Усадочные и температурные деформации тела плотины
Напряженное состояние тела плотины обусловливается не только приложенными к ней внешними силами, но и его неравномерными объемными деформациями. Изменение объема бетона может происходить за счет усадки и изменения температуры.
1. Усадочные деформации бывают двух видов:
1) уменьшение (а иногда увеличение) объема бетона в результате физикохимических реакций при его твердении. Возникшая усадка (химическая или автогенная) равна изменению объема бетона, получающемуся при изменении его температуры на 5...6°С (как исключение до 11 °С). Поскольку при эксплуатации плотины температурные колебания составляют в наших условиях более 30 °С, то автогенной усадкой часто пренебрегают; при этом иногда условно увеличивают расчетный размах температурных колебаний на упомянутые 5...6°С;2) уменьшение или увеличение объема бетона при уменьшении или увеличении его влажности в течение строительного периода и затем периода эксплуатации плотины. Усадка (физическая или экзотермическая) постоянно имеет место только в пределах поверхностного слоя (2...4 м) рассматриваемого бетонного массива. Внутри бетонного массива влажность бетона постоянна, поэтому внутренняя область плотины в период ее эксплуатации не подвергается экологической усадке. При экологической усадке в бетоне могут возникнуть трещины в связи с уменьшением объемов наружных слоев бетонного массива. Чтобы избавиться от этих трещин, бетонный массив разрезают на небольшую глубину несквозными поперечными деформационными швами.
2. Температурные деформации. Трещины, обусловленные температурными деформациями бетона, в течение года могут изменяться: зимой расширяться, летом сужаться. Соответственно будет меняться и расход воды, фильтрующейся через плотину. Часто температурные трещины появляются в зоне контакта тела плотины со скальным основанием; такие трещины развиваются по вертикали вверх.
Температурные трещины могут появляться, если в разных точках тела плотины температура бетона меняется во времени, причем возникают переменные во времени градиенты температурного поля. При таком положении температурные деформации соседних объемов бетона будут получаться различными, что и повлечет за собой появление трещин.
При рассмотрении температурного режима бетонной плотины необходимо различать два разных явления: 1) изменение температуры бетона только в период строительства и начальный период эксплуатации плотины; 2) изменение температуры бетона в течение всего периода эксплуатации плотины.
Рассмотрим вначале первое явление. Представим себе 1 м3 бетонной смеси, уложенной в блок бетонирования, располагающийся во внутренней области плотины (рис. 7.35). Химические реакции гидратации цемента, протекающие присхватывании бетонной смеси и твердении бетона, являются экзотермическими, т. е. они сопровождаются выделением теплоты, в связи с чем происходит саморазогрев бетона в начальный период. Последующее остывание наружных поверхностей массива обусловливает неравномерное распределение температуры в бетоне и вызывает большие термические напряжения.
Введем обозначения, оговоренные в подрисуночной подписи к рис. 7.35, и представим на этом рисунке кривые, выражающие изменение во времени t следующих величин.
Рассматривая схематический график на рис. 7.35, легко видеть характер изменения температуры 1 м3 бетона во времени. Интенсивность естественного охлаждения в других точках профиля плотины будет иная, а потому и кривые T=f(t) для разных точек профиля будут в общем случае разными. В связи с этим мы и получим упомянутые выше градиенты температурного поля.
По истечении времени в средней части поперечного профиля плотины 1 (рис. 7.36) должна устанавливаться постоянная среднемноголетняя температура 7ср, свойственная району строительства. Поэтому на рис. 7.35 кривая T=f(t) в правой своей части (в точке В) переходит в горизонтальную прямую с ординатой причем АТ имеет положительное значение. В районах с суровым климатом будет отрицательной. Постоянной в средней части профиля будет и влажность бетона.
Обратимся теперь к рассмотрению второго явления. В средней части плотины устанавливается среднемноголетняя температура. В наружной части бетонной массивной плотины 2 (рис. 7.36) температура будет колебаться в зависимости от температуры среды. Активная зона 2 имеет толщину d0 = 2...5 м. Раскрытие возникающих здесь трещин зимой увеличивается. Кривая T = f(t) правее точки В (см. рис. 7.35) для 1 м3 бетона, находящегося в пределах активной зоны, будет иметь вид волнистой линии.
Отметим еще следующие два положения.
1. Чтобы в начальный период улучшить температурный режим бетонного массива, прибегают к искусственному охлаждению: а) составляющих бетонной смеси — воды и заполнителей, причем уменьшают начальную температуру Тп—снижают начальную точку А кривой T=f(t) на рис. 7.35, в результате снижается вся кривая T=f(t) и В перемещается в некоторое положение; б) или уже уложенной в плотину бетонной смеси, а затем и бетона; при реализации этого метода в теле плотины устраивают систему труб, по которым пропускают холодную воду (или раствор соли); в этом случае точка А кривой T—f(t) остается на месте, но вся кривая снижается, причем точка В также перемещается в некоторую точку В1 (стабилизация температуры внутри плотины наступает раньше).2. Если трещина зацементирована и в средней части 1 плотины (см. рис. 7.36) установится среднемноголетняя температура, а в наружных частях 2 температура будет самая низкая, то трещина уже не сможет раскрыться. При высоких температурах в окружающей плотину среде в районе этой трещины появятся только повышенные сжимающие напряжения, не являющиеся опасными.
Появившиеся трещины (или швынадрезы) стремятся цементировать при самых низких температурах; с появлением же трещин борются путем регулирования теплового режима бетона за счет: а) снижения количества цемента в бетонной смеси; б) использования низкотермичного цемента; в) применения искусственного охлаждения бетона или составляющих бетонной смеси; г) установления соответствующих темпов ведения бетонных работ; д) назначения надлежащих размеров блоков бетонирования и последовательности их возведения.
В процессе проектирования проводят специальные расчеты термонапряженного состояния плотины.