Раздел 3. Наблюдения за массивными бетонными сооружениями

Раздел 3. НАБЛЮДЕНИЯ ЗА МАССИВНЫМИ БЕТОННЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

3.1. Визуальные наблюдения

Во время эксплуатации массивных бетонных сооружений (водосбросных или глухих бетонных плотин, подпорных стенок устоев и т. п.) систематически проводят визуальные и инструментальные наблюдения.

Визуальные наблюдения выполняют по специальным программам научно-исследовательских организаций за следующим общим состоянием бетона; фильтрацией через бетонные сооружения; уплотнениями швов, их раскрытием и образованием трещин; состоянием КИА, установленной для оценки эксплуатационной надежности бетонных сооружений.

Цель наблюдений за состоянием бетона — выявление трещин, потеков, налетов и напластования продуктов выщелачивания, раковин, пустот, отслаивания и выкрашивания бетона, обнаже­ния арматуры и т. п. Для удобства зарисовок возможных де­фектов и разрушений бетонную поверхность разделяют на отдельные участки с указанием на развернутой схеме. Визу­альные наблюдения за бетонной поверхностью проводят на по­верхностных и внутренних зонах (полости, смотровые галереи, колодцы, трубы, водоводы, находящиеся в осушенном состоя­нии). Поверхности бетонных сооружений, находящиеся в зоне переменных уровней, осматривают в период пониженных уровней поды во время летнего периода с лодки, а зимой — с прочного ледяного покрова.

Во время наполнения водохранилища и в первый год эксплуатации наблюдения ведут ежедневно в последующие 3...4 го;а—1...2 раза в неделю, а в дальнейшем — не реже 1 раза в неделю при нормальной работе сооружения. При обнаружении трещин, развитии замеченных дефектов наблюдения осущест­вляют чаще (через 3...5 сут) или ежедневно. Во время паводка наблюдения проводят ежедневно.

При визуальных наблюдениях за прочностью бетона, кроме тщательного осмотра, поверхность периодически простукивают молотком и опробовают зубилом. Жесткий звонкий стук свиде­тельствует о хорошей прочности, а глухой стук, при котором могут происходить откол или вмятина, — о низкой прочности бе­тона. В случае неплотного прилегания плит-оболочек к массиву или отслаивания больших площадей бетона появляется звук, характерный для закрытых пустот.

Для фиксирования в журналах наблюдений очагов фильтрации через бетон существуют принятые определения: влажные пятна — бетон на ощупь сырой; мокрые пятна — после прикосновения рука увлажняется; сочащиеся участки поверхности —бетон покрыт пятнами, но без течей; течи: малые—стекающие капли, средние — стекающие струйки, большие — наличие сплош­ного слоя текущей по бетону воды; свищи — отдельные струи, отрывающиеся от бетона; потеки и налеты продуктов выщелачивания на поверхности бетона.

Все дефекты, обнаруженные в процессе визуальных наблюдений, фиксируют в журнале: зарисовывают, фотографируют, указывают дату, объем и привязку местоположения дефекта.

При зарисовках в журнале визуальных наблюдений все дефекты нумеруют и фиксируют в соответствии с условными обозначениями (рис. 3.1). При этом обращают внимание на разме­ры и интенсивность раскрытия трещин и швов, следы вытекания заполнителя швов, повреждения кромок, степень влажности пятен, природу происхождения трещин в бетоне, интенсивность их раскрытия, глубину раковин, отслаиваний, величину истирания бетона, наличие обнаженной арматуры, площадь, цвет, толщину, влажность налетов и потеков, фильтрата и др. Выявленные дефекты должны быть обозначены пометками на развернутых схемах сооружений и их элементов.

Трещины, возникающие на элементах гидротехнических со­оружений, подразделяются на усадочные, осадочные, температурные и эксплуатационные. Усадочные появляются в период твердения бетона при его сжатии, вызванном усадочными явлениями материала. Осадочные трещины возникают при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений в результате неравномерных осадок или подъемов. Они чаще всего пронизывают значительную часть сооружения или всю его толщу. Осадочные трещины наиболее опасные. Природа их возникно­вения может быть также обусловлена сейсмическими, оползневыми и другими явлениями. Температурные трещины образуются также в периоды твердения бетона (микротрещины волосяные) и эксплуатации при изменении температурных или температурно-влажностных воздействий. Эксплуатационные трещины возникают также в результате перегрузок отдельных элементов или всего сооружения в период эксплуатации. Они также относятся к категории наиболее опасных и со временем могут изменять свои геометрические параметры. В зависимости от характера развития трещины подразделяют на прогрессирующие (активные), возрастающие с течением времени; стабилизирующиеся (затухающие), развитие которых уменьшается; неактивные (пассивные), имеющие практически стабилизировавшиеся размеры.

Рис.3.1.Условные обозначения дефектов на бетонной поверхности:

1-трещина; 2-трещина с потоком; 3-трещина с сухим налетом; 4-мокрое пятно; 5-мокрое пятно с белым налетом; 6-потеки с бурым налетом; 7-фильтрация с выносом ржавчины; 8 и 9- капельная и струйная течи; 10-вытекание мастики; 11-белые сухие пятна; 12-бурые сухие пятна; 13- раковина; 14-пустоты под плитой; 15-значителбное истирание плит; 16-разрушение плит с обнажением арматуры.

При визуальных наблюдениях за швам особое внимание обращают на заполнение их уплотнителем и недопустимость образования в них льда. Значительная фильтрация через шов свидетельствует о нарушении уплотнения. Наибольшее раскрытие швов имеет место зимой, а наименьшее — летом. Увеличе­ние раскрытия швов в другое время свидетельствует о неравно­мерных осадках или горизонтальных смещениях. В этом случае переходят на систематические, более частые инструментальные наблюдения. Раскрытие трещины зачастую анализируют совместно с интенсивностью фильтрации через нее. Повышенная фильтрация указывает на увеличение раскрытия трещины или, если размеры трещины не изменились, на интенсивное выщела­чивание бетона. Уменьшение фильтрации может быть вызвано кольматацией трещины или раскрытого шва. При наблюдениях за трещинами оценивают расположение их относительно на­правлений максимальных растягивающих напряжений. Трещины обычно развиваются перпендикулярно направлению растяжения.

