«Булатов Г.Я. Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГПУ 2002 Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет Булатов Г.Я. ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ТЕОРИЮ ...»
-- [ Страница 2 ] --
К рассмотренной задаче сводятся и многие другие технологические проблемы, например, определения размеров блоков, карт отсыпки грунтов, площадей поверхности забоев землеройных машин из условий:
а) защиты слоев (бетона, грунта, стружки…) от промерзания или перегрева, принимая где Tост – время остывания (нагревания) соответствующего слоя до допустимой температуры, б) защиты слоев от пересушивания (переувлажнения), принимая:
где Tвл – время доведения слоя до оптимальной влажности, в) из этого условия можно определить и размеры прудков при отсыпке грунта в воду, с учетом допустимого времени Tвл намокания комьев грунта в прудке.
Из аналогичных решений, с использованием зависимостей п. 1.2, можно определять параметры технологий многих видов.
5.4. Выбор опалубки и уточнение давления бетонной смеси наиболее полно отвечающую всем требованиям данного строительства.
Для создания границ отливаемого (например, бетонного) сооружения или его частей (блоков) применяется форма (опалубка). Опалубка – это «плотина» для ограждения бетонной смеси. Она похожа также на подпорную стенку для ограничения грунтовой насыпи. Ниже приведена краткая классификация опалубки.
А. По назначению:
б) защитная и герметизирующая, з) уплотняющая (виброопалубка), е) теплоизоляционная, Б. По водопроницаемости:
3) проницаемая (в т. ч. сетчатая), 6) электроосмотирующая, 4) впитывающая (влагопоглощающая), 7) комбинированная.
В. По системе крепления:
б) подкосная (контрфорсная), з) пневматическая, Г. По мобильности:
5) передвижная (катучая), Основные критерии (см. п. 1.5) применимы и для выбора опалубки. Ниже приведены дополнительные критерии выбора:
где П л, Ж, Г, М – плотность (бетононепроницаемость), жесткость, гладкость внутренней поверхности, многократность применения (оборачиваемость) опалубки (ее возможности). В скобках приведены их допустимые (требуемые) значения.
Основной нагрузкой на опалубку, естественно, является давление бетонной смеси. Свойства бетонных смесей могут быть весьма различными и имеют важную особенность – изменяться во времени.
Рис. 5.4.1. Изменение прочностных характеристик бетонной смеси во времени Бетонная смесь представляет собой дисперсное тело, которое можно рассматривать в механическом отношении в качестве разновидности грунта. При этом интенсивность давления смеси на опалубку можно записать в виде, аналогичном активному давлению грунта на подпорную стенку (см. п. 4.3), т. е.
где б – удельный вес бетонной смеси, T – возраст бетонной смеси в рассматриваемой точке блока.
Зависимости характеристик сдвига от времени строятся на основании результатов сдвиговых испытаний образцов бетонной смеси в различном возрасте со времени ее затворения (рис. 5.4.1).
Зная «историю» бетона в данной точке Z бетонируемого блока, можно установить возраст бетона. Затем по полученным кривым определяются параметры сдвига и вычисляется интенсивность давления на опалубку.
Возраст бетона в блоке определим по следующей зависимости:
где Tт р – время транспортировки бетонной смеси от момента затворения до момента выгрузки ее в блок, Tукл – время укладки смеси выше отметки, на которой определяется интенсивность Tвыд – время выдерживания блока после окончания его бетонирования.
Для получения максимума давления последнее слагаемое принимается равным нулю.
В свою очередь где – площадь блока бетонирования, Jпод – интенсивность подачи бетонной смеси в блок.
Характер эпюры давления представлен на рис. 5.4.2 в виде заштрихованной области.* Здесь же для сравнения приведены эпюры «гидростатического» давления и по рекомендациям НиТУ.
Наиболее важными, по нашему мнению, направлениями дальнейших уточнений являются следующие:
а) учет порового давления воды в бетонной смеси при расчете прочности и деформаций б) влияние шероховатости и водопроницаемости опалубки на усилия в элементах и на прочность самого бетона;
в) влияние податливости опалубки на ее прочность;
г) учет явлений зависания бетона на опалубке и на анкерных конструкциях;
д) учет влияния армирования и наличия закладных частей;
е) учет пространственной схемы работы опалубки и др.
