Изучение напряженного состояния кирпичных конструкций, усиленных инъекциями цементного теста

строительные материалы и конструкции

Изучение напряженного состояния кирпичных конструкций, усиленных инъекциями цементного теста

М.С. Тихонов

МГСУ

Основу разрядно-импульсной технологии составляет гидродинамический эффект, возникающий при электрическом разряде в жидкости. Этот способ позволяет получить высокие и сверхвысокие давления.

Первые опыты проводили в геотехнике для глубинного уплотнения грунтов и для изготовления бу-ронабивных свай, впервые использовав бетонную смесь в качестве рабочей жидкости. В настоящее время изготавливаются не только сваи-РИТ, но и грунтовые анкера-РИТ, противодеформационные барьеры. Управление параметрами электровзрывов разрядно-импульсной технологии можно применять и для усиления стен, оснований, фундаментов. Технология усиления существующих фундаментов заключается в следующем: в скважину, заполненную бетонной смесью, погружают электроды, на которые дискретно с интервалом 2—8 сек подают импульсы тока высокого напряжения энергией около 60 кДж. В межэлектродном промежутке, заполненном пластичной бетонной смесью, создается высокая плотность энергии, диэлектрическая прочность бетонной смеси не выдерживает и происходит разряд импульсного тока (РИТ). Импульс электрической энергии, поданной на электроды, взрывообразно преобразуется в другие ее виды.

Важной задачей, возникающей при реконструкции зданий и сооружений, является оценка состояния кирпичной кладки несущих конструкций, определение участков, нуждающихся в усилении, и контроль за его результатами. На кафедре технической эксплуатации зданий проводятся исследования кирпичной кладки, усиленной инъекциями цементного теста, выполненными с применением разряд-но-импульсной технологии, методом сейсмического просвечивания.

Для решения этих задач из всех сейсмических методов подходят различные модификации сейсмического просвечивания, при которых источник и приемник находятся по разные стороны исследуемого объекта. Сейсмическое просвечивание наиболее корректный метод получения сведений о скоростных свойствах среды, так как сейсмические колебания при просвечивании распространяются от источника к приемнику по пути, близкому к прямой.

Физическими предпосылками применения сейсмических методов для контроля над результатами инъецирования служит то, что застывание раствора, заполнившего существующие пустоту в кирпичной кладке, приводит к увеличению скорости прохождения упругих волн в зоне инъекции, а кирпичные кладки разных типов, качества, возраста и степени сохранности отличаются величинами скоростей распространения упругих волн.

Контроль над результатами инъецирования кирпичной кладки состоит из двух частей: определения размеров и расположения области проникновения инъекционного раствора; оценка свойств инъецированной кладки: относительная оценка и определение прочности и деформативности закрепленной кладки.

Относительный результат инъецирования кирпичной кладки можно оценить по двум параметрам: увеличение скоростей распространения упругих волн после затвердевания инъекционного раствора; отношение величин скоростей упругих волн в свежей и качественной кирпичной кладке и величин скоростей, полученных в усиленной инъекцией кладке. Первый параметр позволяет получить представление об относительных результатах инъецирования, а второй о соотношении свойств усиленной и эталонной кладок. Величина возрастания скоростей определяется рядом факторов: соотношением объемов пустот и кирпичей; характером пустот (сообщающихся между собой или изолированных); степенью заполнения пустот раствором в кладке; соотношением величин скоростей упругих волн в кирпиче и в затвердевшем инъекционном растворе. Методика проведения исследований такова: сейсмическому просвечиванию были подвергнуты два экспериментальных образца, испытанных в четвертой и шестой серии испытаний соответственно. Для проведения исследования использовалась инженерно-сейсмическая аппаратура: КИСА-9Д (ТУ 4314002-52717233-2002) со способом регистрации сейсмограмм — в виде цифровой записи на диск портативного компьютера. По большинству метрологических характеристик соответствует требованиям DIN 45699-1. Основным измеряемым параметром КИСА-9Д являлись мгновенные амплитудные значения колебательной скорости в зависимости от времени.

Обработка сейсмограмм заключалась в измерении времени прихода переднего фронта волны и вычислении ее скорости. Обработка произведена в интегрированной среде MATLAB для MS WINDOWS. Методика проведения испытаний состоит в следующем. Для определения скоростей прохождения волн использовалось просвечивание на параллельных лучах. Образцы-стенки были предварительно размечены симметрично с обеих сторон с помощью рулетки и отвеса, с шагом 0,2 м, точки отмечались краской, схема разметки представлена на рис 1. Таким образом, пункты ударов и регистрации были расположены попарно на прямых, перпендикулярных к поверхности стены. Число пунктов ударов и пунктов регистрации одинаково. Сейсмические колебания возбуждались ударами молотка весом

строительные материалы и конструкции

040 „ 265

к 265 „

180 у

Ж

ж

ИЕ1

•21

Ш[

•7 «8

Я

гр

ЖЗЩЗс

^Г с:

Рисунок 1. Схемы расположения шпуров РИТ инъецирования (а) и сейсмического просвечивания (б).

•II

15

,20

11020 ¡1010 ¡1000

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Рисунок 2. Образец с трещиной.

