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      黃土填料高填方路堤壓實效果分析

      2022-10-25 11:15:16
      北方交通 2022年10期
      關(guān)鍵詞:填方路堤填料

      劉 兵

      (山西交通控股集團有限公司呂梁南高速公路分公司 汾陽市 032200)

      0 引言

      采用黃土作為路基填料,必須保證路基的穩(wěn)定性和變形滿足要求,而路基壓實效果是影響沉降變形的最主要因素之一[1]。路基壓實質(zhì)量不合格,會直接導(dǎo)致路基路面工后沉降變形超過容許范圍,進而出現(xiàn)開裂、沉陷、橋頭跳車等病害[2],影響行車舒適性和行車安全。因此,應(yīng)加強對黃土填料高填方路堤的沉降監(jiān)測,檢驗路基壓實效果,及時發(fā)現(xiàn)問題進行處理。結(jié)合太原市太行路黃土填料高填方路堤施工案例,根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況制定施工方案,并在施工過程中開展監(jiān)測,分析路堤橫向和縱向變形規(guī)律,確定路基壓實效果。

      1 工程概況

      1.1 工程簡介

      山西省太行路公路工程K6+100~K7+360段設(shè)計采用高填方路基,該施工區(qū)域地表高低起伏大。太行路公路工程為城市快速路,路堤最大填方高度約13m,路基填料采用太原東山黃土。該路段原地基為濕陷性黃土,最大濕陷深度達到11.2 m。為提高地基承載力,采用強夯法進行加固處治。路基填筑采用分層壓實和重夯相結(jié)合的方式,以保證路基的壓實質(zhì)量。

      1.2 黃土填料高填方路堤施工方案

      高填方路堤填料選用太原東山地區(qū)的黃土,施工過程中嚴(yán)禁混入生活垃圾等雜物。嚴(yán)格控制路基填料含水率,略高于最佳含水量1%左右,以保證壓實后達到最大干密度,進而達到最大壓實度[3]。如填料含水率過大,應(yīng)進行翻曬,填料含水率不足時應(yīng)灑水悶料。

      為了進一步提高路基壓實質(zhì)量,在采用壓路機壓實的同時,進行重夯處治進一步提高路基壓實度。重夯機械選用QU20型起重機,采用質(zhì)量為5 t的圓形夯錘,錘底直徑1.4 m。施工配備推土機2 臺、平地機2 臺、50t振動壓路機2 臺。施工前使用推土機對原地面進行清表,超挖2m后采用重夯進行處理,加固深度不得低于1 m,然后在路基基底通鋪1 m厚6%灰土。黃土填料分層填筑、采用振動壓路機壓實,然后再進行重夯處治。重夯夯點采用正方形布置,布置間距為2.5 m,單點夯擊能為500kN·m。重夯一共為三遍,第一遍夯擊1號主夯點,第二篇夯擊2號副夯點,第三遍夯擊全部夯點。

      2 黃土填料高填方路堤沉降計算

      2.1 計算方法

      黃土填料高填方路堤的沉降包括路基自身壓縮變形沉降、地基土沉降、施工期間沉降和完工后沉降。本文主要研究路堤在自重作用下產(chǎn)生的沉降,常用的研究方法有分層總和法、數(shù)值計算法、現(xiàn)場監(jiān)測與預(yù)測等方法。分層總和法是對路堤各個分層中心位置應(yīng)力進行計算,結(jié)合室內(nèi)壓縮曲線,進一步計算得出路堤總體沉降量。

      (1)路堤內(nèi)部應(yīng)力計算公式

      高填方路堤采用分層填筑,是一個逐級加載的過程,在土體自重應(yīng)力的作用下各層土體產(chǎn)生壓縮變形。分析各土層所承受的應(yīng)力,分別對各土層沉降變形進行計算,累加起來得到路堤的總變形。

      為簡化計算工作量,不考慮車輛荷載的作用,各土層自重應(yīng)力σi按式(1)計算。

      σi=γiHi

      (1)

      每填筑一層,對下方各層土體的附加應(yīng)力按式(2)計算:

      (2)

      式中:Hj、Bj為第j層填土厚度、上頂寬;Lj為第j層填土邊坡寬度;Δσij為第j層填土對第i層土體的附加應(yīng)力;y為第i層和第j層土層中心高差(m)。

