Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ материалов обследований и натурных наблюдений на шлюзах канала имени Москвы 9
1.1. Общие сведения о шлюзах канала имени Москвы 9
1.2. Фактическое состояние и результаты наблюдений за стенами камер шлюзов Канала имени Москвы 12
1.2.1. Методы усиления стен шлюзов, выполненные за годы эксплуатации 12
1.2.2. Основные конструктивные решения по усилению стен камер шлюзов 14
1.2.3. Результаты наблюдений за перемещениями стен камер шлюзов канала имени Москвы 16
1.3. Описание шлюза № 2 36
1.3.1. Обследования и методы ремонта шлюза №2 39
1.4. Анализ материалов натурных наблюдений, выполненных на шлюзе №2 51
1.4.1. Анализ материалов наблюдений, полученных с применением закладной ДКИА 55
1.4.2. Анализ материалов наблюдений, полученных с применением КИА 58
1.4.3. Анализ материалов наблюдений за фильтрационным режимом камеры шлюза 62
1.5. Состояние бетона лицевой поверхности камеры шлюза №2 64
Выводы по главе 1 71
ГЛАВА 2. Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива камеры шлюза № 2 в программно-вычислительном комплексе Plaxis 73
2.1. Моделирование замены грунта обратной засыпки 90
2.2. Оценка влияния коэффициента фильтрации на нагрузку от грунта обратной засыпки
2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния системы в условиях наполнение опорожнение 96
Выводы по главе 2 100
ГЛАВА 3 Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния бетонного массива камеры шлюза с применением программного комплекса ANSYS 101
3.1. Расчетные исследования слабо-армированного бетона стен камеры шлюза до выполнения работ по усилению 105
3.2. Расчетные исследования слабо-армированного бетона стен камеры шлюза с учетом выполненного усиления и фактического состояния 108
Выводы по главе 3 112
ГЛАВА 4 Рекомендации по ремонту и усилению стен камер шлюзов канала имени Москвы 113
4.1. Вариантная проработка методов усиления и ремонта 113
4.2. Технико-экономическое сравнение предлагаемых вариантов усиления 116
4.3. Расчетное обоснование варианта усиления стен шлюзов канала имени Москвы 117
4.4. Технология выполнения усиления, рекомендации по ремонту и эксплуатации стенки камеры шлюза на примере опытного участка 122
Выводы по главе 4 136
Заключение 137
Список литературы 138
- Методы усиления стен шлюзов, выполненные за годы эксплуатации
- Анализ материалов наблюдений, полученных с применением КИА
- Анализ напряженно-деформированного состояния системы в условиях наполнение опорожнение
- Расчетное обоснование варианта усиления стен шлюзов канала имени Москвы
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Строительство Канала имени Москвы велось в 30-е годы 20 века. Отсутствие аналогов и опыта выполнения работ такого масштаба и в сжатые сроки, вызывало значительные трудности, как в области проектирования, так и в области строительства. В дальнейшем это привело к непредвиденным процессам в работе отдельных элементов конструкций и их повышенному износу.
Канал имени Москвы и до сегодняшнего дня остается крупнейшим водохозяйственным комплексом РФ. Шлюзы канала являются значительным участником транспортной системы внутренних водных путей. В связи с этим поддержание их в надежном и эксплуатационно-пригодном состоянии является одной из актуальных и важных задач.
Впервые нарушения условий нормальной эксплуатации были отмечены на шлюзе №2, что привело к проведению аварийно-ремонтных работ, однако деформации одной из его стен продолжаются до настоящего времени.
Степень разработанности
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования в области изучения напряженно-деформированного состояния стен шлюзов канала имени Москвы выполнены ведущими научно-исследовательскими организациями отрасли и самими инженерами канала имени Москвы (НИС Гидропроекта, Ни В.Е., Бочаров В.В., Рубин О.Д.).
За долгие годы эксплуатации шлюзов для изучения их напряженно-деформированного состояния применялись различные методы и подходы. Выполнялось неоднократное построение физических и численных моделей и воссоздание на них реальной работы сооружений, исследования состояния стен методом радиоволнового зондирования, методом фотоупругости. Выполнялись исследования грунтового массива сооружений.
