混凝土支护（共8篇）
混凝土支护 篇1
摘要：本文在介绍深基坑支护中混凝土灌注桩支护设计的计算理论和原理的基础上, 详细论述了混凝土灌注桩支护施工的施工工艺及常见问题, 并对在施工过程中质量控制要点、措施提出了建议。
关键词：深基坑支护,混凝土灌注桩支护,施工,要点
深基坑的支护形式是多种多样的, 为适应不同的地质及环境条件, 设计者针对不同的工程实际, 往往会根据当地建筑材料、施工条件等设计出不同的结构型式本文主要介绍深基坑支护中混凝土灌注桩支护施工的要点和建议。
1 混凝土灌注桩支护设计
1.1 计算理论的选择
传统的库伦和朗肯土压力理论, 都有各自的假定, 并且与实际有出入。
库伦土压力理论假定墙后填土破坏时, 是沿着通过墙踵的某一平面滑动的, 实际它却是个曲面。
朗肯土压力理论假定墙背和填土间无摩擦力 (δ=0) , 实际上摩擦力是存在的。
土压力理论都假定压力强度随深度呈线形分布, 实际是与墙身位移和变形有关, 试验表明它是曲线分布。
综合上述三点, 对灌注桩支护采用卜鲁姆 (H·Blum) 理论进行计算, 更接近工程实际。
1.2 计算原理
悬臂桩主要依靠嵌入土内深度, 以平衡上部地面荷载、水压力及土压力形成的侧压力, 因此插入深度至关重要。其次计算灌注桩所承受的最大弯矩, 以便核算灌注桩直径和配筋。
2 深基坑支护中混凝土灌注桩支护施工工艺
混凝土灌注桩一般采用采用旋挖钻机泥浆护壁成孔, 钢筋笼现场加工, 水下灌注商品混凝土的施工方法。钻孔灌注桩是利用钻孔机械钻出桩孔, 并在孔中浇注混凝土 (或先在孔中吊放钢筋笼) 而成的桩, 其中泥浆护壁成孔适用于地下水位较高的地质条件。施工要点包括:
2.1 施工工艺
钻机钻孔前, 应做好场地平整, 挖设排水沟, 设泥浆池制备泥浆, 做试桩成孔, 设置轴线定位点和水准点, 防线定桩位及其复核等施工准备工作。
钻孔前, 先安装桩架及水泵设备, 桩位处挖土埋设孔口护筒, 以起定位、保护孔口、存储泥浆等作用, 桩架就位后, 钻机进行钻孔。
钻孔是应在孔中注入泥浆, 并始终保持泥浆液面高于地下水位1.0m以上, 以起到护壁、携渣、润滑钻头、降低钻头发热、减少钻进阻力等作用。
钻孔深度达到设计要求后清孔, 该工程采用原土造浆, 所以清孔时, 钻机空转不进尺, 同时注入清水, 待孔底残余的泥块已磨浆, 排出泥浆比重降至1.1左右 (以手触泥浆无颗粒感觉) , 即认为清孔已经合格。
清孔完毕后, 立即吊放钢筋笼和水下浇注混凝土。钢筋笼埋设前在其上设置定位钢筋环, 确保保护层厚度。水下浇注混凝土采用导管法施工。
2.2 混凝土灌注桩常见问题及预防办法
2.2.1 坍孔
a.产生原因:护筒周围未用粘土填封紧密而漏水, 或护筒埋置太浅。.未及时向孔内加泥浆, 且孔内泥浆面低于孔外水位, 或孔内出现承压水降低了静水压力, 或泥浆密度不够。.在流砂、软淤泥、破碎地层松散砂层中钻进, 进尺太快或停在一处空转时间太长, 转速太快。
b.防治措施:护筒周围用粘土填封紧密;钻进中及时添加新鲜泥浆, 使其高于孔外水位;遇流砂、松散土层时, 适当加大泥浆密度, 不要使进尺过快, 空转时间过长。轻度坍孔, 加大泥浆密度和提高水位, 严重坍孔, 用粘土泥浆投入, 待孔壁稳定后采用低速钻进。
2.2.2 流砂
a.产生原因:孔外水压比孔内壁松散, 使大量流砂涌塞桩底。遇粉砂层, 泥浆密度不够, 孔壁未形成泥皮。
b.防治措施:使孔内水压高于孔外水位0.5 m以上, 适当加大泥浆密度。流砂严重时, 可抛入碎砖、石、粘土用锤冲入流砂层, 做成泥浆结块, 使其成坚厚孔壁, 阻止流砂涌入。
3 混凝土灌注桩支护施工的要点和质量控制措施
3.1 重视地质勘察工作。