Динамическая составляющая давления на опалубку в данной работе не рассматривается.
Рис. 5.4.2. Эпюры давления бетонной смеси на опалубку:
а – по модели грунтовой массы;*) б – по рекомендациям НиТУ.
Hб – высота блока; R – радиус действия виброуплотнителей.
5.5. Классификация и выбор соединений в технологиях II-го класса По кинематике соединения делят на подвижные и неподвижные.
По геометрии на:
1) точечные или пунктирные.
3) поверхностные (площадные).
По жесткости:
а) жесткие (недеформируемые), б) гибкие (упругие, деформируемые), Кроме того, соединения делятся на два класса:
Эта модель предложена уже и для льда.
К I-му классу относятся:
7) клеммовые, Ко II-му классу относятся:
Для соединения частей используются также все известные поля (см. п. 1.1), например, электромагнитный захват на подъемных кранах, биологическое (с помощью корней) соединение деревьев с землей, срастание ран, рост кристаллов, пересадка внутренних органов и т. д., прививки растений и т. п.
Поверхности соединения (контакта) образуют швы. Прочность соединения части (порции) с массивом и определяется прочностью шва. Прочность шва в широком смысле определяется той или иной степенью омоноличивания (объединения) части с массивом, в узком же смысле (микропрочность) она определяется интенсивностью полей.
В простейшем представлении надежность и долговечность массивных земляных и бетонных сооружений определяется силами: а) тяжести, б) трения, в) внутренней прочности материала (молекулярными силами), г) вакуума ….
Таким образом, важную роль в строительстве играют фрикционные связи, обеспеченные собственным весом элементов и силами трения по поверхностям их соединений. Ведь без трения не могли бы существовать и египетские пирамиды.
Отметим, что гидравлические вяжущие (цемент, известь, гипс…) по сути своего действия тоже можно отнести к роду клеев, поскольку их растворы являются отвердевающими.
Близкой по результату является связь в виде «присушивания» материалов.
Что касается сварки, то ею можно соединить и две пластины льда, если использовать ледяной «электрод». В прессовых же соединениях прижатие может быть осуществлено многими из движителей (п. 7.1).
Примером же гвоздевого присоединения к … земле являются свайные основания. Они же могут рассматриваться как арматура грунтовых сооружений и оснований. При этом наряду с другими здесь используются и винтовые соединения (например, сваи-шурупы).
Идея торможения с помощью водного парашюта (трала) используется в воздухе и в … грунте (анкерная свая).
Итак, основными типами соединений представляются:
– для земляных сооружений – гравитационные, прессовые, свайные, арматурные, … – для бетонных – цементные, арматурные, гравитационные, прессовые, клеевые, … – для деревянных – гвоздевые, болтовые, клеевые, на врубках, шпонках, нагелях, … – для металлических – сварные (в т. ч. и трением), болтовые, заклепочные, … Выбор соединений также производится на основе общих критериев (см. п. 1.5).
Но главным критерием выбора соединений является обобщенное условие где H – возможный уровень надежности, H т – требуемый уровень надежности соединения.
Таким образом, критерии технологии II-го класса (созидание, соединение…) выражаются неравенствами, обратными таковым для технологий I-го класса (см. п. 4.1), т. е. естественно обратными критериям разрушения.
Главным критерием прессовой технологии соединения (омоноличивания) сооружений будет условие в напряжениях сжатия которое часто удобнее контролировать в соответствующих плотностях материалов (возможной и требуемой) в виде Аналогично запишем и критерий герметичности где Г – степень непроницаемости (герметичности) соединения для любого наперед заданного вещества и (или) поля.
В более сложных случаях соединений применяются специальные устройства (например, кондукторы для наращивания колонн), а также целые стыковочные комплексы (для космических кораблей).
Заметим, что устройства, аналогичные кондукторам, уже давно применяются в хирургии для сращивания костей конечностей.
5.6. Влияние технологии строительства на надежность сооружений 5.6.1. Швы и неоднородности в сооружениях как показатель неидеальности исполнения.