Несмотря на проведенные многочисленные исследования, некоторые вопросы так и остаются не решенными. Немаловажным также является и то, что большинство работ, связанных с исследованием шлюзов, были выполнены в 60-80 гг., а в дальнейшем этой проблеме уделялось недостаточное внимание.
В связи с этим в настоящее время возникает необходимость в дополнительной оценке напряженно-деформированного состояния стен шлюзов канала имени Москвы, а также в оценке достаточности и эффективности ранее выполненных мероприятий по повышению их безопасности.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы является оценка напряженно-деформированного состояния стен камер шлюзов (на примере шлюза №2), оценка фактической работы стен шлюзов доковой конструкции, усиленных вертикальными металлическими стержнями - нагелями с учетом долгого срока эксплуатации и их фактического состояния.
Для достижения поставленной цели исследования поставлены следующие задачи:
-
Выполнить анализ архивных материалов, посвященных проблеме исследования;
-
Выполнить анализ материалов натурных наблюдений за деформациями сооружений, накопленный за годы эксплуатации;
-
При проведении исследования выполнять на опытном участке (шлюз № 2) наблюдения за планово-высотным положением сооружения;
-
Выполнить инженерно-геологические изыскания с целью уточнения физико-механических характеристик грунтового массива опытного участка;
-
Запроектировать опытный участок для оценки эффективности выполненных ранее мероприятий по повышению безопасности эксплуатации сооружений;
-
Выполнить численное моделирование влияния грунтового массива на стену сооружения;
-
Выполнить численное моделирование слабо-армированного бетона стены камеры с учетом ее фактического состояния;
-
Выполнить сравнительную оценку результатов численного моделирования с результатами фактических наблюдений;
-
Выполнить вариантную проработку методов усиления стен камер шлюзов, с разработкой метода ремонта на примере шлюза №2.
Решение перечисленных задач позволит оценить фактическую несущую способность стен шлюза, а также эффективность и достаточность ранее выполненных мероприятий по их закреплению.
Научная новизна
Теоретически обосновано фактическое напряженно-деформированного состояния стен камер шлюзов канала имени Москвы (на примере шлюза №2).
Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояние стен камер шлюзов доковой конструкции с неразрезным днищем с учетом поэтапности возведения, длительной эксплуатации, эффективности выполненного усиления.
Обоснованы технологические решения по восстановлению и усилению стен камер шлюзов канала имени Москвы.
Теоретическая значимость работы
-
Представлены расчетно-теоретические обоснования особенностей работы и характера разрушения стен шлюзов канала имени Москвы, развитие деформаций и трещин в слабо-армированных бетонных элементах.
-
Проведена оценка эффективности и достаточности методов закрепления стен камер шлюзов доковой конструкции с неразрезным днищем.
Практическая значимость работы
-
Cделан анализ результатов расчета несущей способности слабо-армированных бетонных элементов с трещинами, сопоставленный с результатами численного моделирования и экспериментом;
-
Разработана методика оценки эффективности и достаточности методов закрепления стен шлюзов;
-
Разработаны рекомендации и конструктивные решения по усилению и ремонту стен камер шлюзов.
Методология и методы исследования
При проведении исследований использованы теоретические и экспериментальные
данные, полученные отечественными учеными, научно-исследовательскими организациями и
инженерами в области изучения слабо-армированных бетонных конструкций,
взаимодействующих с грунтами обратных засыпок.
Основные методологические положения согласуются с общепринятыми методами научных исследований, основанных на принципах строительной механики, механики грунтов, теории упругости и пластичности.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния грунтового и бетонного массивов стен камер шлюзов докового типа с неразрезным днищем;
-
Методика оценки эффективности и достаточности выполненных конструктивных решений закрепления стен шлюзов;
-
Рекомендации по усилению и ремонту стен камер шлюзов.