      上方土體對第i層土體附加應(yīng)力總和按式(3)計算:

      (3)

      (2)分層總和法計算公式

      (4)

      式中:Hi為第i層填土厚度;Pi為第i層填土受到的所有應(yīng)力之和,Pi=σi+Δσi;ESi為第i層填土在受到所有應(yīng)力作用時所對應(yīng)的壓縮模量。

      路堤總變形量為每層填土壓縮變形的和,按式(5)計算:

      (5)

      2.2 路堤沉降量計算

      結(jié)合本施工案例,選取K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100五個典型斷面,計算路堤沉降量。為了保證計算結(jié)果準(zhǔn)確,分層厚度為1m,分別對每層壓縮變形量進行計算。五個典型斷面填層厚度分別為28 m、23 m、19 m、17m、16 m,邊坡坡度均為1∶1.5,路堤頂部寬度為32m。每隔一定厚度確定一次填土壓縮模量ES,分別按3n、3n+1、3n+2(n取值范圍為0~9)三個代表深度,Es-P冪函數(shù)擬合公式如表1所示,各典型斷面沉降計算結(jié)果如表2所示。

      表1 不同代表深度Es-P冪函數(shù)擬合公式表

      表2 典型斷面沉降量計算結(jié)果

      3 路基變形監(jiān)測方案

      3.1 測點布置

      路基沉降變形包括自身壓縮變形產(chǎn)生的沉降和地基壓縮變形產(chǎn)生的沉降變形兩部分,為降低地基沉降變形,采用強夯法進行加固,路堤分層填筑、分層壓實,逐層檢測壓實度,并開展沉降監(jiān)測,確定路基壓實效果。在K6+100~K7+360段高填方路堤施工過程中,布置監(jiān)測斷面,對填方路基內(nèi)部變形情況進行監(jiān)測。地基變形和路面沉降變形采用高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀監(jiān)測,填方路基內(nèi)部變形監(jiān)測通過沉降儀、PVC沉降管和沉降磁環(huán)開展監(jiān)測。

      在填方路段,每隔200m布置一個監(jiān)測斷面,分別在路基中線和兩側(cè)路肩布置3個沉降監(jiān)測孔。沿線布置5個監(jiān)測斷面,分別為K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100,共布設(shè)15個孔,測點布置如圖1所示。每個沉降監(jiān)測孔沿深度方向布置4個監(jiān)測點,沉降磁環(huán)布置深度分別為0、3m、7m、地基頂部(最大深度為13m)位置。

      圖1 高填方路堤沉降監(jiān)測點布置示意圖

      3.2 監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測方法

      主要研究路堤的豎向沉降變形,分層埋入沉降管和沉降磁環(huán)后,使用分層沉降儀對路堤的沉降變形進行監(jiān)測[4],分析路堤內(nèi)部不同深度土層的壓縮變形情況。在正式開展路堤沉降監(jiān)測前,首先選取一個校核基點,通常布置在路堤施工范圍以外,并做好保護,本項目共選取3個基點。沉降監(jiān)測采用XBHV-10型鋼尺分層沉降儀,通過測量每個監(jiān)測點4個磁環(huán)與管頂之間的距離,計算確定沉降量。測量時首先將金屬測頭放入沉降管底部,然后自下向上依次測量各個磁環(huán)與管頂之間的距離,測頭接觸到磁環(huán)上部時會發(fā)出鳴響,記錄此時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。每個磁環(huán)觀測兩次數(shù)據(jù),兩次數(shù)據(jù)偏差不超過2mm,取平均值作為當(dāng)次監(jiān)測結(jié)果[5]。根據(jù)基準(zhǔn)點標(biāo)高確定各沉降管管口標(biāo)高H0,然后根據(jù)各磁環(huán)距管口距離ΔH,計算確定磁環(huán)標(biāo)高H,如式(6)。

      H=H0-ΔH

      (6)