Следует признать, что идеальных вещей в материальном мире нет. Некоторая идеальность предполагается в проекте, но идеальное исполнение проекта невозможно, хотя человечество всегда будет стремиться к этому. И основными неидеальностями являются поверхности присоединения частей к массиву, которые и образуют швы. Виды швов в каменных сооружениях приведены в п. 5.2, в бетонных сооружениях – в п. 5.4. Ниже приведены швы и неоднородности в грунтовых плотинах. Швы подразделим на следующие виды.
3. Осадочные или эксплуатационные (межсекционные).
4. Строительные или границы карт (межблочные).
5. Технологические (межслойные).
6. Операционные (межпорционные).
7. Межагрегатные.
8. Межчастичные.
Швы в плотине, как и везде, являются наиболее вероятными местами отказов (повреждений и разрушений) грунтовых плотин.
Во-первых, в этих местах понижено или отсутствует сопротивление разрыву, и также, возможно, и сдвигу. Во-вторых, швы создают зоны повышенной фильтрации и служат, таким образом, квазищелями и квазитрещинами, которые при малейших неблагоприятных изменениях в напряженном состоянии могут превратиться в открытые трещины и щели.
Швы являются также местами попадания инородных включений, загрязнений другими материалами, разделения (сегрегации) сыпучих материалов на отдельные фракции по крупности и др.
Неоднородности свойств грунтов по генезису можно разделить на следующие основные классы.
1. Природная неоднородность. 3. Технологическая.
Технологическую неоднородность вызывают практически все строительные процессы:
• разработка грунта, транспортирование и перегрузка с одной машины на другую и в сооружение, • разравнивание в слой, специальная обработка грунта, его уплотнение и т. д.
Неоднородность строительных материалов, и прежде всего грунтовых, характеризуется также трещиноватостью (макро- и микротрещины), которые поистине существуют не как исключение, а как правило. Нередко они скрыты от глаза: «их моют дожди, засыпает их пыль, и ветер волнует над ними ковыль».
Источники трещин те же, что и указанные выше для неоднородности. Взрывание скалы, к примеру, приводит к образованию макротрещин в основании и микротрещин – в камне.
5.6.2. Влияние технологии возведения грунтовых плотин на их надежность.
В проектах принято изображать сооружение в виде идеальных геометрических построений, и это в значительной мере гипнотизирует специалистов, мешая им уже в процессе исследования и проектирования учесть реальные форму и размеры будущего сооружения.
Аналогичным образом идеализируются свойства материалов, нагрузки на сооружения, методы расчетов и другие факторы, определяющие их надежность.
На рис. 5.6.1–5.6.3 показаны некоторые неидеальности, приводившие к аварийным ситуациям на сооружениях.
На рис. 5.6.1 приведены, например, сечения намывной плотины с ядром: а) в проекте и б) в натуре, где видна геометрическая неидеальность элементов плотины, способная существенно изменить проектную надежность сооружения. Так, утоньшение ядра (при наличии т. н. «карманов») может привести к фильтрационному пробою вследствие возрастания градиентов напора по сравнению с проектными, а утолщение ядра (при наличии т. н. «языков») может привести к потере общей устойчивости откоса вследствие появления слабой прослойки в призме плотины. Здесь (при утолщении ядра) повысится также давление в поровой воде, что приведет к дополнительному снижению прочности грунта на сдвиг. Отсюда видно, что надежность плотины будет снижена в значительно а – сечение плотины в проекте; б – то же в натуре; в – скопление комьев (агрегатов) грунта; г – расслоение (сегрегация) грунта; д – поровый пристенный эффект на твердой поверхности;
е – то же, арочный пристенный эффект на шероховатой поверхности; ж – берег с обратным к – недоуплотнение у крутого берега; л – ступенчатая обработка берега.
а – оседание грунта под мерзлым гребнем; б – примерзание неуплотненного грунта; в – недостаточная эффективность цементации или замораживания при трещиноватом основании; г – недоуплотнение в узкой зоне; д – прорезание пленки трубой с концевой опорой; е – недостаточное уплотнение; ж – переувлажнение грунта;
и – скопление крупных фракций; к – неровность напорной грани экрана.
большей степени, чем это обусловливается в связи с отклонением фактических размеров от проектных. И это один из примеров перехода количественных изменений в качественные.