Степень достоверности результатов:
-
Экспериментальные исследования выполнены на основании стандартных методик и нормативной документации; результаты исследований получены на сертифицированном оборудовании.
-
Использованы данные, полученные на основании лабораторных исследовании и результатов численного моделирования.
-
Теоретическая часть расчетов основана на общих принципах строительной механики, механики грунтов и согласуется с результатами экспериментальных исследований.
Личный вклад автора
Заключается в постановке задач исследования, выборе объектов и методов исследования, разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, разработке и выполнении расчетных исследований, проведении наблюдений и получении результатов экспериментов, их анализе и обобщении, разработке методики оценки эффективности и достаточности выполненных мероприятий по закреплению стен шлюзов.
Апробация работы:
Основные материалы выполненного исследования докладывались на научно-технической конференции "Обеспечение безопасности и надежности судоходных гидротехнических сооружений" – Научно-практическая конференция на базе ФГОУ ВПО «НГАВТ» и ФБУ Обское ГБУ в 2012 году и опубликованы в 3 научных статьях в ведущих рецензируемых научных изданиях.
Публикации:
Результаты диссертации достаточно полно изложены в 3 научных работах, в том числе 2 статьи - в журналах, включенных в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ.
Состав и структура диссертационной работы:
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Общий объем работы составляет 145 страниц, в том числе 103 рисунка и 12 таблиц.
Методы усиления стен шлюзов, выполненные за годы эксплуатации
В период с 2006-2012 гг. интенсивность подъема стен камеры шлюза составила 0,3 мм/год. Рассматривая величины осадок по отдельным точкам каждого массива, можно отметить, что большинство элементов имеет неравномерную осадку.
За период эксплуатации с 1937-2012 гг. максимальная неравномерность подъема стен камеры шлюза в продольном направлении составляет 10мм (секция №1); в поперечном -18мм (секция №8); неравномерность осадок соседних бетонных элементов составляет 32 мм (нижняя голова-секция №15).
Наблюдения за перемещением верха стен камеры шлюза относительно верхней головы ведутся с помощью уголковых щелемеров. В период 2013-2016 гг. интенсивность горизонтальных перемещений верха стен камеры относительно верхней головы по восточной стороне составляют от 0 до + 0,5 мм/год – смещение в засыпку (секции №№ 2-15) и 0,2 мм/год – смещение в камеру (секция №1). По западной стороне перемещения всех секций направлены в засыпку с интенсивностью от 0 до + 0,7 мм/год.
Схема перемещений западной стены камеры шлюза №3 по уголковым щелемерам (перемещения направлены в засыпку)
По наблюдениям (в период 2002 - 2016 гг.) за горизонтальными перемещениями нижней головы шлюза происходит раскрытие шва между секцией 15 и нижней головой и составдляет+0,1мм по западной стороне, +1,5мм – по восточной стороне.
По материалам натурных наблюдений на шлюзе №4 в период 2008 – 2014 гг. максимальная интенсивность осадки марок секций восточной стены составила -0,5 мм/год (секция № 12). По западной стене максимальная интенсивность осадки составила -0,5 мм/год (секции №№ 5-8). Характер осадок затухающий.
С момента начала эксплуатации по 2014 г. наибольшую неравномерность осадок в поперечном направлении 15 мм имеет секция № 4 наклон в сторону западной стены и наибольшую неравномерность осадок в продольном направлении 10 мм имеет секция №12 наклон в сторону нижнего бьефа. Увеличения неравномерности осадки нет.
Интенсивность горизонтальных перемещений за период 2011-2015 гг. составила по западной стене - 0,2 мм/год и направлена в камеру шлюза (секции №№ 1,13); по восточной стене от -1,4 до -1,7 мм/год (секции №10-14). Характер перемещений – затухающий.
