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    公路輕質混凝土在地鐵站厚覆土中的應用研究

    2022-07-30 13:09:38
    山西建筑 2022年15期
    關鍵詞:發(fā)泡劑輕質覆土

    王 姝

    (中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

    1 概述

    隨著城鎮(zhèn)建設規(guī)模的進一步擴大,中心城區(qū)改造和新區(qū)建設工程越來越多,連接區(qū)縣的路網越發(fā)密集、縱橫交錯;高密度中心城區(qū)的發(fā)展遇到土地資源和基礎設施等方面制約,多種市政項目之間更是呈立體化發(fā)展,市政道路、基礎設施結合建設情況逐漸增多,如何做到相互影響小、總體投資經濟合理、施工高效快捷,是目前急需研究解決的問題。

    泡沫混凝土具有質輕高強、低彈減震、耐火防水等特點被廣泛應用于市政工程?,F(xiàn)澆泡沫混凝土廣泛應用于公路擴建、高鐵路基、橋梁減跨、治理橋頭跳車、地下結構減載等土建項目中[1]。

    目前國內在長春、天津、杭州、廣州等市均有類似工程案例。如長春市城市生態(tài)濕地公園長島隧道工程,隧道橋橋臺后填土高達22 m,產生的沉降量很大,導致路面不平順、橋頭跳車,采用泡沫混凝土解決橋臺厚回填問題。天津西站南廣場公交車場占壓地鐵站,且規(guī)劃路面標高抬高,車站上方增加覆土2 m多。為滿足既有地鐵站結構設計要求,采用現(xiàn)澆泡沫輕質(混凝)土替換填土[2]。廣梧高速公路高峰橋橋臺處部分橋臺背采用7 kN/m3~8 kN/m3泡沫混凝土填充,減少地基處理量,加快施工速度。浙江S75省道南延椒江段南岸橋頭軟基處理,由于橋頭填土平均3 m左右,為避免工后沉降大造成橋頭嚴重跳車,影響行車安全,變更為水泥攪拌樁+泡沫混凝土。

    本文對一地下車站頂板覆土兼做引橋路基工程的回填方案進行探討,對采用泡沫混凝土回填的技術進行研究。為市政工程疊合建設,實現(xiàn)集約化、一體化的設計和施工提供思路。

    2 項目概況

    2.1 車站工況概況

    蘇州市軌道交通7號線林家潭路站,位于林家潭路與通達路交叉口,沿通達路呈南北向敷設,車站位于郭巷大橋引橋下方。林家潭路站為島式站臺車站,車站外包總長220.60 m,標準段結構外包寬19.70 m,有效站臺中心里程處底板埋深約為16.751 m;端頭井結構外包寬均為24.4 m,小里程端頭井底板埋深約為22.8 m~23.21 m,頂板覆土深度約為6.23 m~6.61 m;大里程端頭井底板埋深約為20.27 m~20.42 m,頂板覆土深度約為3.92 m~4.07 m。主體結構為地下2層單柱雙跨矩形框架結構。

    車站小里程縱斷面圖見圖1。

    2.2 引橋工況概況

    通達路郭巷大橋改造工程是對既有通達路郭巷大橋段進行改建,項目全長914 m,主線標準橫斷面寬40 m,南北向雙向六車道,設計為城市主干路,輔道為雙向兩車道,總寬57 m。主要建設內容為拆除現(xiàn)狀郭巷大橋,新建1座長374.1 m,寬40 m的跨蘇申外港線三級航道橋及4座配套梯道橋;設計速度:50 km/h;汽車荷載等級:城-A級;橋梁結構安全等級均為一級,結構重要性系數(shù)γo=1.1;環(huán)境類別為Ⅱ類;設計暴雨重現(xiàn)期:地面道路及周邊地塊采用3 a;路面及橋面徑流采用Ψ=0.9。

    車站主體部分位于新建郭巷大橋起坡路基下方,重疊范圍長約150 m;2號,3號出入口部分通道位于引橋下方(見圖2,圖3)。

    3 重疊區(qū)域回填材料比選

    3.1 車站不同回填材料比選

    對本案例地鐵車站,大里程端頭井覆土最厚處達6.6 m,取此截面進行驗算對比。車站非引橋范圍覆土厚3.2 m,沿車站橫向約11.4 m;車站引橋范圍覆土厚6.6 m,沿車站橫向約13.0 m。當采用泡沫混凝土回填時,貼頂板80 cm高應回填素土,容重取19 kN/m3;貼路面120 cm厚路面做法,容重22 kN/m3;中間回填泡沫混凝土,容重取9 kN/m3。不同材質回填時,車站橫斷面如圖4,圖5所示。