Вторым примером является возникновение условий гидроразрыва при наличии местного сужения (понижения поверхности) экрана (рис. 5.6.2к), с образованием в нем трещин, которые любую толщину экрана сводят на нет. Далее, поровое давление может быть настолько большим, что плотина может потерять устойчивость на сдвиг в форме расползания насыпи в горизонтальном направлении (рис. 5.6.2ж). Это и произошло на одной из плотин, отсыпанной из переувлажненного осадками суглинка на основании из жирной глины. При этом были разорваны трубопроводы водосброса и водоспуска, а вдоль гребня появились трещины с образованием воронки на верховом откосе. Рассеивание порового давления приводит к дополнительной деформации грунта, которая может вызвать трещинообразование и в других случаях, которые показаны, например, на рис. 5.6.1ж, 5.6.1л и 5.6.2е. Таким образом, влажность грунтов при укладке имеет существенное значение.
Кроме естественной агрегатности при разработке грунтов возникает технологическая комковатость вследствие разрушения их естественной структуры. При этом в насыпи возможно локальное скопление крупных комьев или фракций грунта, показанное на рис. 5.6.1в.
Это вызывается явлениями грави-, вибро-, аэро-, флото-, магнито- (и другими видами) сепарации, т. е. разделения, расслоения грунта по крупности и плотности зерен. Скопление крупных фракций создает зоны повышенной фильтрации, которые в отличие, например, от обычных (раскрытых) трещин, можно назвать квазитрещинами, и т. п. Влияние на надежность плотин оказывают и технологии разработки и контроля местных материалов уже непосредственно в карьерах, в которых применение больших экскаваторов приводит к образованию комьев диаметром до 1 м.
Одним из существенных видов неидеальностей являются эффекты на сопряжении грунтов с более жесткой поверхностью. Это пристенные эффекты различного рода:
1) геометрические, 2) механические, 3) физические, 4) химические и др. На рис. 5.6.1д, е, показаны геометрические эффекты микро- и макро- пористости. Даже на примыкании грунта к идеально гладкой поверхности размеры пор будут больше, чем в грунтовой толще. В реальном же грунте на реальной (шероховатой) поверхности могут возникнуть полости в размере целых частиц или агрегатов, которые и составляют макропоры. Размеры последних могут возрасти за счет неблагоприятных искривлений шероховатой жесткой поверхности, т. е. шероховатостей высших порядков. К тому же жесткая стенка сама может иметь трещины. Все эти факторы обеспечивают изначальную повышенную фильтрацию вдоль стенки, создавая квазищель.
Пристенные механические эффекты проявляются в виде арочных и силосных явлений, связанных с опиранием сыпучего грунта на более жесткие стенки, например берегов, бетонных частей и прорезающих грунт сооружений и т. п. При этом в подарочном пространстве сжимающие напряжения существенно снижаются и тем самым облегчается гидроразрыв квазищели и превращение ее в нормальную (открытую) щель. Арочный эффект в узком каньоне с возникновением трещин и щелей показан на рис. 5.6.1ж, л, и на рис. 5.6.2е; а на рис. 5.6.2г арка в свежезасыпанном проране опирается на стенки ранее возведенной части плотины. В поперечном разрезе плотины арочный эффект ядерной части может возникать от зависания грунта на призмах (рис. 5.6.1б), на инъекционных, вентиляционных или водосбросных трубах, галереях, над траншеями, над трещинами и т. д. (рис. 5.6.2в, д). Арка может образовываться при замерзании верхней части плотины (рис. 5.6.2а).
На примыкании к крутым скальным берегам, стенкам и трубам (рис. 5.6.1ж, и, к, л и рис. 5.6.2б) осуществление механизированного технологического процесса уплотнения грунта существенно затруднено. В случае рис. 5.6.2б отсыпаемый грунт на примыкании к переохлажденной бетонной стенке быстро замерзал (пристенный термический эффект), не поддавался воздействиям и оставался неуплотненным. Пригребневая часть плотины должна быть защищена от морозобойных трещин и явлений пучинистости грунтов. Щели под трубопроводами и трещины в основании не могут быть заполнены даже рыхлым грунтом, не говоря уже о его уплотнении. К образованию щели приводит прокладка трубопровода в плотине методом прокола, случайная засыпка грунтом шлангов, проводов, досок, прутьев, кабелей, а также снега, льда и т. д. Зоной повышенного риска могут быть места пересечений трубопроводов с пленочными, листовыми и другими тонкими экранами (рис. 5.6.2д).