深基坑支护施工中, 监理工程师要认真阅读工程的地质勘察报告, 了解基坑开挖所在地的地形、地貌和地质特点, 分析可能导致边坡土体滑坡的各种因素, 对影响边坡稳定性的关键地段、重要地层和土质指标做到心中有数。
3.2 严格按设计方案组织施工。
工程施工前, 有关人员应熟悉地质资料、设计图纸及周围环境, 降水系统应确保正常工作, 必须的施工设备正常运转。施工单位在施工过程中不得随意改变锚杆位置、长度、型号、数量, 钢筋网间距, 加强筋范围, 放坡系数等。设计方案变更时必须重新经专家评审。
3.3 核验水准点及坐标控制点的正确性和保护措施。
审查施工单位的水平及竖向施工放线是否正确, 开挖过程中监理工程师要随时对基坑的开挖尺寸、水平标高和边坡坡度进行检查, 随时注意基坑的变化。
3.4 坚持见证取样制度, 对进场材料严格把关。
施工单位进场的水泥、钢筋、钢铰线、砂子、石子、掺加剂等必须按规定报验, “两证一单”齐全, 并见证取样送检。
3.5 做好隐蔽工程验收。
施工过程中, 监理工程师应对锚杆位置、钻孔直径、深度及角度、锚杆插入长度, 注浆配比、压力及注浆量, 喷锚墙面厚度及强度锚杆应力等进行检查, 按规定留置混凝土试块、水泥浆试块等。
3.6 基坑支护单位要与挖土单位紧密配合, 坚持分层分段开挖与支护的原则。
土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致, 并遵循“开槽支撑, 先撑后挖, 分层开挖, 严禁超挖”的原则, 减少开挖过程中土体的扰动范围, 缩短基坑开挖卸荷后无支撑的暴露时间, 对称开挖, 均衡开挖, 合理利用土体自身在开挖过程中控制位移的能力。基坑开挖过程中, 应采取措施防止碰撞支护结构、工程桩或挠动基底原状土。发生异常情况时, 应立即停止挖土, 并应立即查清原因和采取措施, 方可继续挖土。
3.7 基坑开挖完成后, 应提醒建设单位
尽快组织勘察、设计、质监、监理、施工等部门进行验槽, 及早开始地下结构工程的施工, 严禁基坑长时间暴露。基坑回填前, 支护层不能破坏, 特别是坡脚部分。
3.8 护筒中心要求与桩中心偏差不大于50mm, 埋深不小于1m;
泥浆比重控制在1.1~1.2;孔底沉渣厚度不得大于150mm;水下浇注混凝土应连续施工, 孔内泥浆用潜水泵回收到贮浆槽里沉淀, 导管应始终埋入混凝土中0.8~1.3m, 并始终保持埋入混凝土面以下1m。
3.9 注意地下水或水患的影响。
在基坑开挖过程中, 土层滞水、砂土中的微承压水、裂隙水、承压水、管道漏水、地面排水、雨水等处理不当, 都会给边坡支护和周围建筑、管线带来危害。在选择地下水的处理方式时, 要根据工程地质和水文条件及周围环境, 决定采取降水还是防渗措施, 以免引起地面沉降, 给周边建筑及管线造成破坏。基坑边界周围地面应设排水沟, 且应避免漏水、渗水进入坑内;放坡开挖时, 应对坡顶、坡面、坡脚采取降排水措施。地下管道漏水, 极易造成边坡失稳。在基坑开挖过程中, 如发现地下管道有漏水现象, 应要求施工单位及时采取措施, 如使地下管道改道, 对漏水管道进行修补、防渗、将漏水及时导出等, 防止边坡含水量过大引起滑波。
3.1 0 加强对基坑的管理, 预防事故发生。
基坑设计与施工一般情况下都没有问题, 但在运行管理期间, 施工单位在基坑周边附近堆放重物超载、施工过程破坏了边坡整体面或基坑周边来回跑车时, 也极易造成基坑失稳事故。因此, 支护完毕后, 应要求支护施工单位与总承包单位办理阶段验收和文字移交手续, 将基坑支护情况、监测结果、注意事项等书面转交总包单位, 同时要求继续委托有资质的检测单位加强监测, 以便出现问题时界定责任。
参考文献
[1]张建标.混凝土钻孔灌注桩支护结构的技术分析[J].浙江大学, 2007-03-01.