    由于車站埋深沒有變化,頂板覆土增加時,結構內力及配筋由重力工況控制。對比不同材質回填時,車站重力工況荷載大小如圖6,圖7所示。

    沿車站縱向選取1 m厚的單元進行計算。計算結果表明,不同回填材料情況下車站頂板、側墻的彎矩、剪力差異較大。其中,頂板跨中彎矩差值最大約46%,頂板剪力差值最大約41%;側墻彎矩差值最大約36%,側墻剪力差值最大約37%。具體如表1所示。

    表1 不同回填材料車站內力差值

    經計算,在相同構件截面下,每延米頂板配筋相差50 kg,側墻配筋相差80 kg。同時由于頂板縱橫向重疊區(qū)域與非重疊區(qū)域覆土厚度差異大,可能導致車站不均勻沉降和裂縫產生。而采用輕質混凝土,可大大降低堆載對車站引起的不利影響。為考慮地面堆載對端頭井側墻影響,考慮在車站小里程端頭往外1.5倍基坑深度范圍外延續(xù)采用泡沫混凝土回填。

    3.2 大橋引橋路基材料選擇

    郭巷大橋南北兩側橋臺采用薄壁式橋臺。橋臺及路基過渡段填土厚度約0 m~3.6 m。與車站重疊150 m范圍內,車站填土厚度約3 m~6.6 m。

    對橋梁路基來說,特殊路基設計方案一般根據區(qū)內的地形、地基土質的物理力學性質、地下水位埋深、地基承載力、路堤填筑高度、填筑材料性質、荷載大小、穩(wěn)定安全系數(shù)、容許變形值、加固深度、周圍環(huán)境條件、施工工期、施工技術條件和經濟指標等因素采用不同的設計方案[3]。本項目特殊路基設計,對橋北側高填方路段主要以滿足沉降、穩(wěn)定為控制原則;對橋南側車站上方回填范圍,主要從減輕荷載以滿足基底承載力要求、控制引橋基礎不均勻沉降方面考慮。

    綜上,為控制引橋基礎不均勻沉降、橋頭厚填土工后沉降,擬對橋頭和橋頭過渡段采用特殊路基設計;同時考慮減少厚覆土對車站結構影響,推薦采用泡沫輕質混凝土進行橋梁特殊地基處理。

    對橋北側約50 m采用泡沫混凝土回填,回填厚度在1.2 m~3.3 m;橋南側180 m范圍采用泡沫混凝土回填,回填厚度在1.8 m~5.2 m左右。其中車站頂板上方,先回填50 cm黏土,再回填泡沫混凝土。

    4 公路輕質混凝土回填方案研究

    4.1 特殊路堤設計原則

    特殊地基處理后,擬對沉降和穩(wěn)定進行計算分析,穩(wěn)定計算采用有限固結應力法,沉降計算采用分層總和法并進行系數(shù)修正。壓縮層計算深度控制原則為計算層底面附加應力與有效自重應力之比不大于0.15。

    依據CJJ 194—2013城市道路路基設計規(guī)范的規(guī)定,城市主干道工后沉降應滿足表2的要求。

    表2 容許工后沉降一覽表 m

    結合項目所在地區(qū)的建設經驗,工后容許沉降標準適當提高。

    4.2 泡沫混凝土的性能影響因素

    泡沫混凝土是一種以膠凝材料和發(fā)泡劑為主要原材料的混凝土。泡沫混凝土的強度包括抗壓強度、抗折強度和抗沖擊強度。不同項目的設計注重哪些指標,應根據具體工程技術要求而定。

    影響泡沫混凝土強度首要因素是材料組成,如水泥品種、粉煤灰品質、骨料種類、強度等級、絕干密度、外加劑性質等。影響泡沫混凝土強度另一重要因素是配合比設計。泡沫混凝土配合比設計可以依據固定原材料質量法進行,也可按照固體混合料體積法進行。為控制泡沫混凝土抗壓強度,可以通過檢測泡沫混凝土濕密度來控制其絕干密度和均勻性。為使泡沫混凝土具有必要的強度保證,使其具有富余強度,一般選擇配制強度大于強度標準值的5%~10%[4]。

    發(fā)泡劑及發(fā)泡工藝是影響泡沫混凝土質量的重要因素。動物蛋白發(fā)泡劑具有發(fā)泡倍數(shù)高、泡壁厚穩(wěn)定性好、泡沫獨立性好、消泡時間長等優(yōu)點,在美國等工業(yè)化國家使用廣泛。目前國內的制泡技術目前主要是通過將發(fā)泡劑溶液倒入高速攪拌機中,用攪拌機的高速葉片攪動發(fā)泡劑溶液制取泡沫[5]。

    國外比較成熟的技術要求主要考察發(fā)泡倍數(shù)、沉降距、泌水量。一般要求泡沫體積大于20倍發(fā)泡劑水溶液體積的倍數(shù);泡沫柱在1 h時間內沉陷的距離不大于10 mm;泡沫破壞后所產生的發(fā)泡劑水溶液體積要求1 h泌水量不大于80 mL。