В процессе визуальных наблюдений убеждаются в исправности КИА и отсутствии ее повреждений.

Визуальные наблюдения за бетонными сооружениями явля­ются составной частью общих осмотров сооружений после зимней эксплуатации, паводка, стихийных явлений или аварий, а также во время или после значительных осадок водохранилищ. Осмотр подводных частей гидротехнических сооружений относится к специальным обследованиям и рассмотрен в 4.3.

3.2 Конструкция и принцип размещения приборов для наблюдения за осадками, горизонтальными перемещениями и наклонами.

Осадки бетонных сооружений определяют в основном геометрическим, тригонометрическим или гидростатическим нивелированием. Для первого и второго классов нивелирования при­менительно к бетонным плотинам на скальном и нескальном основаниях среднеквадратическая ошибка не должна превышать соответственно ±1 и +2 мм. Наблюдения за осадками бе­тонных сооружений позволяют оценить их состояние путем сопоставления осадок одних элементов относительно других, сравнения фактических осадок с проектными и наметить мероприятия по их прекращению.

Определение осадок сооружения геометрическим нивелированием достаточно подробно изложено в разделе. 2. Марки бетонных сооружений, как и грунтовых плотин, могут быть поверхностными, стенными, глубинными, временными и постоянными, строительными (рис. 3.2).

Рис 3.2. Высотные марки бетонных сооружений

а- поверхностные; б-стенные марки; в- глубинная марка; г- глубинная марка; д- строительная труба-марка; 1-марка; 2-фланец; 3-анкер; 4-крышка; 5-швеллер; 6-шаровый болт; 7- ключ; 8-корпус; 9-скоба; 10-арматура; 11,14- трубы; 12- штраба, заделанная бетоном; 13-бетонная подготовка; 15-соединительная муфта; 16 и 17- металлическая и бетонная плиты. Размеры в мм.

Поверхностная марка, служащая для установки на нее мерной рейки и определения отметки, размещается на закрепленном в бетон фланце или цилиндре. Сверху марка может быть как открытой, так и закрытой завинчивающейся крышкой. После измерения головку смазывают техническим вазелином для предохранения от коррозии. Два типа поверхностных марок показаны на рисунке 3.2,а Поверхностные марки размещаю, на всех секциях береговых устоев и плотины, что позволяет оценить осадку сооружения в пространстве, то есть в направлениях оси сооружения и движения потока. На высоких плотинах на скальном основании марки заделывают также в бетон низовой грани, ближайшей к основанию не затапливаемой смотровой галереи, по одной марке располагают у ее краев. Кроме того марки устанавливают в поперечных галереях через 8... 10 м на границах межстолбчатых швов.

Стенную марку (консольная) делают на консоли швеллера заделанного в бетонную поверхность. Она может быть закрытой или потайной (рис. 3.2,б). Приведенные конструкции стенных марок можно также применять в качестве реперов для различных сооружений, если их отметки не изменяются во вре­мени.

Глубинную марку (рис. 3.2, в) устанавливают для измере­ния деформаций основания под бетонными сооружениями или фундаментальными плитами водосливных плотин. Она размещается в закрытой завинчивающейся крышкой защитной трубе установленной на упорной металлической или железобетонной плите, заложенной в слое исследуемого грунта. Несколько установленных глубинных марок на границе различных слоев грунта основания позволяют оценить значения и причины осадок бетонного сооружения.

Конструкции временных марок для горизонтальных.и вертикальных поверхностей показаны на рисунке 3.2, г.

Строительная труба-марка (рис. 3.2,д) служит для определения осадок основания сооружения во время строительства [40] и представляет собой жесткую трубу, закрытую с двух сторон фланцами. К верхнему фланцу приваривают марку, которая закрывается крышкой. Нижний конец трубы заделывают цементным раствором в бетонной подготовке. В середине трубу приваривают к арматуре с помощью скоб. После укладки первого яруса бетона (2..4 м) марку наращивают. Нивелируя марку на разных уровнях укладки бетона, получают диаграмму осадок основания в период строительства фундаментной части сооружения. После достижения трубой смотровой галереи или верха сооружения устанавливают постоянную марку для наблюдения за осадками в период дальнейшего строительства и эксплуатации сооружения.

Осадки плотин, имеющих галереи со стабильной температурой, измеряют гидростатическим нивелиром (рис. 3.3). Прибор представляет собой два сообщающихся сосуда, наполненных водой. Об осадках сооружения судят по уровню воды в гидростатическом нивелире.

Рис 3.3 Гидростатический нивелир

1- труба уровня диаметром 100 ми. длиной 2 м; 2- гайки хомутов; 3--анкер в стенке; 4- полихлорвиниловые шланги;.5 — защитные трубы; 6- заглушка трубы; 7- хомуты крепления; 8- отверстие для заполнения водой; 9 - осадочные мерки; 10 — втулки для измерителя; 11 - измеритель- микрометр МК-25-27 с ценой деления 0,01 мм; 12- ниппель

С помощью тригонометрическое нивелирования определяют превышение одной марки относительно другой, измерив, угол наклона визирного луча и расстояние от прибора до марки

В период возведения плотины наблюдения за осадками проводят не реже 2 раз в месяц, в период наполнения водохранилища — ежедневно, в первые годы эксплуатации — 2 раза в год, в последующие годы в процессе затухания осадок— 1 раз в год.

