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        高速公路改擴(kuò)建中路基加寬段差異沉降控制技術(shù)的應(yīng)用

        2022-10-16 15:54:44張凱樂(lè)
        交通世界 2022年25期
        關(guān)鍵詞:方向變形

        張凱樂(lè)

        (石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000)

        1 路基加寬段沉降變化特性分析

        舊路基經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用,土體固結(jié)沉降基本全部完成,處在穩(wěn)定狀態(tài)。但拓寬施工后,由于土體強(qiáng)度存在差異,會(huì)使新舊路基之間出現(xiàn)一定的差異沉降。為明確新路基加載可能給舊路基變形造成的影響,借助ABAQUS開(kāi)展地應(yīng)力平衡,在達(dá)到平衡狀態(tài)后,土體初始位移達(dá)到零,以此為基礎(chǔ),對(duì)新路基填筑進(jìn)行加載分析。當(dāng)開(kāi)挖臺(tái)階的寬度和高度分別為1.5m、1.0m時(shí),根據(jù)每次開(kāi)挖完成后的臺(tái)階的云圖可以看出,伴隨填筑不斷進(jìn)行,新路基產(chǎn)生的沉降明顯增加,并且舊路基兩側(cè)還會(huì)由于新路基荷載增加產(chǎn)生向內(nèi)的位移[1]。當(dāng)新路基填筑高度不斷增加時(shí),舊路基產(chǎn)生的沉降也明顯變大,當(dāng)新路基填高為4m時(shí),舊路基產(chǎn)生0.4cm的沉降,當(dāng)新路基填高為6m時(shí),舊路基產(chǎn)生1.2cm的沉降,在新路基開(kāi)始運(yùn)營(yíng)后,舊路基產(chǎn)生3.1cm的沉降。從以上數(shù)據(jù)可以看出,新路基填筑施工對(duì)舊路造成的影響不斷增強(qiáng),使拓寬處沉降值增加,最大沉降產(chǎn)生于1/2填高處,即新、舊路基之間的交界處。其原因?yàn)椴捎门_(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)屬于分層加載,基本還原工程實(shí)際情況,實(shí)際計(jì)算結(jié)果與一般規(guī)律基本相符。

        除豎向沉降以外,在新路基填筑過(guò)程中,水平方向的位移也會(huì)產(chǎn)生明顯變化。新路基填筑時(shí),路肩產(chǎn)生的變形從0.3cm增加至0.7cm,具體的變化方向?yàn)榕f路基方向,下部變形較大,具體為從0.8cm增加至2.5cm,具體的變化方向?yàn)槠峦狻L钪r(shí)的最大變形產(chǎn)生于新舊路基之間的拼接帶處,其原因?yàn)榉謱犹钪瓿珊笫茏灾刈饔卯a(chǎn)生一定的壓縮變形。舊路基和地基形成的整體也會(huì)由于新路基填筑施工產(chǎn)生一定水平方向變形,最大變形值產(chǎn)生于舊路基頂部,具體數(shù)值為4.3cm,其原因?yàn)槁坊_(kāi)挖之后產(chǎn)生不斷累積的變形,舊路基基底由于新路基填筑不斷被壓縮,產(chǎn)生向路中側(cè)的水平方向位移,具體數(shù)值為1.1cm[2]。

        2 路基加寬段沉降控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        在改擴(kuò)建工程中對(duì)差異沉降進(jìn)行控制時(shí),相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)是保證最終控制效果的重要參考依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)除了要充分考慮與實(shí)際工程之間的適用性,還應(yīng)使綜合效益達(dá)到平衡。目前對(duì)改擴(kuò)建工程進(jìn)行沉降評(píng)估時(shí),主要采用以下幾種指標(biāo):總沉降、工后沉降、差異沉降與邊坡率。

        對(duì)拓寬工程而言,因舊路基在新路基荷載作用下沉降分布會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,具體表現(xiàn)為兩側(cè)沉降相對(duì)較大,而中部沉降相對(duì)較小,因而在拓寬后路基進(jìn)入運(yùn)營(yíng)狀態(tài)后,伴隨路基工后沉降不斷產(chǎn)生,路拱坡度將持續(xù)增大?;诖耍O(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)預(yù)留一定的空間,避免擴(kuò)建結(jié)束后因橫坡產(chǎn)生明顯變化而超出安全允許標(biāo)準(zhǔn)[3]。

        由于拓寬工程并沒(méi)有統(tǒng)一的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),因此我國(guó)不同路段的拓寬工程所用的控制標(biāo)準(zhǔn)往往不盡相同,例如沈大高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降量不超過(guò)12cm;滬杭甬高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為一般路段的拓寬路基工后沉降量不超過(guò)15cm、橋頭段的拓寬路基工后沉降量不超過(guò)5cm,且橫坡比變化不超過(guò)0.5°;滬寧高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基總沉降量不超過(guò)15cm,工后沉降量不超過(guò)5cm,且路拱橫坡沒(méi)有反坡;常澄至滬寧拼接段的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降不超過(guò)10cm[4]。