混凝土支护 篇2
关键词：钢纤维 隧道 衬砌支护 韧性
0 引言
钢纤维混凝土和钢纤维喷射混凝土作为一种新型建筑材料，近年来在国内外得到了迅速发展。和普通混凝土相比，钢纤维混凝土不仅能明显改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂能力，而且能大大增强断裂韧性和抗冲击等多项性能，加之施工简便，价格相对低廉，所以在道路路面、桥梁结构、隧道衬砌支护等工程中的应用日益广泛。其中，钢纤维喷射混凝土是由均匀散布有钢纤维的混凝土拌和料，借助压缩空气高速喷射至受喷面而成的新型复合材料，它随着在隧道和地下工程中新奥法的推广和使用，已引起人们的高度重视，并在实际工程中取得了良好的效果。
1 喷射钢纤维混凝土
1.1 对钢纤维的基本要求 为了达到最佳施工质量及相关要求，在进行喷射钢纤维混凝土施工时，对钢纤维的几何参数及体积率都有具体的要求。
1.1.1 钢纤维的几何参数 钢纤维混凝土的增强效果与钢纤维的长度、直径、长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短起不到增强作用，太长施工困难，影响拌和质量，直径过细在拌和时易弯折，过粗则在同体积率时，其增强效果差。试验表明，钢纤维长度在15～60mm、直径或等效直径在0.3～1.2mm、长径比在30～100的范围内选用，其增强效果和施工性能可满足要求。不同的钢纤维混凝土结构中选用的钢纤维不同。
1.1.2 钢纤维的体积率选用范围 钢纤维混凝土中钢纤维的体积率过小，其增强作用较差，国内外一般以0.59／5为最小体积率。钢纤维体积率超过2时，拌和物的和易性变差，施工困难，质量难以保证。确定钢纤维掺入量时根据钢纤维的性能、混凝土结构对增强效果的要求及经济合理的原则选定。结构对增强要求低时可选用低值，结构对增强要求较高时可选用高值。
1.2 配合比设计及要求 槎路隧道因喷射钢纤维混凝土地段相对分散，同时受机具设备和开挖方法的限制，在施工时均采用干喷法施工。在此就干喷法施工的主要问题进行论述。
1.2.1 配合比设计 槎路隧道初期支护混凝土设计强度为C20混凝土，其理论配合比为：42.5MPa普通硅酸盐水泥，400kg；中粗砂(河道中)，835kg；粗骨料(河卵石)5～15mm，835kg；耐腐蚀剂，32kg；钢纤维，80kg。
1.2.2 有关要求：①钢纤维参数及掺量：根据采用的喷射机型号，本隧道选用钢纤维类型为ZH一06凸痕型，长度为20ram，等效直径0.4mm，长径比为50，钢纤维体积率为1.0，约每立方混凝土80kg。②水泥：钢纤维混凝土中常用强度等级为42.5MPa或52.5MPa的普通硅酸盐水泥，钢纤维混凝土中水泥用量较大，一般为360～450kg/m。③细骨料：采用硬质、洁净的中砂为宜，细度模数M一2.5～3.3。据经验，天然含水率在59/5～7为宜。④粗骨料：天然河卵石或质地坚硬的人工碎石均可，平均粒径在5-15mm为宜。⑤水：只要不含影响水泥正常凝结硬化及对纤维和基体有腐蚀作用(pH<4的酸性水和含硫量(按SO。计)超过水量的1)的有害物质的水均可。⑥外加剂：槎路隧道整体处于膨胀泥岩和粉砂质泥岩中，泥岩中的水具有侵蚀性和腐蚀性，需加6～8 的耐腐蚀剂。隧道开挖中渗水较大时，为尽快提高混凝土的早期强度，一般按2～49／5的掺量加入速凝剂。在渗水量不大时，为避免混凝土的后期强度损失过大，速凝剂尽可能少加或不加。