Схема перемещений западной стены камеры шлюза №4 по уголковым щелемерам (перемещения направлены в засыпку) Характер раскрытия шва между секцией № 15 и нижней головой затухающий. Интенсивность по восточной стене за 2011-2014 гг. – 0 мм/год, по западной – -0,1 мм/год (закрытие). Нарушения герметичности нет. Самая интенсивная осадка шлюза № 5 проходила в строительный период: верхняя голова шлюза получила осадку около 60 мм, нижняя – 60 мм, а камера - 30 мм. С 1950 г. отмечается процесс подъема сооружения. Характер подъема затухающий. В период 2011-2016 гг. интенсивность подъема стен камеры шлюза по всем секциям на восточной стене составила от 0 до 0,4 мм/год; по западной стене от 0,2 до 0,4 мм/год.
В период 1974-1983 гг. на пороге были установлены контрольные высотные марки, по показаниям которых наблюдался подъем до 10-20 мм. С 1984 г. высотное положение стабилизировалось. Подъем порога по нивелировке 1984-2011 гг. составил 3 мм. Интенсивность по нивелировке 2003-2011 гг. равна -0,13 мм/год (по всем маркам). Тенденции к подъему порога нет.
Рассматривая величины осадок по отдельным точкам каждого массива, можно отметить, что большинство элементов имеет неравномерную осадку. В период 1937-2016 гг. максимальная неравномерность подъема секций камеры шлюза в продольном направлении составила 19 мм в сторону нижнего бьефа; в поперечном направлении – 7 мм. Неравномерность осадок соседних бетонных элементов «нижняя голова – секция №15» составила 22 мм и 31 мм. Наблюдения за перемещением верха стен относительно верхней головы ведутся с помощью уголковых щелемеров. Наблюдается тенденция к горизонтальным перемещениям стен камеры шлюза.
В период 2013-2016 гг. интенсивность горизонтальных перемещений верха стен камеры относительно верхней головы шлюза по восточной стене в сторону камеры составила от 0 до – 0,2 мм/год (секции №1, 12-15); в засыпку – от 0 до +0,3 мм/год (секции № 2-11). Интенсивность горизонтальных перемещений по западной стороне в сторону засыпки составила от 0 до + 0,4 мм/год (секции №1-15). 10. 0.00
Схема перемещений западной стены камеры шлюза №5 по уголковым щелемерам (перемещения направлены в камеру) По наблюдениям (в период 2001 - 2016 гг.) за горизонтальными перемещениями нижней головы шлюза происходит закрытие шва секция №15-нижняя голова: по западной стене - 7,4 мм; по восточной стене -1,9 мм.
По материалам натурных наблюдений за шлюзом №6 в период 2007 – 2012 гг. максимальная интенсивность подъема марок секций камеры составила от+0,3 мм/год до +1,0мм/год. Характер осадок затухающий. По уголковым щелемерам наблюдения начаты в апреле 1995 г. на западной стене камеры и в июле 1998 г. на восточной стене. Все секции восточной стены смещались в сторону камеры с незначительной скоростью. С 2009 г. смещение в камеру приостановилось и все секции стали смещаться в засыпку. За последние 3 года (20112013гг) незначительное смещение в камеру получила секция №12 -1,2мм (0,4мм/год).
Анализ материалов наблюдений, полученных с применением КИА
К концу сентября вся пазуха до отметки 132,18 м была засыпана суглинком. Засыпка пазухи песком и суглинком производилась без специального уплотнения. В соответствии с проектом профиль засыпки изменен.
Засыпка анкерных стенок, основание которых находится на отметке 124,50 м, произведена песком до отметки примерно 127, 50 м и суглинком до отметки 129, 00 м.
Часть работ, предусмотренных проектом, выполнена не была. Так выемка грунта обратной засыпки до трещины вдоль всей западной стены не произведена. Промывка и цементация трещины, а также устройство железобетонного упора с тыловой стороны секций в районе трещины не сделаны.
В межнавигационный период 1964-1965 гг. было выполнено визуальное обследование состояния бетона лицевых граней секций камеры. На всех секциях камеры отмечались волосяные трещины преимущественно в зоне переменного уровня воды. Сравнивая материалы визуальных наблюдений за 1950 г. и 1964 г. выявлено незначительное увеличение трещинообразования бетона лицевой грани. Прогрессирующее разрушение бетона было отмечено лишь на секции №11 западной стены. В связи с этим в 1972 году было выполнено ультразвуковое исследование бетона западной стены камеры [18].
