций в полимерной футеровке при контрольных нагрузках по прочности (вертикальной и горизонтальной) составили: растяжения в середине

пролета 270-10"5 и растяжения в месте расположения анкерной пластины 70-10"5, при этом трещин в полимерной футеровки не было обнаружено. В зонах размещения анкеров отслаивания от бетонной поверхности полимерной футеровки не наблюдалось.

Результаты исследований параметров блоков для канализационных тоннелей с

Рис. 11. Расположение тензо-датчиков на тшшерной футеровке

полимерными анкерами

Цель испытаний - проверка прочности и трещиностойкости блоков, а так-же изучение влияния деформаций бе-тона на состояние гидроизоляционной полимерной футеровки на внутренней поверхности блока при действии нагрузок, имитирующих давление грунта.

Был испытан блок марки D-1. Геометрические параметры блока соответствовали указанным в проекте. Прочность бетона блока на сжатие при испытании составляла 655 кг/см". Испытания блока посредством нагружения проводились в соответствии с требованиями [2]. Испытательное оборудование обеспечивало погрешность измерения нагрузки не более 3 %.

Прочность бетона блока определяли прибором DIGI SCHMIDT 2000, ширину раскрытия трещин - микроскопом с ц.д.

0,02 мм.

Прогибы блока при испытании измеряли с помощью индикаторов часового типа с ц.д. 0,01 мм и прогибомеров системы Максимова с цд. 0,1 мм.

Деформации стеклопластиковой облицовки измеряли тензометрами сопротивления с базой 50 мм.

Рис. 12. Расположение трещины с максимальной шириной раскрытия по длинной стороне Спока марки 0-1

Нагружение блоков производили ступенями, составляющими не более 10 % контрольных нагрузок, вызывающих нарушение по прочности и образование трещин.

При испытании опирание блоков осуществлялось на две шарнирные опоры. Вертикальная нагрузка передавалась на блок через две металлические распределительные балки, установленные на блок на цементном растворе.

Вертикальная и горизонтальная нагрузки создавались 100-тонными гидравлическими домкратами.

Контрольные нагрузки при испытании приведены в табл. 2.

Результаты испытаний блока на прочность:

при действии контрольных нагрузок по прочности Рв = 60,0 тс и Рг = 30,0 тс блок обделки марки 13-1 сохранил несущую способность;

на образование трещин (рис. 12): нагрузки, вызывающие образование трещин в блоке, составили Рв = 35,0 тс и Рг = 17,5 тс, что на 40 % выше требуемых контрольных нагрузок (табл. 4)

на раскрытие трещин до контрольной величины а = 0,3 мм при нагрузках Рв = 40 тс и Рг = 20 тс:

контрольная ширина раскрытия трещин а = 0,3 мм была достигнута в блоке при контрольных нагрузках по прочности максимальная ширина раскрытия трещин при этих нагрузках составила 0,36 мм; на способность к деформированию: прогибы в середине пролета блока составили по длинной стороне 9,6 мм, по короткой - 7,8 мм;

максимальные отно-сительные рас-тягиваю-щие деформации в по-

лимерной футеровке в се- Таблица 4 редине пролета блока при контрольных нагрузках по прочности составили 270-10"5 (тензорезисторы 5,

6, см. рис. 11), при этом трещины в защитной оболочке не были обнаружены;

в зонах размещения анкеров полимерной футеровки также наблюдались относительные растягивающие деформации (тензорезисторы 3, 8, см. рис. 11), максимальные величины относительных растягивающих деформаций в этих зонах при контрольных нагрузках по прочности составили 65-10”5 и 70-10"5 Выводы

1. Испытание блока марки Э-1 на действие нагрузок, имитирующих давление грунта, показало, что при действии контрольных нагрузок Рв= =60 тс и Рг = 30 тс блок сохранил свою несущую способность.

2. Нагрузки, вызывающие образование трещин в блоке, были выше контрольных величин на 40 %.

Испытания Контрольные нагрузки, тс

Вертикальная Г оризонтальная

На прочность 60,0 30,0

На образование трещин 25,0 12,5

На раскрытие трещин до контрольной величины 0,3 мм 40,0 20,0

3. Контрольная ширина раскрытия трещин в блоках, составляющая 0,3 мм, была достигнута при контрольных нагрузках по прочности, ширина раскрытия трещины в середине пролета составляла 0,36 мм.

4. Максимальные величины относительных деформаций в полимерной футеровке при контрольных нагрузках по прочности (вертикальной и горизонтальной) составили: растяжения в середине пролета 270-10"5 и растяжения в месте расположения анкерной пластины 70-10"5, при этом трещин в полимерной футеровки не было обнаружено. В зонах размещения анкеров отслаивания от бетонной поверхности полимерной футеровке не наблюдалось.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Программа освоения и внедрения в г. Мо-

скве канализационных и коммуникационных

тоннелей, сооружаемых без вторичной обделки

(«рубашки») с применением футеровки на основе полимерных материалов: Департамент градо-

строительной политики, развития и реконструкции г. Москвы, 2005,2007.

2. ГОСТ-8829 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытания нагружения. Правило оценки прочности, жесткости и тре-щиностойкости». шмз

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Левченко А.Н. - кандидат технических наук, профессор, Московский государственный горный университет,

Ляпидевский Б.В. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, ГУП «НИИМосст-рой»,

Федунец Б.И. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет,

Пахомов А.В. - гл. инженер ОАО «Моспромжелезобетон».

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

8_Левченко

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\12\Рубрика

С:\и5ег5\Таня\АррВа1а\Яоапи^\М1сш50Й\Шаблоны\]Чогта1.с1о1т

©Б

Гитис Л.Х.

14.10.2008 16:38:00 23

22.10.2008 13:07:00 Г итис Л.Х.

136 мин.

25.11.2008 23:45:00

13

3 034 (прибл.)

17 296 (прибл.)