Известно, что и сами грунтопленочные экраны на практике тоже фильтруют, при этом фиктивный коэффициент фильтрации достигает величины A 10 см/с. Их высокая проницаемость порождается не только случайными разрывами пленки, но и другими неидеальностями исполнения, часть которых представлена на рис. 5.6.3. Во-первых, пленка иногда укладывается на подстилающий слой грунта, включающий крупные частицы и комья до 0,2 м.
Далее, здесь также проявляются негативные влияния пристенных эффектов. Макропоры и полости обусловливаются неровностью основания, неидеальностью пленки и способов ее укладки, сварки и последующей пригрузки. Пленка имеет или приобретает складки, сборки, волнистость, вытяжки, пузырчатость, морщины, нахлесты в швах и пр. При этом полости не могут быть сплющены (схлопнуты) полностью при отсыпке защитного слоя грунта, так как пленка снизу оформляет и укрепляет своды грунтовых арок. Наличие этих полостей эквивалентно наличию щелей над и под пленочным полотнищем, что приведет к сосредоточенной фильтрации и к возможному аварийному состоянию плотины.
И лишь тщательнейшее всестороннее изучение и анализ всех без исключения аварийных ситуаций на плотинах (как, впрочем, и на любых других сооружениях) и установление их истинных причин только и позволит в будущем не повторять ошибочных решений.
Рис. 5.6.3. Неидеальности исполнения противофильтрационного пленочного экрана:
а – неплотности (щели) на контакте пленки с зернистым материалом;
б – то же вдоль Т-образного шва; в – простая складка; г – сплющенная складка;
ж – сборки вдоль сварного шва в плане; и – складки полотнища в плане.
Для нормального функционирования грунтовой плотины необходимо обеспечить ее фильтрационную прочность в каждой точке (!) напорного фронта, достигающего длины нескольких километров и ширины сотен метров. При местном уменьшении толщины противофильтрационного элемента или при возникновении в нем трещин увеличивается градиент напора и соответственно уменьшается фильтрационная прочность, что может привести к появлению путей сосредоточенной фильтрации, размыву грунта и аварии плотины.
Сооружение (в том числе и плотина) считается надежным, если оно функционирует нормально в течение определенного заданного отрезка времени, т. е. его выходные параметры (или эксплуатационные характеристики) остаются в пределах требуемых.
Критерий нормального функционирования любого объекта или сооружения можно записать в следующем обобщенном виде:
где T – матрица (или множество) требований к параметрам состояния объекта (или пространство его требуемых состояний); B – матрица (или множество) возможных характеристик объекта, его выходных данных (или пространство его допустимых состояний) по параметрам предъявляемых требований.
Обобщающей эксплуатационной характеристикой плотины является величина потерь воды, профильтровавшейся через ее тело и основание, а в общем случае – величина потерь сохраняемого перед плотиной материала, а равно и материала самой плотины и ее основания. Поэтому надежность плотины обеспечивается ограничением параметров массопотока через плотину.
В качестве критериев нормального функционирования (или критериев устойчивости) по ограничению фильтрационного потока (расхода) для сооружений класса плотин (аналогично критериям выбора, п. 1.5) принимаются следующие:
где Q, A и V – расход, его изменение во времени T и объем массопотока рассматриваемого вещества через трещины в теле и основании плотины; B – протяженность (ширина) трещины; q – расход на единицу ширины трещины. Здесь область допустимых значений (обозначены, как обычно, квадратными скобками) должна быть назначена совместно с Заказчиком проекта. При отсутствии специальных указаний речь идет лишь о потерях воды. Однако, зная характеристики по воде, в отдельных случаях не представляется больших затруднений для перехода к потерям растворенного или взвешенного в ней вещества.
Следует отметить, что допустимые величины расхода и объема профильтровавшейся воды или рассолов могут быть оценены также исходя из экономических соображений, так как они могут существенно влиять как на стоимость возведения плотины, так и на затраты при ее эксплуатации.
«