        在地基條件下進(jìn)行拓寬工程施工時(shí),無(wú)論是變形量還是變形產(chǎn)生速率都比一般路段的高速公路高很多,因此更容易出現(xiàn)沉降和差異沉降,進(jìn)而給拓寬路基質(zhì)量造成嚴(yán)重影響,嚴(yán)重時(shí)將引起縱向開(kāi)裂。因此,由于路基自身工程特性較為特殊,需提出比其他工程更嚴(yán)重的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),具體為:工后沉降的計(jì)算年限要達(dá)到15年以上;拓寬路基工后沉降應(yīng)控制在5cm以?xún)?nèi);拼接處理部位的橫向變坡率應(yīng)控制在0.3%以?xún)?nèi);復(fù)合地基部位的變坡率應(yīng)控制在0.2%以?xún)?nèi)。

        3 路基加寬段差異沉降控制方法——土工格柵加筋

        3.1 技術(shù)概述

        土工格柵是采用聚丙烯、聚氯乙烯與其他高分子聚合物經(jīng)熱塑性或模壓制作而成的二維網(wǎng)格狀或三維狀網(wǎng)格,不僅變形模量大、抗拉強(qiáng)度高、抗老化性能強(qiáng),且摩擦系數(shù)大,可達(dá)到理想效果,實(shí)際加固效果明顯好于采用傳統(tǒng)材料。將該技術(shù)應(yīng)用于拓寬工程當(dāng)中,能對(duì)新舊路基之間的接縫予以有效加固,促使兩者形成一個(gè)完整體,從而將沉降,尤其是不均勻沉降限制在安全范圍之內(nèi)。在舊路基開(kāi)挖完成后,沿縱向在開(kāi)挖形成的臺(tái)階表面鋪設(shè)一道土工合成材料,同時(shí)在新路基中進(jìn)行鋪設(shè),使新舊路基形成一個(gè)整體。此外,為加強(qiáng)新舊路基的結(jié)合性,還需在舊路基當(dāng)中設(shè)置加固帶。若按照筋材用料及生產(chǎn)工藝,則可將土工格柵分成整體成型格柵、焊接成型格柵、鋼塑格柵與玻纖格柵四種。在選擇具體格柵類(lèi)型時(shí),一方面要考慮工程需要,另一方面則要考慮材料的單價(jià)與運(yùn)輸?shù)确矫娴某杀尽?/p>

        3.2 效果分析

        土工格柵一般從地表開(kāi)始鋪設(shè),向上按照三個(gè)臺(tái)階高度的間隔依次放置,格柵主要物理力學(xué)參數(shù)包括:①密度:20g/cm3;②泊松比:0.25;③彈性模量:80MPa;④黏聚力:16kPa;⑤內(nèi)摩擦角:35°。因格柵厚度相對(duì)較小,因此其結(jié)構(gòu)層需使用厚度滿(mǎn)足要求的均質(zhì)材料替代。

        為明確加筋層位和層數(shù)與擴(kuò)寬路基沉降之間的關(guān)系,確定以下工況:

        工況一:未鋪設(shè)土工格柵;

        工況二:在第一層鋪設(shè)土工格柵;

        工況三:在第二層鋪設(shè)土工格柵;

        工況四:在第三層鋪設(shè)土工格柵;

        工況五:在第四層鋪設(shè)土工格柵;

        工況六:在第一層和第四層分別鋪設(shè)土工格柵;

        工況七:在第二層和第三層分別鋪設(shè)土工格柵;

        工況八:在第一、第二和第三層分別鋪設(shè)土工格柵;

        工況九:在第一、第二、第三和第四層均鋪設(shè)土工格柵。

        對(duì)以上不同工況條件下的加固效果進(jìn)行對(duì)比和分析,結(jié)果如表1、2所示。

        表1 不同工況條件下路基頂部工后沉降

        表2 不同工況條件下路基頂部工后水平位移

        從以上結(jié)果可以看出:

        (1)鋪設(shè)與未鋪設(shè)工況相比,工況二條件下能減少0.283cm的工后沉降,工況三條件下能減少0.207cm的工后沉降,工況四條件下能減少0.205cm的工后沉降,工況五能減少0.281cm的工后沉降,工況六條件下能減少0.413cm的工后沉降,工況七條件下能減少0.333cm的工后沉降,工況八條件下能減少0.438cm的工后沉降,工況九條件下能減少0.494cm的工后沉降;工況二條件下能減少0.334cm的水平方向位移,工況三條件下能減少0.240cm的水平方向位移,工況四條件下能減少0.237cm的水平方向位移,工況五條件下能減少0.331cm的水平方向位移,工況六條件下能減少0.562cm的水平方向位移,工況七條件下能減少0.423cm的水平方向位移,工況八條件下能減少0.648cm的水平方向位移,工況九條件下能減少0.741cm的水平方向位移。由此可以看出,當(dāng)路基高度與臺(tái)階尺寸完全相同時(shí),不論何種工況,加筋后路基整體工后沉降及水平方向位移均明顯減小。將土工格柵鋪設(shè)于路基當(dāng)中能起到分散荷載的作用,提高土體自身剛度模量,防止路基產(chǎn)生較大沉降,從而減小路基的橫豎向變形。不同工況條件下的路基橫豎向變形并無(wú)太大差異,尤其是路基頂部的差異沉降,保持在4.392~4.679cm之內(nèi),最大相差只有0.287cm,表明雖然土工格柵加筋能減小路基沉降,但實(shí)際效果比較有限。