1.3 喷射钢纤维混凝土施工
1.3.1 工艺流程
具体步骤见图1。
1.3.2 关键技术
①混凝土拌制、存放和运输。钢纤维在拌和料中的分布均匀性，不仅与原材料和搅拌工艺有关，而且受搅拌机械和投料方法影响更大。试验表明：采用强制搅拌机比自落式搅拌机效果好。本隧道施工中因受机械设备影响而采用自落式搅拌机。投料时采用先投水泥、砂和碎石，在拌和过程中分散加入钢纤维的方法进行拌和，拌和时间不少于2min。钢纤维混凝土施工时，喷锚料应尽量随拌随用，掺入速凝剂时存放时间不得超过20min，不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过2h，否则被视为废料，不可再行使用。在运输和存放过程中不得淋雨、流入水或混合杂物。②喷射作业。混合料通过胶管长距离的高速输送，在喷头处已稍有分离，水在距受喷面lm左右处加入，喷射应根据其当前标定的给水速度调整水阀，按混凝土配合比设计确定的水灰比供水。喷射混凝土时，喷枪要垂直正对工作面，连续平稳地自下而上水平横向移动，喷头一圈压半圈的旋转喷射。在施工时还应注意风压对喷射钢纤维混凝土的影响。在混合料输送时，采用适当的风压是钢纤维均匀分布、减少回弹损失的主要条件。风压太大钢纤维的分布就不均匀。试验表明，钢纤维混凝土喷射堆中心的钢纤维含量为喷堆周边的85.3，这种现象产生的主要原因是由于料流喷出后，分布在料束外缘的钢纤维在接近受喷面前被横向气流吹至周围(其中部分钢纤维落地，部分钢纤维滞留在喷堆周边)，因此，降低风压则横向气流的压力和流速也会降低，这样不仅会减少钢纤维的回弹损失，也会改善钢纤维分布的不均匀性。一般混合料输送距离在100m以内时，喷射风压控制在0.15～0.2MPa为宜。③养护。混凝土施工质量的好坏，受养护的影响相当明显。因此在混凝土喷射完毕后要及时洒水或喷水雾养护。避免因养护不及时而导致喷射钢纤维混凝土的质量不合格。
2 湿喷效果分析
2.1 综合效益 主要体现在提高效率、加快进度、保证施工安全等宏观综合效益方面，采用湿喷强化初期支护，可在软弱地层条件下采用大断面开挖技术。
2.2 社会效益 粉尘浓度大幅度降低，机房几乎没有粉尘，保护了环境。
2.3 速度效益 ①湿喷机本身生产率提高；②回弹率降低相当于问接地提高了生产率；③一次完成湿喷厚度大，提高了施工进度。
2.4 质量和安全效益 喷射混凝土强度取决了水灰比控制是否准确，拌和及水化作用是否充分以及速凝剂按比例添加的准确度等方面。同时由于一次喷层厚度比干喷大幅度提高，容易达到设计喷层厚度要求。由于喷射混凝土强度及喷层厚度得到保证，提高了支护质量，施工安全有了保障。
3 结束语
实践表明，钢纤维应用广泛，不仅在初期支护中应用，在二次衬砌中及其它的地下工程防护、公路路面、水利工程、房屋工程及局部受压构件等均可使用钢纤维混凝土增强，并能提高效益。
参考文献：
[1]高丹盈，赵军，朱海堂.钢纤维混凝土设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社.1999、54～56.
[2]孙成访，谷倩，蒋丽娜.钢纤维混凝土承台主要参量对承载力的影响EJ].广西工学院学报.2003.14(1)：23～27.