Нивелирование, проверку приборов и реек, а также ведение записей и обработку результатов выполняют в соответствии с руководством [40].

Для измерения относительных горизонтальных перемещении бетонных плотин используют прямые или обратные отвесы. Пря­мой отвес (рис. 3.4, а) представляет собой обычный отвес с точ­кой подвеса в верхней части плотины, в середине и в основании в зависимости от ее конструкции, высоты плотины или целей измерений перемещений. Прикрепленный в нижней части груз обычно помещают в емкость, наполненную жидкостью для обеспечения демпфирования (успокоения) колебаний. Размещаю отвесы в вертикальных шахтах или в специально смонтированных трубах.

Рис. 3.4. Приборы для измерения относительных горизонтальных перемещений

а и б — прямой и обратный отвесы; в- схема совместного использования прямого и обратного отвесов; 1- обсадная труба; 2 — зацеп; 3 — инварная проволока; 4- бак с демпфирующей жидкостью; 5— груз; 6- столик для координатомера; 7 — координатомер; 8 — оптическое устройство; 9- кронштейн; 10—поплавок; 11 — оголовок отвеса; 12- шток поплавка; 13 — защитная груба; 14 — якорь

Перемещения измеряют в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях с помощью координатомера, смонти­рованного над грузом. Число прямых отвесов оп­ределяется для каждой плотины в зависимости от высоты и главным об разом от геологии. В од­нотипных секциях и гео­логических условиях отвесы располагают примерно через 100 м. В плотинах на нескальном основании прямые отвесы устанавливают через 3...4 секции [4].

Обратный отвес (рис. 3.4,6) представляет собой натянутую нить, внизу закрепленную с помощью якоря, а вверху поддерживаемую кольцевым поплавком, погруженным в бак с жидкостью. Якорь омоноличивают в забое скважины, пробуренной в основании и защищенной обсадной трубой. Координатомер в обратном отвесе располагают несколько ниже бака с поплавком. Обратный отвес — более универсальный прибор, так как с его помощью можно определить перемещения гребня плотины относительно заданной точки основания и подошвы плотины относительно точки закрепления якоря отвеса. Установив несколько обратных отвесов на разной глубине основания, можно определить глубину его активной зоны и др. Зачастую одновременно предусматривают устройство прямых и обратных отвесов (рис. 3.4,в).

Относительные горизонтальные перемещения отдельных секций определяют с помощью нити длиной до 600 м, натянутой и смотровой галерее и закрепленной в крайних секциях по мар­ки, установленным на секциях плотины.

Наклоны гидротехнических сооружений или их элементов определяют с помощью геометрического нивелирования марок, размещенных на напорной и низовой гранях сооружения, по дан ним гидростатического нивелира или с помощью накладного (рис. 3.5) либо дистанционного клинометра. С помощью клинометра определяют угол наклона площадки, на которой он установлен, по разнице отсчетов на микрометренном винте для различных периодов. Микрометренным винтом (устройством) вы­водят цилиндрический уровень в горизонтальное положение до измерения и во время взятия отсчета. Для измерения угла наклона вертикальных поверхностей применяют также инклинометры, уклонометры.

Рис 3.5 Схема накладного клинометра:

1 — ось, 2 — пластина; 3 — цилиндрический уровень; 4 пружина; 5 — игла; 6- микрометренный винт; 7- барабан со шкалой; 8- указатель отсчета; 9- корпус мнкрометренного измерителя; 10 — станина; 11 — подставка для крепления прибора.

3.3. Конструкции и принцип размещения приборов для наблюдения за трещинами и швами

Трещины на элементах гидротехнических сооружений возникают вследствие неравномерных осадок, напряжений от внешних нагрузок, а также температурно-усадочных явлений. За тре­щинами наблюдают с целью анализа причин взаимных перемещений элементов плотин, оценки прочности сооружения и выявления состояния арматуры, когда она, обнажаясь в трещине, подвергается более интенсивной коррозии.

Один из простейших способов наблюдения за трещинами — нанесение краской или острым инструментом границ трещины. По истечении определенного времени снова отмечают концы трещин. Таким образом устанавливают развитие трещин во времени. Достаточно широкие трещины (>1 мм) можно измерить не только по длине, но и по глубине. Для этого используют щуп или краску, которую заливают в трещину. После высыхания краски бетон с одной стороны аккуратно скалывают. По величине проникновения краски определяют глубину трещины. Такой способ неприменим, если поблизости от поверхности бетона расположена арматура. В этом случае замеры проводят линейкой с миллиметровыми делениями или штангенциркулем.

Для оценки состояния трещины, замкнувшейся на грани элемента сооружения, широко используют маяки из гипса, алебастра, цементного раствора. Иногда маяки устраивают из органического стекла или металла, однако они более трудоемкие по сравнению с вышеприведенными, поэтому их применяют ограниченно. Место для установки маяка тщательно очищают от пыли и грязи, продувают сжатым воздухом и промывают водой. На маяке или поблизости от него обязательно наносят порядковый номер и дату его установки. Простейшая оценка состояния трещины заключается в следующем: если по истечении определенного времени в месте ее расположения на маяке не образуется трещина, значит, она не развивается; появление трещины на маяке свидетельствует о развитии анализируемой трещины.

Гипсовый маяк изготавливают из густого раствора, наносимого шпателем шириной 5... 10 см, толщиной 1...3 см и длиной 10...20 см (рис.3.6,а).

Маяки из органического стекла или обычного стекла (рис. 3.6, б, в) состоят из двух пластинок толщиной 3.. 10 мм, заделываемых одним концом в раствор и накладываемых друг на друга внахлестку с перекрытием в 2...3 см. Перед установкой на каждую пластинку наносят риски, которые должны совпадать во время установки маяка. О состоянии трещины судят по рас стоянию между рисками.