При исследовании скважины располагались с шагом 7 м. По результатам были выявлены 3 зоны сохранности бетона: - зона 1 в интервале отметок 20,05-13/14 м характеризовалась повышенной пустотностью, значительной неоднородностью бетона и более низкими прочностными характеристиками сж= 180 кг/см2; - зона 2 в интервале отметок 13/14-8/8,5 м характеризовалась сравнительно однородными упругими и прочностными характеристиками сж= 204 кг/см2 - зона 3 в интервале отметок 8-8,5 м характеризовалась повышенной трещиноватостью и менее однородным бетоном, чем в зоне 2, но с более высокими прочностными показателями сж= 220 кг/см2.
В период с 1961 по 1973 гг. по данным службы эксплуатации наблюдался разворот верхней части поврежденных секций западной стены. Верх секций смещался в сторону засыпки на величину до 6 мм, низ поврежденной части секций – в сторону камеры на величину 8 мм. Для предотвращения смещения низа поврежденной части секций по плоскости блочного шва в зоне шва были установлены вертикальные стальные стержни (нагели) диаметром 160 – 180 мм и длиной по 5 м (рисунок 1.33) [36,41]. В период 1971–1972 гг. и в 1975–1976 гг. при обследовании поверхности восточной стены камеры шлюза, засыпанной в зимний период 1936-1937 гг. мерзлым грунтом, в семи секциях стены в районе вута были обнаружены горизонтальные прерывистые трещины [42,43]. В 1976 г. были проведены исследования качества бетона [15]. Выполненные исследования показали, что прочностные характеристики бетона в средней части на 10-20 % выше, чем в периферийных участках конструкции. В результате обследования выполненного в 1978 г. на восточной стене камеры была обнаружена трещина раскрытием до 3 см, заполненная битумом, мастикой и глинистыми частицами.
В связи с этим, на восточной стене камеры шлюза с мая по июль 1979 г. для снижения давления грунта была снята засыпка на 1,5 – 1,6 м.
В период с мая 1982 г. по сентябрь 1988 г. произведено усиление восточной стены шлюза. Усиление производилось путем цементации бетона в районе трещины с последующей установкой в скважины стальных стержней (нагелей). Бурились скважины с наклоном 5 – 8 в сторону засыпки, диаметром 150 мм (130 мм) на глубину 16, 10 м до пересечения трещины, что определялось либо по исчезновению промывочной воды, либо с помощью УЗК. Затем устанавливались нагели, состоящие из двух стальных стержней длиной 4,0 м и 4,55 м и диаметром 70 мм и двух стальных стержней длиной 3,5 м и 4,0 м и диаметром 100 мм, соединенных на резьбе с помощью муфт (рисунок 1.34). Готовая скважина заливалась цементным раствором состава 1:1, после чего в нее сразу опускался нагель. Нагели устанавливались с шагом 2,0 м. Кроме того, на каждой секции
Схема закрепления восточной стены устраивались две разведочные скважины [37]. В период с 1976 г. по 1997 г. на восточной стене камеры шлюза выполнен ремонт поверхностного слоя бетона. В 1992 г. выполнен отбор образцов-кернов из секции № 8 восточной и западной стены и определение их физико-механических характеристик. Отбор первых же кернов показал, что на исследуемых секциях на глубине 1 метр и более бетон имеет плохую сохранность. Выполненное исследование выявило глубокие разрушения бетона в диапазоне глубин от 90 до 130 см [44].
В 1998 г. выполнена оценка состояния стен методом радиоволнового геометрического зондирования [16]. Результаты показали, что в большинстве секций камеры шлюза бетон лицевой поверхности на глубину 1,5 м имеет плохую сохранность (прочность бетона менее 120 кг/см2).