        (2)根據(jù)以上結(jié)果對(duì)加筋位置和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析。在工況二、三、四、五幾種條件下,無(wú)論加筋位置如何,都能減小路基沉降及水平方向位移,從而降低新舊路基之間的差異沉降。然而,工況二條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.965cm,工況五條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.933cm,但工況三條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.041cm,工況四條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.037cm,工況二、五的處治效果比工況三、四好得多,表明進(jìn)行單層加筋施工時(shí),在路表的頂部或路基的底部進(jìn)行加筋能更有效地減小不均勻沉降,在中部進(jìn)行加筋的減小沉降作用則相對(duì)較小。其原因?yàn)椋涸诼坊幕走M(jìn)行加筋可以增強(qiáng)路基整體承載力,防止裂紋產(chǎn)生與發(fā)展,良好地分擔(dān)從路面?zhèn)鬟f下來(lái)的荷載?;诖耍瑢?shí)際施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮在路表或基底處進(jìn)行加筋。

        (3)根據(jù)以上結(jié)果對(duì)加筋層數(shù)和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析,對(duì)工況五、六、八、九條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果為:工況五條件下路基表面工后沉降的最大值為4.965cm,工況六條件下路基表面工后沉降的最大值為4.835cm,工況八條件下路基表面工后沉降的最大值為4.810cm,而工況九條件下路基表面工后沉降的最大值為4.754cm;在水平方向位移方面,工況五條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為4.215cm,工況六條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.992cm,工況八條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.904cm,工況九條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.811cm。從以上結(jié)果可以看出,當(dāng)格柵鋪設(shè)層數(shù)增加時(shí),加固效果提升,沉降與位移降低的幅度增大。在以上幾種工況條件下,以工況九差異沉降數(shù)值達(dá)到最小,具體數(shù)值為4.392cm,但僅比工況六條件下小0.056cm,實(shí)際變化并不大??梢?jiàn),在路基表面與基底分別布置兩層格柵可以最大限度控制差異沉降,相比之下全層加筋并沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì),反而會(huì)造成材料和工期上的浪費(fèi)。

        經(jīng)以上分析可得,采用鋪設(shè)格柵的方法能減少新舊路基之間的差異沉降,且大多情況下鋪設(shè)兩層格柵即可達(dá)到工程要求,采用全層鋪設(shè)的方案并不能達(dá)到預(yù)期作用與兩層鋪設(shè)并無(wú)太大差別,因此會(huì)造成浪費(fèi)?;诖?,為保證路基施工的安全性與經(jīng)濟(jì)合理性,對(duì)低填方路基而言,建議在路基頂部與地表分別鋪設(shè)格柵,而高填路基需結(jié)合開(kāi)挖臺(tái)階尺寸,按照一定層數(shù)間隔在臺(tái)階上進(jìn)行格柵的鋪設(shè)。

        采用土工格柵加筋的方法可以在很大程度上對(duì)路表沉降變形予以改善,緩解路表沉降和側(cè)向變形,但實(shí)際作用存在一定限制。該方法的實(shí)際處治效果會(huì)受到加筋位置、加筋層數(shù)等因素的影響。其中,在路基表面或路基基底進(jìn)行加筋的效果顯著好于在中部加筋;當(dāng)加筋層數(shù)增加時(shí),雖然處治效果有所提高,但并不現(xiàn)實(shí),一味按照全層加筋的方案進(jìn)行處治,非但難以達(dá)到預(yù)期處治效果,還會(huì)造成資源上的浪費(fèi)。因此,采用加筋方案控制差異沉降的過(guò)程中,應(yīng)做到具體情況具體分析,例如在低填路基施工中,建議在其表面與地表分別鋪設(shè)一道格柵,而在高填路基施工中,需結(jié)合開(kāi)挖臺(tái)階的具體尺寸大小,按照適當(dāng)?shù)拈g隔層數(shù)在臺(tái)階表面鋪設(shè)格柵。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,差異沉降是高速公路改擴(kuò)建工程路基加寬段施工常見(jiàn)問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)對(duì)該部位差異沉降的有效控制,首先要明確加寬段路基變形特性,然后結(jié)合加寬段路基特點(diǎn)確定適宜的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),最后采用土工格柵加筋等方法加以控制和處治,并根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,確定具體的加筋參數(shù),保證最終的控制和處治效果。

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