Рис. 3.6. Маяки для наблюдения за трещинами:

а- гипсовый; б и в — из органического и обычного стекла; г — алебастровый; д — металлический; е, ж — конструкции И.М. Литвинова; з — конструкции Ф А. Белякова, 1 — трещина; 2- маяк

В сырых местах маяки делают из цементного раствора или неразмокаемого материала (металл, текстолит, пластмасса и др.). В ряде случаев применяют маяки из алебастра (рис.3.6,г)

Металлические маяки изготавливают из прутка диаметром 3…4 мм длиной 20...30 см, устанавливаемого поперек трещины. При увеличении раскрытия трещины цементная облицовка., устроенная для крепления прутка, разрушается. Раскрытие трещины определяется по смещению прутка. Иногда применяют металлические пластинки простейшей формы с нанесенными на них рисками (рис. 3.6, д). Их накладывают одну на другую или соединяют встык.

Тип маяка и способ его установки выбирают в зависимости от местоположения трещины, имеющегося материала и ответственности сооружения.

Существуют и более сложные конструкции маяков, являю­щиеся промежуточными между простыми маяками и шелемерами. Например, маяки конструкции И. М. Литвинова (рис. 3.6, е, ж) дают возможность получить качественные и количественные показатели развития трещин. Расстояние между измерительными крючками маяка, замеренное штангенциркулем, позволяет судить о величине раскрытия трещины. При этом точность измерения составляет не более 0,02 мм. Для трещин, возникающих в углах элементов сооружений, применяют конструкцию, приведенную на рисунке 3.6 ж. Имеются и другие конструкции маяков. Так, Ф. А Беляков предложил устанавливать по обеим сторонам трещины две прямоугольные гипсовые, алебастровые или из цементного раствора плитки размером 10x6x2 см (рис. 3.6,з). B каждую из плиток до затвердения раствора помещают по пять игл, возвышающихся на 1...2 мм над поверхностью. Плитки размещают таким образом, чтобы верхний ряд игл находился на одной прямой, а нижний на другой, параллельной первой для обеих плиток. Прикладывая периодически лист бумаги, прикрепленный к фанере, получают проколы на нем. По расстояниям между точками судят о состоянии трещины. За установленным маяком наблюдают в течение первых двух-трех недель ежедневно, а затем — по мере стабилизации через 7... 10 сут.

На ответственных сооружениях (I…III класса капитальности) или элементах чаще всего наблюдения ведут с помощью закладных или накладных щелемеров, которые условно подразделяют на одноосные, плоскостные и пространственные.

Одноосные щелемеры (рис. 3.7) представляют собой два металлических элемента, закрепленных по обе стороны трещины с фиксированными головками (колками), служащими для измерения расстояния между ними с помощью штангенциркуля или микрометра.

Рис 3. 7. Одноосные щелемеры:

а- штыревой закладной для временных наблюдений; б — закладной для длительных наблюдений; в — конструкции Ленгидэпа; г — часового типа с точностью до 0,01 мм; д- накладной из уголков; е –для наблюдения за расхождением широких (50…60 см); 1-шов (трещина); 2 — фиксированная головка; 3- анкер; 4 — индикатор частного типа; 5 —кронштейны; 6 - опорная плоскость с зажимным винтом; ж —накладной щелемер, 1 - металлическая плита 2 - стержни; 3 — штангенциркуль, 4 — шарики; 5 — гайка; 6 — анкер; 7 — анкерная скоба; 8 — шов. Размеры в мм

Плоскостные щелемеры имеют пластины, перекрывающие друг друга, с насечками шкал и опорных рисок, в двух направ­лениях.

Различные конструкции пространственных щелемеров показаны на рисунке 3.8. Они подразделяются на стержневые (рис. 3.8, а) и марочные (рис. 3.8,6). Стержневые щелемеры представляют собой два стальных стержня или пластины, изогнутых таким образом, чтобы между ними можно было проводить измерения в двух плоскостях. Для определения раскрытия трещин в двух плоскостях может быть применен также щелемер конструкции Ленгидэпа (рис. 3.8, в) при наличии на нем опорных рисок. Достаточно широко распространен марочным щелемер В. П. Бомбчинского (рис. 3.8,6). Он представляет систему трех чугунных марок, устанавливаемых по вершинам равностороннего треугольника со сторонами 200...600 мм. На базисной стороне треугольника, ориентированной параллельно шву, располагаются две марки, а на другой — одна. Марки щелемера можно также использовать как высотные. Наличие в марках цилиндрических отверстий позволяет измерять расстояние между ними с помощью штангельщелемера (рис. 3.8. в)

В местах, недоступных для открытого наблюдения, не ближе 1,5…2 м от наружной поверхности устанавливают дистанцион­ные закладные щелемеры, обычно струнного типа, а также тедетеизометры (см 3.4).

Щелемеры устанавливают с помощью шаблона, который за­тем снимают, и по истечении 7...10 сут берут нулевой отсчет. В начальный период образования трещины наблюдения прово­дят ежедневно. По мере ее стабилизации или в первый год эксплуатации наблюдения проводят 1 раз в 7... 10 сут. После трех лет эксплуатации наблюдения осуществляют 1 раз в месяц. При записи показания щелемеров необходимо измерять также температуру воздуха или воды, если щелемер находится ниже ее уровня. В журнале наблюдений отмечают: номер щелемера, дату наблюдений, начальный отсчет, последующие отсчеты, по которым определяется отклонение от начального отсчета.

Рис. 3.8. Щелемеры для измерения раскрытия швов (трещин) в плоскости (а) пространстве (б) и штангенщелемер (в)

1-опорная игла; 2 и 3- круглый и цилиндрический уровни. 4 — линейка со шкалой; 5-барабан иглы; 6- движок; 7- микрометрическая игла. Размеры в мм

3.4. Способы определения прочностных характеристик и напряженно-деформированного состояния бетона

Прочность бетонных и железобетонных сооружений определяют различными способами, которые подразделяются на две основные группы: разрушающие (несущественно и значительно) и неразрушаюшие. Разрушающие способы более трудоемки, сложны и не всегда приемлемы, так как могут привести к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида исследуемого элемента.