В период с 2000 г. по 2007 г. на восточной и западной стенах шлюза № 2 произведен ремонт лицевого бетона методом «колонн» (рисунок 1.35-1.38). Работы выполнялись при осушенной камере. На каждой стороне секции камеры предусматривалось устройство в штрабах двух железобетонных колонн. Высота колонн – 8,0 м; ширина – 3,0 м; глубина от 1,0 м в нижней части до 0,6 м в верхней части. Сопряжение колонн с существующим бетоном стены производилось 96 анкерами диаметром 32 мм. Поверхностный слой бетона лицевой грани заменялся на глубину 30 – 50 см в зависимости от состояния старого бетона. Высота замены лицевого бетона – от вута до низа парапета. Бетон армировался сеткой с рабочей арматурой диаметром 32 мм и 22 мм (шаг 25 см) и соединялся со старым бетоном анкерами диаметром 32 мм. Бетонирование колонн и лицевой грани производилось тяжелым бетоном класса В30, F300, W8 на гранитном щебне фракции 5 – 20 мм [38,39].
Анализ напряженно-деформированного состояния системы в условиях наполнение опорожнение
На западной стене в период с 1998 по 2008 год по данным уголковых щелемеров наблюдается тенденция смещения стены в сторону обратной засыпки, с максимальной интенсивностью смещения +0,7 мм/год.
В период с 2009 по настоящее время наблюдается тенденция смещения секций западной стенки в сторону камеры по уголковым щелемерам с максимальной скоростью смещения (2008 - 2014г.г.) -1 мм/год (секция № 13,14). Перемещение остальных секций стенки направлены в засыпку с интенсивностью 0,1 мм/год.
Максимальные абсолютные значения перемещений отдельных секций за период наблюдений достигают 13,8 мм. За последние пять лет наблюдается некоторая стабилизация перемещений.
В период с 2008 г. по настоящее время горизонтальные перемещения секций западной стены по трехмарочным щелемерам направлены в сторону засыпки, максимальная интенсивность перемещений за 2008-2014 гг. составляет 0,8 мм/год.
Верх стенок имеет выраженные сезонные колебания со смещением стенок в сторону камеры зимой и на грунт – летом, средняя величина сезонных колебаний за период наблюдений составляет 10-12 мм.
Наблюдались взаимные смещения (расхождения) верха стенок по межсекционным швам с сезонными колебаниями, средняя величина которых достигает 2 мм/год. Средняя величина колебания перемещений стенок камеры при наполненной и опорожненной камере составляет 1-3 мм.
Фильтрация воды вдоль камеры шлюза № 2 определяется уровнями воды в бьефах, режимом работы шлюза и особенностями годового цикла изменения температуры воздуха и количества атмосферных осадков (дождя и снега).
Шлюз № 2, как и другие шлюзы Канала имени Москвы, имеет следующий годовой цикл работы [48]: с 1987 года период навигации длится с середины апреля до середины ноября, и шлюз работает в цикле «наполнение-опорожнение», а с середины ноября до середины апреля опорожненный шлюз работает как подпорное сооружение, т.е. семь месяцев шлюз работает, а пять месяцев стоит под напором, опорожненным до отметки уровня нижнего бьефа.
Проектный уровень воды в верхнем бьефе 130,00 м, в нижнем бьефе 124,00 м. Уровень воды в верхнем бьефе в период навигации изменяется незначительно относительно отметки 130,00 м, а в зимнее время с декабря по март опускается до отметки 128,50 м. В нижнем бьефе уровень воды определяется уровнем верхнего бьефа Иваньковского водохранилища и в период навигации уровень воды изменяется в пределах ± 0,3 м относительно проектной отметки 124,00 м, а зимой с декабря по март снижается иногда до отметки 118,50 м.
Наблюдения за фильтрационным режимом камеры шлюза выполняются с помощью трубчатых пьезометров, установленных вдоль западной и восточной стен шлюза.