а — до инъецирования; б — через 7 дней после инъецирования; в — через 28 дней после инъецирования.

200 г, направленными перпендикулярно поверхности стены. С противоположной стороны устанавливались датчики — сейсмометры, регистрирующие колебания. Из каждого пункта удара регистрировалось по 5 колебаний. Горизонтальность расположения сечения обеспечивалась измерениями его высоты относительно пола с помощью рулетки и контролировалась визуально.

Всего было проведено по 3 эксперимента над каждым образцом — результаты представлены в таблице 1. Эксперименты проводились: первый — до инъецирования, второй — через 7 дней после инъецирования и третий — через 28 дней после инъецирования. Все эксперименты проводились по одной и той же методике и использовались одни и те же точки предварительной разметки, что позволило достаточно точно определить изменения в структуре кладки. На рис. 2 представлены карты изолиний скоростей упругих колебаний в плоскости стены.

а

строительные материалы и конструкции

На рис. 3 представлены карты изолиний скоростей упругих колебаний для контрольного экспериментального образца, усиленного инъецированием, выполненного с заполнением всех швов кладки, без каких-либо дефектов. На рис. 2 хорошо видна анизотропная структура кладки, характеризующаяся изменением скоростей прохождения волн, составляющим порядка 40 м/с в среднем по образцу, и локальными зонами повышенной и пониженной плот-

ности с разбросом скоростей до 100 м/с. Погрешность измерений не превышает 1—1,5% (10—15 м/с). Через семь дней после инъецирования рост скоростей происходит локально — в зоне устройства шпуров инъецирования, роста скоростей в среднем по всему образцу не произошло, что вызвано отсутствием дефектов и пустот в кладке, которые могли бы быть заполненными инъекционным раствором. В дальнейшем по мере набора прочности инъ-

Сейсмическое просвечивание

Образец №12

№ точки 27.11.2007 18.12.2007 10.05.2008 № точки 27.11.2007 18.12.2007 10.05.2008

Скорость прохождения волн, м/с Скорость прохождения волн, м/с

1 890 890 890 1 880 875 875

2 885 880 885 2 880 870 870

3 850 840 845 3 860 860 865

4 860 865 865 4 840 850 850

5 870 860 870 5 840 840 830

6 895 895 900 6 880 880 880

7 900 910 980 7 900 900 930

8 930 935 970 8 905 895 905

9 850 950 980 9 900 950 975

10 900 910 900 10 910 900 900

11 882 980 990 11 905 910 900

12 870 905 985 12 910 950 970

13 870 980 990 13 910 970 1020

14 890 980 1000 14 910 910 915

15 885 880 870 15 905 880 880

16 900 950 970 16 890 900 910

17 870 980 1000 17 910 930 960

18 875 975 1000 18 915 940 970

19 890 980 990 19 905 900 930

20 910 900 900 20 850 850 855

21 905 900 900 21 860 855 850

22 890 910 950 22 960 970 990

23 910 940 950 23 900 910 940

24 900 915 920 24 915 920 910

25 900 900 900 25 900 900 890

Таблица 1. Результаты эксперимента.

строительные материалы и конструкции

екционным раствором отмечается значительный локальный рост скоростей сейсмических волн в области устройства шпуров, показатели скорости достигают 1000 м/с при средних по образцу показателях 890 м/с. При этом изменений в характере поля распределения скоростей не происходит. На рис. 2 представлены карты изолиний скоростей упругих колебаний для усиленного инъецированием экспериментального образца с заложенной во время устройства трещиной.

В отличие от первого образца в данном случае в кладке достаточно пустот для их заполнения инъекционным раствором, область этих пустот хорошо видна на рис. 2. Также значительно отличаются картины поля скоростей после инъецирования. Через семь дней наблюдается значительный рост — до 100 м/с скоростей в центральной зоне кладки и вдоль трещины. При следующем, проведенном через 28 дней после инъецирования исследовании, картина поля скоростей продолжает меняться — наблюдается равномерное повышение скоростей на 70—120 м/с (относительно исходной) по всей зоне инъецирования. По карте изолиний перестает просматриваться трещина и поврежденная часть кладки. Также стоит отметить, что за счет равномерного распределения инъекционного раствора не происходит ярко выраженного роста скоростей в области шпуров, как это наблюдалось в случае с первым образом.

Работы по исследованию напряженно-деформированного состояния конструкций продолжаются. Реконструкция зданий приводит к увеличению нагрузок на несущие конструкции здания, а это, в свою очередь, вызывает необходимость их усиления. Кроме того, потеря несущей способности вызвана и физико-химическими процессами при взаимодействии с внешней средой и механическими процессами, вызванными различными деформациями. В результате разрядно-импульсной обработки повышается адгезия цементного раствора, снижается водоотделение, повышается прочность. Также импульсная обработка шпура позволяет снизить усадочные процессы в бетоне, особенно по внешней границе шпура инъецирования в зоне контакта с кирпичной кладкой, так как происходит постоянное перемешивание раствора в шпуре.

Рисунок 3. Контрольный образец.

а — до инъецирования; б — через 7 дней после инъецирования; в — через 28 дней после инъецирования.