Рис.3 9. Внешний вид приборов неразрушающего контроля железобетонных конструкций:

а- ультразвуковой прибор УКБ-1М, б- ультразвуковой толщиномер «Кварц-6»; в — измеритель напряжений и трещин ИНТ-М2; г- измеритель толщины покрытия ИТП-1; д- измеритель параметров армирования; 1-регистрирующий прибор; 2-преобразователь.

Поэтому наибольшее распространение находят неразрушающие способы контроля прочности конструкций. К ним от­носит: ультразвуковые — ультразвуковой, резонансный и поверхностные волны, радиационные—нейтронные, гамма-излучения; электромагнитные — поглощение света высокой частоты (СВЧ), поля электромагнитной индукции и др.

Наибольшее применение при толщине конструкции до 15м нашел ультразвуковой способ. При этом используют приборы: УКБ-1, УКБ-1М (рис. 3.9, а), «Кварц-6» (рис. 3.9.б), ИНТ-М2 (рис. 3.9.в), ИТП-1 (рис. 3.9.г), УК-16П, УФ-90ПЦ, «Бетон-8-УРЦ», УК-10П и др. [3]. Ультразвуковой способ основан на прохождении сигнала через исследуемый объект, его отра­жении и затухании. При толщине конструкции до 30 м используют ударный способ контроля качества бетона.

Прибор УКБ-1М служит для определения внутренних дефектов в бетоне и оценки его качества, а «Кварц-6»— для оценки толщины бетонных сооружений и металлических конструкций. Прибор ИНТ-М2 позволяет обнаружить скрытые трещины и зна­чения напряжений в сварных металлических частях бетонных сооружений.

Среди способов с несущественным разрушением бетона нашли широкое применение способы, служащие для определения поверхностной прочности сооружений. К ним относят способы пластических деформаций, при которых используют дисковый прибор Губбера ДПГ-4, эталонный молоток Кашкарова, молоток Физделя, пистолет Скрамтаева, строительно-монтажные пистолеты СМП-1, КМ, ПМ, ДИГ-4, способ упругого отскока с приме­нением склерометра Шмидта и др.

Дисковым прибором ДПГ-4 (рис. 3.10,а), предложенным А. М. Губбером, пользуются следующим образом. Не менее чем за 1 ч до испытания увлажняют подготавливаемый участок. Устанавливают прибор, а затем отводят диск на заданную вели­чину. Под действием собственного веса диск падает и оставляет отпечаток на бетонной поверхности. По его длине и калибровочной кривой определяют прочность бетона. На испытываемой поверхности (площадью до 0,5 м²) делают не менее 12 отпечатков. Прочность бетона находят по зависимости:

R=АН/(l³* а). (3.1)

где А — эмпирический коэффициент, принимаемый для вертикальных поверхностей бетона равным 4850 кг/см, для горизонтальных -5600 кг/см; Н высота падения диска, определяемая по зависимости Н= lsinφ; φ -— угол поворота стержня прибора; l — длина отпечатка, см; а- расстояние от центра диска до втулки, равное 25 см.

Молоток Кашкарова (рис. 3.10,6) основан на использовании механических свойств стали эталонных стержней. После ударов молотком по исследуемой поверхности замеряют диаметр лунки на бетоне d_б, и на эталонном стержне d_э, которую оставляет стальной шарик молота диаметром 15 мм. Прочность бетона на сжатие определяют с помощью калибровочного графика (рис. 3.10,6) по диаметрам не менее 10 отпечатков, а предварительно напряженных элементов (плиты, балки и др.) — не менее 15...20. Экспериментальные испытания прочности молотком Кашкарова показали точность 4...6%.

Молоток Физделя (рис. 3.10, в) имеет на одном конце стальной шарик диаметром 17,463 мм, оставляющий при ударе сферическую лунку на бетоне.

Рис. 3.10. Приборы для определения поверхностной прочности сооружения с несущественным разрушением бетона:

а- ДПГ-4; 1- хвостовик; 2 — опорное устройство; 3 — муфта; 4 — шарнир; 5 –ось; 6-стержень; 7-диск; 8 — цементированная кромка; 9 - шкала угломерная; 10 —стрелка-отвес; б — молоток Кашкаиов и калибровочный график; 1— головка; 2- стакан; 3 - корпус; 4 — пружина; 5 - эталонный стержень; 6 - шарик из высокопрочного металла; 7 –ручка; в- молоток Физделя и калибровочный график; 1 — корпус, 2 — шарик; 3-ручка. Размеры в мм

По калибровочной кривой, зная диаметр лунки d_б, определяют прочность бетона на сжатие. Существуют также приборы со значительным разрушающим воздействием на элементы сооружения. К ним можно отнести приборы: ГПНВ-5 (рис. 3.11,а), отрывающий бетон с диском, ГПНВ-5 с приспособлением УРС (рис. 3.11, б), скалывающий ребро конструкции, ГПНС-4 (рис. 3.11,в), отрывающий и скалывающий.

Рис. 3.11. Схема действия приборов, основанных на разрушающем воздействии элементов сооружения: а- ГПНВ-5; б- ГПНВ-5 с приспособлением УРС; в-ГПНС-4; 1-элемент разрушения; 2-иследуемый образец.