      測點布設(shè)完成后首次測量確定各磁環(huán)初始標(biāo)高,以后每次測量后標(biāo)高與初始值相減確定沉降量,測量精度為1 mm。

      4 路堤現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果分析

      4.1 典型斷面橫向監(jiān)測結(jié)果分析

      K6+100~K7+360段高填方路堤施工完成后不久就開始運營通車,同時開展沉降監(jiān)測,對填方路堤內(nèi)部沉降情況進行監(jiān)測,監(jiān)測時間為一年。由于各斷面監(jiān)測結(jié)果變化規(guī)律相近,選取五個監(jiān)測斷面中填方高度最大的K6+700斷面監(jiān)測結(jié)果作為研究對象,分析確定路堤橫向沉降變化規(guī)律。整理C1-3、C2-3、C3-3三個測點沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制沉降變化曲線如圖2所示。

      圖2 K6+700斷面各測點沉降變化曲線

      分析圖2所示曲線變化趨勢,路基中部沉降變形量最大,兩側(cè)路肩沉降變形量相對較小,均呈現(xiàn)前期沉降變化速率較高,后期逐步趨緩,最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。路堤中部沉降量最大,為29 mm,兩側(cè)路肩累積沉降量分別為24.5 mm和26 mm,路堤中部沉降量最高。兩側(cè)路肩沉降量存在一定的差異,填筑厚度相同,分析原因是由于路堤上部交通荷載、兩側(cè)地形、地基地質(zhì)情況、壓實工藝等存在差異造成的。

      4.2 路堤縱向監(jiān)測結(jié)果分析

      由于路堤中部的沉降變形量最大,因此取路堤中部沉降監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象,對應(yīng)的測點分別為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5五個測點。各測點監(jiān)測時間為360d,收集監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各測點沉降量隨時間變化曲線如圖3所示。

      圖3 路堤中部測點沉降量變化曲線

      分析圖3所示曲線變化趨勢,可以得出在監(jiān)測前期各測點沉降變形量較大,變形速率較高,在監(jiān)測28d后沉降量明顯下降,監(jiān)測300d后逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)。分析原因是前期路堤沉降量較大,主要是由于路堤在自重和外界荷載的作用下不斷固結(jié),而后期路堤壓縮變形不斷穩(wěn)定,路堤內(nèi)部逐漸固結(jié),沉降變形逐步達到了穩(wěn)定狀態(tài)。另外,各測點最終沉降量存在一定的差異,其中C2-3沉降量最大,為29 mm,而C2-5沉降量最小,為24.2 mm,分析原因是由于路堤填筑厚度不同等原因造成的。

      4.3 理論計算值與實測值

      結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,填方路堤最大沉降變形量為29 mm,各監(jiān)測斷面理論計算值與實測值如表3所示。

      表3 各監(jiān)測斷面理論計算值與實測值

      通過對比分析,可以得出理論計算值略大于實測值,分析原因主要受施工因素、取樣代表性、試驗方法等方面的影響造成的。另外,各斷面實測值均小于理論計算值,說明該路段黃土填料高填方路堤沉降量較小,路堤穩(wěn)定性良好。

      5 結(jié)語

      在太行路高填方路堤施工過程中,采用分層壓實和重夯相結(jié)合的壓實技術(shù),并在完工后對路基沉降變形進行監(jiān)測,分析路堤橫向和縱向變形規(guī)律,得出以下結(jié)論:

      (1)通過分析路堤橫向變形監(jiān)測結(jié)果,得出路堤中部沉降變形最大,兩側(cè)路肩沉降變形相對較小,分析原因是由于交通荷載、地形、地質(zhì)和壓實工藝等因素造成的。

      (2)通過分析路堤縱向變形監(jiān)測結(jié)果,各測點沉降變形規(guī)律基本一致,呈現(xiàn)前期變形速度快,變形量大,而后逐步趨緩,最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

      (3)統(tǒng)計監(jiān)測結(jié)果,得出路堤橫向和縱向沉降變形均呈現(xiàn)前期變化大,隨監(jiān)測時間逐步趨緩,并最終達到了穩(wěn)定狀態(tài),這是由于在監(jiān)測前期路堤內(nèi)部填土還沒有完全固結(jié),在監(jiān)測一年后逐步固結(jié)并達到了穩(wěn)定狀態(tài),說明路堤壓實達到了預(yù)期效果,壓實方案可行。

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