Всего вдоль камеры установлено 28 пьезометров (рисунок 1.45), в рабочем состоянии находится 26 штук, замеры уровней воды в пьезометрах выполняются с периодичностью один раз в месяц. Схема расположения пьезометров на гидроузле № 2 Анализ результатов пьезометрических измерений основан на данных, располагаемых каналом имени Москвы за период с 1959 г. по настоящее время. Изучение результатов пьезометрических наблюдений позволило выявить ряд закономерностей в фильтрации воды вдоль камеры шлюза: Фильтрационный режим шлюза имеет неустановившийся в течение года циклический характер и два периода. Первый (навигационный) период характеризуется постепенным снижением кривой депрессии вдоль стен камеры шлюза в направлении от верхней головы к нижней и при достижении максимального подъема кривой депрессии вдоль камер шлюза весной (апрель-май) и в августе-октябре. Второй (зимний) период характеризуется постепенным спадом кривой депрессии вдоль стен камеры шлюза в направлении от верхней головы к нижней, при достижении максимального снижения в декабре-марте в зависимости от особенностей годового цикла изменения температуры воздуха и количества атмосферных осадков (дождя и снега).
На основе сравнения положения кривой депрессии вдоль стен камеры шлюза в марте и октябре можно сделать вывод, что в период навигации кривая депрессии поднимается на один – два метра и выравнивается вдоль стены. Этот эффект можно объяснить тем, что в период навигации происходит насыщение обратной засыпки водой, фильтрующейся из наполненной камеры через трещины в бетоне и через температурно-осадочные швы. Это предположение подтверждается тем, что при ремонте стен камеры шлюза были выявлены трещины с раскрытием более сантиметра и заполнением их грунтом обратной засыпки.
Сравнение положения кривой депрессии в обратных засыпках западной и восточной стен показывает, что кривая депрессии у восточной стены имеет больший размах изменений и выше кривой депрессии у западной стены на метр и более. В период навигации кривая депрессии у восточной стены находится на отметках 128,0-129,0 м, что на 1-2 м метра выше расчетного уровня воды 127,00 м.
Неоднозначность результатов наблюдений за фильтрационным режимом может объясняться отсутствием единого водоносного горизонта в обратной засыпке и различной глубиной установки пьезометров.
При строительстве шлюза бетон поставлялся с разных бетонных заводов, использовавших разные заполнители и различные марки цементов. В связи с этим часто не выдерживались проектные требования по составу бетона и использовался мягкий заполнитель (известняк). Бетон укладывался в зимний период и в отдельных зонах плохо проработан.
В днище шлюза зона ослабленного бетона располагается вблизи осевого сечения камеры и распространяется на глубину 0,5 – 2,5 м от поверхности днища.
Оценка состояния бетона лицевой поверхности камеры выполнена по материалам регулярных визуальных осмотров, выполненных в период диссертационного исследования и ранее, материалов, полученных в межнавигационный период 2013-2014 гг. при откачке камеры [48] и материалов лазерного сканирования
Расчетное обоснование варианта усиления стен шлюзов канала имени Москвы
Для оценки напряженно-деформированного состояния бетонного массива камеры шлюза был выполнен численный эксперимент, а именно моделирование массива в среде программного комплекса ANSYS Workbench.
В данном исследовании рассмотрена численная модель части секции камеры шлюза. Оценка напряженного состояния железобетонных стен камеры шлюза выполнялась с учетом наличия строительных швов в конструкции, собственного веса сооружения, трещинообразования и действия нагрузки от давления грунта обратной засыпки.
Нагрузки от грунта обратной засыпки были получены в ходе расчета напряженно-деформированного состояния грунтового массива в программно-вычислительном комплексе Plaxis (рисунок 3.1.) и приложены к разработанной модели.
В связи с использованием при строительстве камеры слабо-армированного бетона, в расчете армирование стенки задано в виде слоя в распределенной формулировке. Зона трещины моделировалась как область с аналогичной моделью материала, но пониженным модулем упругости.
В связи с разными схемами закрепления стен, выполненными за годы эксплуатации, в исследовании отдельно рассмотрено напряженно-деформированное состояние восточной и западной стен камеры шлюза.