Для проверки прочности бетона в глубине массива сооружений с целью оценки их дальнейшей пригодности к эксплуатации выбуривают образцы (диаметр 100 мм) и испытывают их на прочность на специальных стендах. При этом влажность образ­ца (керна) должна при испытании соответствовать влажности массива, так как прочность бетона значительно изменяется в зависимости от степени его водонасыщения. Опытный специа­лист предварительно может достаточно точно оценить состояние бетона в глубине массива на основе визуального анализа образ­ца (цвета, пористости, плотности, наличия заполнителя). Для предварительной оценки прочности бетона применяют также сборный фотобуроскоп конструкции Гидропроекта. Взятые образцы отправляют в лабораторию, где их испытывают согласно ГОСТу «Бетон гидротехнический. Методы испытания бетона». Чтобы восстановить монолитность бетонного сооружения, скважины мест взятия образца бетонируют или торкретируют с вибрированием и армированием с помощью стержней или сетки на анкерах Иногда пробуренные скважины одновременно используют для оценки бетона на водонепроницаемость. С этой целью через них в бетон нагнетают с заданным давлением воду. Водонепроницаемость бетонного массива определяют по удельному водопоглощению.

Напряженно-деформированное состояние сооружений характеризуется следующими параметрами [36]: напряжением и деформацией; давлением скалы на подошву (контактные нормальные напряжения); деформацией скалы в основании и в бортовых примыканиях; раскрытием межстолбчатых, межблочных, межсекционных швов, трещин, усилиями в арматуре; температурой бетона и основания; поровым давлением в бетоне; основными нагрузками и воздействиями на плотину (уровни, температура и т. д.).

В основном применяют два способа измерения напряжении тензометрический и с помощью закладных датчиков. Тензометрический способ заключается в определении с помощью тензометров относительных деформаций бетона и вычисления по ним напряжений по зависимостям, полученным для упругоползучего тела. Признано считать этот способ основным, так как с его помощью можно получить не только деформации, но и напряжения (нормальные и касательные). Он применим для измерений не только,на поверхности тела, но и внутри его.

Рнс 3.12. Схемы тензометрических розеток:

а-прямоугольная; б — дельтовидная; в — веерообразная; г — веерообразная с пятым тензометром, расположенным по нормали к плоскости розетки; д - объемная из шести тензометров; е -объемная звезда с девятью тензометрами, образующими веер в каждой координатной плоскости; ж — плоская розетка в скале

В мировой практике известны дискообразные преобразова­тели сжимающих напряжений, однако в отечественной практике они пока не нашли широкого применения из-за технологиче­ских трудностей, возникающих при установке их в массиве, и малой изученности взаимодействия с бетоном в условиях объемного напряженного состояния.

Непосредственно определить касательные напряжения трудно, поэтому относительные деформации замеряют по трем на­правлениям (ортогональным осям и под углом 45° к ним), а затем вычисляют весь комплекс напряжений в плоскости. При расчете объемного напряженного состояния относительные де­формации измеряют в шести, а иногда двенадцати направлениях. При исследованиях линейных напряжений, температурного состояния блоков, а также в ряде других случаев устанавливают одиночные тензометры. Схемы тензометрических розеток представлены на рисунке 3.12. Более подробно методика их размещения, монтажа и исследований изложена в рекомендациях [36]. В состав приборов измерительной точки, как правило, включают так называемый ненапряженный тензометр (образец), который служит для исключения деформаций, обусловленных свободными изменениями температуры и влажности бетона, не связанных с действующими в точке напряжениями.

Для телеизмерения статических относительных деформаций бетона, скалы и металлоконструкций сооружений служит преобразователь линейных деформаций струнный (ПЛДС) (рис.3.13,а). Прибор состоит из упругого элемента, резонатора (струны), электромагнитной системы возбуждения (преобразовательного элемента) и корпуса. Возникающие в бетоне деформации приводят к большому натяжению струны, обусловливающему изменение частоты колебания струны при выводе ее из равновесия электрическим сигналом.

Рис. 3.13. Струнные измерительные преобразователи

а — ПЛДС, б — ПЛПС; в — ПСАС; г — ПДС; д- ПТС; е – ПСУС; 1 — упругий элемент; 2 — резонатор (струна); 3 — преобразовательный элемент (электромагнитная система возбуждения)

. На таком принципе Гидропроект, ВНИИГ разработали большое число КИА, выпускае­мой отечественными промышленными предприятиями. Такими приборами струнного типа также являются: преобразователь. линейных перемещений струнный (ПЛПС) для телеизмерения раскрытия швов, трещин, деформаций скального основании (рис. 3.13,6); преобразователь силы в арматуре струнный (ПСАС) (рис. 3 13,в); преобразователь давления струнный (ПДС) для измерения гидростатического давления в пьезометpax, порового давления, нормальных напряжений в грунт (рис. 3.13,г); преобразователь температуры струнный (ПТС) для измерения температуры сооружений и оснований от —30 до +60ºС (рис. 3.13,d); преобразователь силы унифицированный струнный (ПСУС) для оснащения прямых и обратных отвесов в системах автоматизированного контроля (рис 3 13, е) и др.

Выпускают также коммутирующую, дистанционную и другую аппаратуру, позволяющую автоматизировать натурные наблюдения. К ней относятся: коммутатор преобразователей типа КП-24, рассчитанный на одновременное подключение 24 преобразова­вшей, периодомер цифровой портативный типа ПЦП-1 и пульт автоматизированной системы контроля состояния сооружена (ПАСК).

Наблюдения ориентировочно рекомендуется выполнять со следующей периодичностью. Во время строительства в первые сутки после установки преобразователей и перекрытия их бетоном — через 4 ч; в течение последующих 2 сут—через 8 ч; в течение первого месяца — ежедневно; затем до конца третьего месяца — 2 раза в неделю; в дальнейшем— 1 раз в 7…10 сут. В начальный период эксплуатации наблюдения проводят 1 раз и 10...15 сут, а в дальнейшем после стабилизации явлений, про­исходящих в бетоне, —1 раз в месяц, иногда и реже. Подробнее этот вопрос изложен в рекомендациях [361.