    我國對混凝土用發(fā)泡劑的研究起步較晚,只有部分行業(yè)技術規(guī)程或標準對發(fā)泡劑的性能指標及測定方法做了相關規(guī)定。如CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質土填筑工程技術規(guī)程要求采用空氣壓縮機發(fā)泡,并用內徑108 mm、凈高108 mm、壁厚2 mm的量杯制備標準氣泡柱后,再測定1 h時內泌水量、沉降距和氣泡群密度[6]。建材行業(yè)標準JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫劑同樣要求測定發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、1 h內泌水量、沉降距。采用的測量儀器是由廣口圓柱體容器、玻璃管和浮標組成的特制儀器。將泡沫劑按發(fā)泡倍數(shù)15~30配成泡沫液制泡,對發(fā)泡后間歇一段時間再混泡的場合,需測定泡沫穩(wěn)定性,即時混泡則無需測定泡沫穩(wěn)定性。一等品泡沫1 h沉降距應不大于50 mm,1 h泌水率應不大于70%;合格品泡沫1 h沉降距應不大于70 mm,1 h泌水率應不大于80%。相比于CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質土填筑工程技術規(guī)程,該標準對稀釋倍數(shù)、空氣壓縮機參數(shù)以及試驗溫度等條件均有規(guī)定,對于分析輕質土用發(fā)泡劑的評價指標具有一定的參考價值[7]。

    4.3 泡沫混凝土設計方案

    根據橋面高程梳理出泡沫輕質混凝土的回填厚度和控制標高。對車站范圍非重疊部分,從地面往下挖一定深度后,采用車站頂板回填方案一并回填至設計標高,避免橫向不均勻沉降的產生。因泡沫輕質混凝土具有自流平特性,施工時無法澆筑出道路縱橫坡,在泡沫輕質混凝土上方采用C30鋼筋混凝土進行調平,調平層厚度不低于10 cm。泡沫輕質混凝土主要技術指標如表3所示。

    表3 泡沫混凝土現(xiàn)場控制指標

    泡沫的制備直接影響到泡沫的均質性、泡沫大小、穩(wěn)定性、泌水量以及發(fā)泡倍數(shù)等重要性能指標,是制備泡沫混凝土的重要環(huán)節(jié)。

    本工程路用混凝土的發(fā)泡劑性能要求稀釋倍率40~60,發(fā)泡倍率800~1 200,泌水率不大于20,泡沫密度30 kg/m3~50 kg/m3。

    經過沉降計算,在填筑厚度2.5 m時,泡沫混凝土工后沉降值較填土小33%左右;在填筑厚度4.1 m時,泡沫混凝土工后沉降值較填土小60%左右。

    4.4 泡沫混凝土施工注意事項

    路堤開挖前進行高程測量與放線,開挖過程采用分段、分層式掘進,由兩端往中間的方式施工。泡沫混凝土攪拌時盡可能的縮短混合時間,在澆筑的時候,需要從一端開始,之后向四周進行。泡沫混凝土填筑沿著縱向每隔10 m設置一道橫向施工縫,縫寬建議2 cm左右,采用泡沫塑料板填塞。為適應路面2%的橫坡,頂層泡沫混凝土做成小臺階,后用C30混凝土調平。為避免因受到自身重量影響導致壓縮氣泡以及消泡現(xiàn)象的發(fā)生,泡沫混凝土頂層設置φ4.0 mm@250 mm×250 mm鍍鋅鐵絲網和一層普通高密度聚乙烯土工膜,金屬網設在土工膜下,土工膜厚度不小于0.5 mm;泡沫混凝土厚度范圍每50 cm設置一層φ4.0 mm@250 mm×250 mm鍍鋅鐵絲網。保證澆筑厚度每層維持在0.3 m~0.8 m,還要將3 cm厚碎石層鋪設在泡沫混凝土的基底位置。泡沫混凝土中氣泡具有分散性、獨立性,施工過程中應避免過度振動。泡沫混凝土頂層澆筑好后養(yǎng)護不小于7 d才能進行路面施工,未達一定強度時禁止機械在其面上施工。遇到特殊天氣如暴雨時應停止?jié)仓菽炷粒缫褲仓菽炷廖唇K凝則應采取遮雨措施。夏季和冬季施工應注意入模溫度,避免極端高溫或低溫施工。

    5 結語

    通過車站頂板與大橋路基有重疊區(qū)域的具體工程,對回填材料進行比較。對選擇泡沫混凝土作為回填材料方案展開研究,針對本工程制定了設計原則、混凝土參數(shù)指標,通過計算給出泡沫混凝土回填的工后沉降情況,并提出了公路用泡沫混凝土施工時的注意事項。

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