Свойства бетона предварительно напряженных шпунтовых устройств

Аннотация

М.А. Таржиманов, Д.Р. Маилян

В статье рассматривается задача расчета ограждающих конструкций котлована с учетом деформационных характеристик взаимовлияющей системы "основание-сооружение". Дана оценка изменения жесткости предварительно напряженных шпунтовых устройств при импульсных динамических воздействиях.
Ключевые слова: удерживающие устройства, расчет, определение усилий, преднапряженный бетон, динамическое воздействие.

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Шпунтовые устройства - часто возводимые элементы сооружений. Они могут быть различных видов - от подпорных стенок до забивных свай.
При расчёте удерживающих устройств большое значение приобретает жесткость конструкции. Одним из путей повышения жесткости шпунтовых устройств и их общей устойчивости является использование предварительно напряженного бетона.
В преднапряженном бетоне происходят сложные явления, которые непосредственно связаны с развитием ползучести составляющих, перераспределением усилий между ними, образованием микротрещин между ними и др. Степень влияния каждого из этих факторов зависит от состава бетона, свойств составляющих (растворной части и заполнителей), возраста бетона к началу длительного обжатия, продолжительности его действия, уровня обжатия, температурно – влажностных условий среды и др.
В процессе обжатия и длительной выдержки в обжатом состоянии в растворной части образуются деформации укорочения,  превосходящие по величине деформации заполнителей, так как последние, особенно в тяжелых бетонах, имеют более высокие модуль упругости и прочность. При этом ползучесть заполнителей пренебрежимо мала.  По мере развития во времени ползучести в растворной части в результате внутреннего перераспределения усилий напряжения в заполнителе несколько возрастают, а в растворе снижаются.
При снятии обжатия бетона в растворной части деформации восстанавливаются не полностью, так как имеет место частичная необратимость ползучести, при этом заполнители работают почти упруго. Отмеченное приводит к тому, что после снятия нагрузки в бетоне сохранятся «собственные» напряжения – заполнитель остается частично сжатым, а в растворной части появятся растягивающие напряжения. С повышением уровня обжатия деформативность растворной части возрастает. Это приводит к большему проявлению указанного эффекта. Если уровень обжатия высок, то в процессе приложения сжимающей нагрузки в бетоне могут образоваться продольные микротрещины разрыва вследствие поперечного расширения образца.Такие трещины обычно образуются в растворной части или на её контакте с заполнителями, что влияет на прочность и деформативность бетона.
Влияние предварительных напряжений на свойства бетона при последующих статических нагружениях изучено обстоятельно.
Однако поведение таких бетонов при импульсных динамических воздействиях исследовано крайне недостаточно, поэтому в данной работе была поставлена цель восполнить этот пробел.
Коэффициент динамического упрочнения предварительно обжатого бетона обозначим  =/где - динамическая прочность предварительно обжатого бетона, а  – статическая прочность такого же бетона. Аналогично для необжатого бетона Kd= Rbd /Rb.
Обозначим через отношение коэффициентов динамического упрочнения предварительно нагруженного и необжатого бетона К_d.  Тогда /  =  /,   (1)
где   =  /  - коэффициент условия работы, учитывающий влияние преднапряжения на свойства бетона при статическом нагружении.