3.5. Способы наблюдения за фильтрацией через бетон и основание

Наблюдения за фильтрацией через бетонные сооружения позволяют судить о трещиноватости и пористости бетона, его выщелачивания фильтрующейся водой, качестве швов и работе уплотнений, а также о других фильтрационных свойствах бетона.

Малые фильтрационные расходы измеряют путем наложе­ния па очаг фильтрации щита с влагопоглощающим материалом (вата, фланель или др.) на определенное время. Взвешивая щит до и после его наложения, можно определить приток влаги, то есть расход профильтровавшейся воды. Такой способ прост, но имеет малую точность, однако он позволяет судить о качественной оценке фильтрации, что зачастую вполне достаточно.

Значительные фильтрационные расходы измеряют объем­ным способом. Для этой цели Фильтрат отводят с помощью ка­навок в мерный сосуд. При этом используют воронки с резиновыми уплотнениями, прижимаемыми к очагу фильтрации. Время сбора профильтровавшейся воды принимают в зависимости от интенсивности фильтрации до 10 мин. Фильтрация через тещины зимой увеличивается, летом — уменьшается. При нарушении такой цикличности происходит кольматация трещин или их раскрытие с выщелачиванием бетона. Фильтрационные расходы сопоставляют, если они получены при одинаковом напоре на сооружение и одинаковой температуре. В подводных и подземных частях сооружений, где невозможно измерить профильтровавшуюся воду, применяют метод откачки или нагнета­ния воды через специально пробуренные скважины. Скорость фильтрации определяют путем пуска краски или химических соединений в скважины, то есть так же, как это делают в мягких грунтах (см. 2.4). Иногда для характеристики фильтрации через бетон выбуривают керн для испытания, что весьма тру­доемко, или бурят скважины, в которые нагнетают воду (диа­метр скважины 45...78 мм). По удельному водопоглощению су­дят о фильтрации через бетон

Противодавление на подошву плотины контролируют путем измерения пьезометрических уровней в характерных точках под­земного контура. Точечные пьезометры, расположенные вблизи контакта плотины с основанием, называют контактными пьезо­метрами. В скальных основаниях бурят наклонные скважины из цементационной или специальной галереи по обе стороны цементационной завесы. Пьезометры по обе стороны дренажных галерей располагают обычно вертикально. В многослойном основании устраивают кусты глубинных пьезометров по обе сто­роны завесы в каждом характерном геологическом слое. В за­висимости от типа плотины, геологии основания, конфигурации подземного контура и других факторов принимают конкретную схему размещения КИА для фильтрационных наблюдений [20]. Причем большое внимание уделяют как фильтрации через осно­вание плотины, так и обходной фильтрации, что особо актуально для высоких плотин.

В бетонных плотинах необходимо измерять фильтрационные расходы через тело и основание сооружения. По этим данным судят об эффективности дренажных систем, об оценке водопро­ницаемости пород основания и напорной грани плотины, о филь­трационных режимах, вызванных изменением уровней воды в бьефах, о суффозионных процессах и др. Профильтровавшаяся через напорную грань плотины вода по вертикальному дренажу стекает в смотровую галерею. Затем по кювету (с уклоном) вода направляется в сборный колодец, откуда самотеком или с помощью насосов сбрасывается в нижний бьеф. Для измерения расходов применяют известные методы: объемный, поплавковый, солевой, мерными водосливами, гидрометрическими вертушками, расходомерами, по времени работы насосов и т. д. В ряде случаев фильтрационные расходы дополнительно контролируют на отдельных наиболее ответственных участках сооружения. В таком случае эту зону солируют, как, например, при оценке трещиноватости напорной грани или состояния швов на этом участке. В последние годы за фильтрационным расходом наблюдают также с помощью термометрических наблюдений, основанных на распределении и измерении температуры воды в пьезометрах. Для этой цели применяют термодатчики типа ММТ-51 и др.

В ряде случаев при фильтрации происходит коррозия бетона— снижение прочностных свойств бетона в результате возникновения химических реакций на поверхности и внутри его. Характер коррозии зависит от состава бетона, температуры и агрессивности среды (вода, воздух, водовоздушные соединения и т. п.), скорости обмена среды у его поверхности, градиента напора воды, плотности бетона, его напряженного состояния и наличия защитных слоев. Основными очагами коррозии явля­ются участки со слабым его уплотнением. В этих местах в первую очередь выщелачивается гидроокись кальция Са(ОН)₂ и появляются белые или желтоватые пятна, которые при нанесе­нии на них фенолфталеина приобретают красный цвет (присут­ствует известь). Количество извести в фильтрате определяют путем титрования пробы воды фильтрата в лаборатории. Вода, обладающая существенной гидрокарбонатной жесткостью (при отсутствии агрессивной углекислоты СО₂), способствует уплотнению поверхностного слоя бетона. Химический анализ проб воды с целью установления ее агрессивности проводят в лабо­раториях по стандартным методикам 1 раз в 2...3 года. При повышении агрессивности воды анализ проводят ежегодно. Нали­чие ионов Са²+ в фильтрате свидетельствует о растворении извести и выносе ее из бетона. Увеличение в фильтрате ионов SO^2- характеризует процесс образования кристаллов гипса, которые разрушают бетон.

3.6. Условные обозначения и примеры размещения КИА и массивных бетонных сооружениях

Для составления проектной документации, различных схем при выполнении наблюдений рекомендуется использовать обозначения, приведенные в таблице 3.1 [36].

В гравитационных плотинах напряжения измеряют в ряде точек, расположенных в поперечном сечении плотины на разных уронях, часто проходящих через межстолбчатые швы. Схемы размещения КИА в теле гравитационной плотины Усть- Илимской ГЭС и пьезометров в основании ее секции приведены соответственно на рисунках 3.14 и 3.15. Расположение арматурных динамометров в фундаментной плите водосливной плотины и пьезометров в основании Волгоградской и Каховской плотин показано соответственно на рисунках 3.16 и 3.17. Схемы размещения КИА в подпорной стенке и поверхности водосливной плотины даны соответственно на рисунках 3.18 и 3.19.

