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.

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, «Кварц-6», ИНТ-М2 , ИТП-1, УК-16П, УФ-90ПЦ, «Бетон-8-УРЦ», УК-10П и др. 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, 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:

Молоток Кашкарова 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 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 имеет на одном конце стальной шарик диаметром 17,463 мм, оставляющий при ударе сферическую лунку на бетоне.

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, отрывающий бетон с диском, ГПНВ-5 с приспособлением УРС, скалывающий ребро конструкции, ГПНС-4 , отрывающий и скалывающий.

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.

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). 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.

. 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; преобразователь силы в арматуре струнный (ПСАС); преобразователь давления струнный (ПДС) для измерения гидростатического давления в пьезометpax, порового давления, нормальных напряжений в грунт; преобразователь температуры струнный (ПТС) для измерения температуры сооружений и оснований от —30 до +60ºС; преобразователь силы унифицированный струнный (ПСУС) для оснащения прямых и обратных отвесов в системах автоматизированного контроля 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.