Из (1) следует, что призменная прочность предварительно напряженного бетона при импульсном воздействии равна
 =    (2)
По аналогии (2) получим:
 =    (3)
 =    (4)
Таким образом, для определения динамической прочности и полной диаграммы деформирования бетона, подвергнутого предварительному обжатию или растяжению, необходимо определить опытным путем значения указанных коэффициентов.Основной задачей работы было установление параметров диаграммы деформирования бетона подвергнутого предварительному сжатию (  и ) при динамических импульсных воздействиях.
При проведении экспериментов на первом этапе определялась степень изменения параметров  диаграмм "σ_b-ε_b" бетона, не подверженного предварительному нагружению, при динамических воздействиях. Затем, на втором этапе, определялась степень изменения диаграмм "σ_b-ε_b"предварительно нагруженного бетона при динамических воздействиях.
Объектом испытания были бетонные призмы размерами 100х100х400 мм.
Опытные образцы изготовлялись из тяжелого бетона проектной прочностью 25 МПа. Бетонная смесь приготовлялась из трахитового щебня с размером зерен 5-20 мм, речного кварцевого песка и портландцемента активностью 400 Новороссийского завода «Пролетарий». Состав бетона определялся на основе результатов испытаний бетонных кубов, изготовленных из контрольных замесов.
Перед бетонированием щебень и песок тщательно промывались и очищались от примесей. Бетон изготавливался в лабораторной бетономешалке.
Опытные образцы – бетонные призмы и кубы для предварительного сжатия изготавливались в металлической опалубке в горизонтальном положении.

В наших опытах падение преднапряжения к моменту стабилизации  составило        при   = 0,65 от 28 до 32%; при  = 0,45 - 31%; = 0,25 – 24…26%.
Анализ опытных осциллограмм показал незначительное различие в усилиях, фиксируемых на верхнем и нижнем динамометре (до 3…5%). Развитие деформации носило плавный характер, волновые процессы деформирования зафиксированы не были.
Опыты показали, что коэффициент динамичности для обычных (не подвергнутых предварительному обжатию) призм составил 1,3.
При предварительном обжатии призм отношение  /  в зависимости от начального уровня обжатия  и относительной прочности бетона к началу предварительного обжатия β= / возрастает в 1…1,12 раз.
С увеличением уровня обжатия уменьшением относительной прочности бетона  отношение  повышается.
Предельные деформации, соответствующие максимальным напряжениям при динамическом нагружении, оказались на 10% ниже, а модули упругости на 15…20% выше, чем при статическом.
Отношение предельной сжимаемости и модулей упругости бетона при динамическом нагружении к аналогичным характеристикам при статическом в предварительно обжатом бетоне выше, чем в необжатом в зависимости от указанных факторов в 1…1,11 раз и в 1…1,15 раз.
Применение математического планирования эксперимента позволило получить регрессионные зависимости коэффициентов, учитывающих влияние указанных факторов на свойства бетона при динамическом и статическом воздействиях.
В общем виде искомые зависимости при трехуровневых и двухфакторных планах имею вид:
 =  + + + + +      (5)

На основании выполненных нами экспериментов были получены опытные значения коэффициентов, отражающих влияние предварительного обжатия на механические свойства бетона при импульсивных воздействиях (табл.1). По этим данным по известным формулам математической статистики были вычислены свободные члены и коэффициенты уравнения (5), приведенные в табл.2.
В качестве функций  уравнения (5) приняты параметры
 =  =;  = ;  = ;  =  ;  =      (6)

Таблица 1

Опытные значения коэффициентов, отражающих влияние  предварительного обжатия бетона на прочность и деформативность при динамических импульсных воздействиях

	0,25	0,45	0,65	0,25	0,45	0,65	0,25	0,45	0,65
0,7	1,06	1,09	1,012	1,04	1,08	1,11	1,05	1,15	1,1
0,85	1,03	1,06	1,09	1,01	1,05	1,08	1,02	1,11	1,08
1	1	1,02	1,05	1	1,03	1,06	1	1,05	1,05

Сопоставление опытных и теоретических значений параметров
,    показало их близкую сходимость.

Проверка адекватности предложенных зависимостей показала их пригодность для оценки изменения параметров диаграммы деформирования предварительно нагруженного бетона при импульсных воздействиях. Так, расчетное значение критерия Фишера (0,01…0,09) оказалось значительно меньше теоретического, а коэффициенты множественной корреляции были весьма высокие ( 0,97…0,99).
Таблица 2

Коэффициенты уравнения (5) для определения степени изменения свойств предварительно нагруженного бетона при импульсивных динамических воздействиях