3.7. Анализ состояния массивных сооружений по данным наблюдений

3.1 Условные обозначения КИА для наблюдением за состоянием бетонных плотин

Рис. 3.14. Схема размещения КИА в плотине Усть- Илимской ГЭС (проект)

1-термометр; 2- одиночный тензометр; 3- то же в шве; 4- три взаимно перпендикулярных тензометра; 5- веерообразная розетка с тензометром, перпендикулярным к ее плоскости; 6- прямоугольная розетка; 7- то же в скале; 8- телещелемер; 9- пьезометр; 10 – датчик напряжений

Для анализа результатов наблюдений и исследований их графически оформляют и сопоставляют с расчетными величинами или ранее полученными. В виде графиков показывают: изменение во времени уровней воды в верхнем и нижнем бьефах; осадки сооружений во время строительства и эксплуатации; эпюры смещений и углов наклона секций сооружений колебания температуры воздуха в отдельных точках или элементах сооружения во времени и др.

В большинстве случаев изменение состояния сооружения или его секций носит закономерный характер При отклонениях от закономерного состояния сооружения анализируют результа­ты измерений, методику проведенных наблюдений, причины от­клонений. В условиях, когда нарушение работы сооружения может привести к неблагоприятным последствиям, осуществляют экстренные меры по устранению повреждений.

Причиной значительных деформаций секций массивных бетонных сооружений может быть нарушение работы основания. Поэтому необходимо проверить геологическое строение основания. Так, в условиях залегания водонестойких включений в основании могут возникнуть химическая суффозия, подвижка скального массива по поверхности тектонического разлома (при его наличии), карстовые или предоползневые явления.

'Смещение верхней части сооружения в сторону наибольших усилий свидетельствует о следующем: сдвиге бетонного массива по неустойчивому основанию; наклоне, появляющемся при неравномерной осадке основания, или изгибе элементов соору­жения, а также о существовании того и другого одновременно. Горизонтальные смещения отдельных секций зачастую возникают при наличии участков оснований с низкими сдвиговыми характеристиками.

Смещение гребня высокого сооружения определяют на основе анализа показаний отвесов. При равномерных его перемещениях по всей высоте можно предположить о смещении осно­вания или сооружения по контакту бетон —скала. Если перемещения увеличиваются пропорционально высоте плотины, то возможен наклон сооружения. При изгибе сооружения изменение перемещений точек (элементов) носит криволинейный характер. При анализе их причин не следует забывать о температурных влияниях, сейсмических воздействиях (при толчках силой свыше 4...5 баллов). В процессе эксплуатации сооружения важно установить зависимость перемещений от температурных условий (при постоянном напоре и различных температурных воздействиях). Зная перемещения, можно определить напряжения.

Анализ данных по раскрытию швов, трещин необходимо увязывать с воздействием на сооружение температуры, равномерных и неравномерных осадок. Во время строительства до окончания экзотермических процессов в раскрытии швов и трети и не наблюдается четкой закономерности. После их завершении наибольшее раскрытие швов происходит в начале второй поло вины холодного периода, а наименьшее — в конце второй поло вины теплого периода времени года. Другие отклонения от этой закономерности свидетельствуют о иных причинах деформаций, перемещений частей сооружения, обусловливающих раскрытие или закрытие швов. Неравномерные осадки основания вдоль оси плотины изменяют раскрытие швов.

Внезапное раскрытие шва позволяет предположить появле­ние нарушения монолитности секции; при этом необходимо ее внимательно осмотреть, так как могут образоваться трещины.

Раскрытие трещин анализируют также во взаимосвязи с тем­пературным воздействием и фильтрацией через шов; в холодное время года трещины (швы) раскрываются больше и интенсив­ность фильтрации через них повышается, а в теплое время— наоборот.

Если прочность бетона определяют по выбуренным кернам, то следует иметь в виду, что из-за нарушения монолитности керна его прочность несколько ниже действительной прочности бетона на сжатие и существенно ниже — на растяжение. Если керн не выходит, то это свидетельствует о низкой прочности бетона.

Контрольные вопросы. 1. Каковы цель и характеристика визуальных наблюдений за массивными бетонными сооружениями? 2. Какие терминологию и понятия используют при характеристике очагов фильтрации через бетонные сооружения? 3. Какие условные обозначения применяют при зарисовках де­фектов бетонных поверхностей? 4. Назначение, конструкция и место расположения высотных марок бетонных сооружений. 5. Назначение и принцип действия гидростатического нивелира. 6. Назначение и принцип действия прямого и обратного отвесов. 7. Как определяют наклоны бетонных сооружений? 8. Назначение и способы установки маяков для наблюдения за трещинами. 9. Конструкция одноосных щелемеров. 10. Конструкция и принцип использования щелемеров для измерения раскрытия швов в плоскости и в пространстве 11. Перечислите и охарактеризуйте неразрушающие методы контроля прочности бетона 12. Принцип действия приборов с несущественным разрушением бетона при определении его прочности. 13. Принцип действия приборов, основанных на разрушении исследуемого бетона. 14. Каким образом определяют напряженно-деформированное состояние бетонных сооружений и их оснований? 15. Назначение и принцип действия приборов. ПЛДС, ПЛПС, ПСАС, ПДС, ПТС, ПСУС. 16. Каковы способы определения фильтрации через бетон? 17 Принцип размещения КИА на бетонной водосливной плотине на нескальном основании. 18. В чем заключаются обработка данных наблюдений и анализ состояния массивных сооружений?

Дата добавления: 2015-10-21