Исходные данные, использованные при исследовании: - новый бетон (уложенный при выполнении ремонта «методом колонн»), глубиной 0,4 м от лицевой поверхности камеры шлюза: В20, модуль упругости 3,82 10 МПа. - старый бетон (уложенный при строительстве по проекту - водопроницаемый и морозостойкий бетон марок 90 и 110): В8, модуль упругости в зоне переменного уровня 0,57 104МПа, модуль упругости ниже отметки уровня нижнего бьефа - 3,53 104МПа [45]. Коэффициент Пуассона для бетона = 0,2, для стали =0,3. Модуль упругости стали Ес=2,1 106 кг/см2 Прочность бетона [72]: В20 на сжатие 11,7 МПа, на растяжение 0,9 МПа. В7,5 на сжатие 4,5 МПа, на растяжение 0,48 МПа. Коэффициент трения по контакту между блоками бетонирования принимался равным 0,7 [73]. При исследовании закрепление расчетной области выполнено по подошве днища камеры. При расчете западной стены камеры в расчете не учитывалось усилие в анкерных тягах, в связи с отсутствием данных о величине их фактического натяжения и отсутствии значительной тенденции перемещения стены камеры в сторону засыпки.
Разница в расчетных схемах обусловлена разным видом металлических стержней-нагелей, использованных при закреплении стен, различным состоянием металлических стержней-нагелей (коррозионным износом элемента), их шагом, геометрическими размерами закрепления. При моделировании восточной стены учитывалось отсутствие заполнителя в скважине нагеля и отсутствие контакта нагеля с материалом стены.
Расчет выполнен для ремонтного случая (осушенная камера), наличие временной нагрузки на поверхности грунта обратной засыпки не учитывалось. Ширина расчетной области стен камеры для обеих секций 5 метров. иллюстрирует нахождение матрицы [Kt] и вектора {F"r} Рисунок 3.2. - Геометрическая интерпретация метода Ньютона-Рафсона Метод Ньютона-Рафсона [100] является итерационным методом решения нелинейных задач. Метод заключается в отыскании на каждом шаге нагружения такого вектора внутренних сил, при котором система находится в равновесии. На каждой итерации выполняется решение системы линейных уравнений для нахождения приращения перемещений, на основании которых вычисляется вектор уравновешивающих сил. Итерации выполняются до тех пор, пока невязка между вектором внешних положительных сил и вектором уравновешенных сил не станет ниже заданного значения (критерия сходимости). Для нахождения вектора уравновешивающих сил в пределах подшага выполняются равновесные итерации [75]. Для задач с учетом нелинейности, зависящей от “пути” нагружения, требуется нагрузку {Fa} задавать пошагово [74]: [КПіі\Т{Ащ} = {Fna} - {F[} (3.4) где: [Кпі\ - тангенциальная (касательная) матрица для n-го шага по времени и і-ой итерации; {Fn} - полный вектор приложенной нагрузки на n-ом шаге по времени; {F[} - вектор восстанавливающей нагрузки, соответствующий элементной итерационной нагрузке на n-ом шаге по времени и і-ой итерации.
Геометрическая интерпретация шагового (инкрементного) метода Ньютона Рафсона Когда матрица жесткости обновляется на каждой итерации, тогда речь идет о полном методе Ньютона-Рафсона. Сходимость достигается при условии: \{R}\ eRRref I{ЛиJ euuref (3.4) где: {R} = {Fa} - {Fnr} (3.5) {F a} - полный вектор приложения нагрузки; {F nr} - вектор восстанавливающей нагрузки; {Ащ} - приращение перемещений; Учет наличия строительных швов в конструкции стен выполнен при помощи нелинейного контактного элемента, учитывающего трение. Для решения контактной задачи был использован расширенный метод Лагранжа, основанный на следующей зависимости [75]: Fn = kn-xp, (3.6) где кп - контактная жесткость (в направлении нормали к поверхности); хр - величина проникновения (по нормали к поверхности).
В связи с выполнением исследования в нелинейной постановке и использованием нелинейных контактных элементов в работе использован полный метод Ньютона-Рафсона с несимметричной матрицей жесткости.