竖井工程支护混凝土结构差异分析 篇3
1 竖井工程设计
竖井设计是矿山开拓工程设计之首要。设计单位根据矿山开采所需性能和深度选择竖井位置、断面大小、确定凿井深度、选择竖井支护结构;施工单位根据合同、设计图纸、规范进行施工组织设计。
1.1 断面形状
一般的矿井, 设计断面均为圆形, 从应用实践看处于稳定状态。随着采矿深度不断延深, 竖井也越来越深, 在地应力大的矿区, 一些学者曾经建议将深竖井断面改为椭圆形, 即:椭圆长轴方向与第一主应力方向相一致, 可改善竖井井筒的稳定性状况。对此建议, 笔者在2002～2004年度间以某1165m深井为研究对象, 对竖井井筒断面进行了监测, 历时两年进行跟踪分析, 取得实质性成果。圆形断面是竖井最佳选择, 圆形断面可承受不同方向的应力, 适应变化复杂的岩体构造, 具有支护体受力后结构应变能力强、施工方便、断面利用率高和马头门易于开凿的优点。
1.2 支护形式
传统意义上的竖井支护, 就是对开挖后岩体的封闭, 以防止各种浸蚀。但对岩体破碎、地压活动频繁的矿区竖井, 支护形式的设计必须与工程地质条件相联系, 主要目的是承压, 而后才是封闭作用。由此展开支护形式选择、井壁结构的确定以及开挖对策的设计。
以前的竖井设计, 受作业设备、井筒深度、作业面空间限制, 支护形式以低等级混凝土为主, 大都以工程类比法设计混凝土支护结构及其支护强度。
尽管近十多年竖井施工工艺装备发生了质的变化, 成井速度加快, 但竖井深度也因采深而大增, 超千米深井越来越多。井深增大, 原岩应力也相应增大, 使得井筒围岩的塑性变形增加, 竖井开挖后围岩常呈蠕变或流变状态, 导致支护成本剧增。工程地质, 甚至水文地质情况的变化, 增加了在确定合理支护结构、支护强度、支护工艺和支护时间等方面的难度。金川镍矿也不例外, 由于竖井开挖前很难按规范要求完成工程勘察, 初始条件不确定, 支护设计只能继续采用工程类比法;施工中变形监测又难以开展, 就不能采用动态设计。因此, 只能依据深度比照同类工程经验, 进行支护设计。即以钢筋混凝土为主, 以调整混凝土强度从C30到C60之间变化, 辅之以单筋或者双筋增加混凝土结构抗剪力。
2 金川矿区竖井混凝土支护结构
2.1 金川矿区竖井混凝土结构
钢筋混凝土结构作为主要材料在20世纪获得很大发展, 为进一步发挥其优越性, 在所用的材料上和配筋方式上有了很多新进展, 从而拓宽了钢筋混凝土结构使用范围, 矿山开拓竖井建设便是钢筋混凝土应用最广泛、效果明显的工程范例。素混凝土结构、钢筋混凝土结构、锚网喷射混凝土结构、锚网喷+混凝土结构普遍采用, 金川矿区竖井建设因竖井深度变化, 混凝土结构支护也随着发生变化, 由过去平均井深500m以素混凝土结构为主变更为平均井深1000m以钢筋混凝土结构支护为主。
金川矿区竖井混凝土支护结构以钢筋混凝土为主, 即采用单层钢筋或双层钢筋混凝土结构, 设计混凝土厚度为400～600mm, 钢筋保护层 (钢筋保护层在竖井工程中一般为横向钢筋与井壁间的距离) 40mm。
2.2 作业现场钢筋布置调查
2.2.1 某井筒双筋混凝土结构
某矿井井筒, 设计井壁为双层筋钢筋混凝土结构。主筋 (横向钢筋) φ20, 间距300mm;副筋 (竖向钢筋) φ14, 间距300mm;双层钢筋间距420mm;拉接筋φ8, 间距500mm;混凝土厚度500mm。钢筋工程绑扎施工完毕后, 隐蔽前验收随机抽检横筋 (主筋) 保护层和外圈竖筋位置如下:
(1) 内圈竖向钢筋保护层厚度, 见表1。
mm
保护层平均厚度undefined
(2) 外圈竖筋距井壁表面距离, 见表2。
mm
undefined
undefined
显然, 施工时混凝土内实际钢筋布置与设计布置有较大差异, 也即混凝土实际内结构与设计结构有较大差异。
2.2.2 某井筒井壁设计为单层钢筋混凝土结构
主筋 (横向钢筋) φ20, 间距300mm;副筋 (竖向钢筋) φ14, 间距300mm;混凝土厚度500mm, 钢筋保护层40mm。钢筋工程绑扎施工完毕后, 隐蔽前验收随机抽样, 测得竖井保护层厚度如下:
第一次:190 120 120 120 110 170 160 170 120 200
undefined
第二次:100 100 170 70 170 170 180 200 100
undefined
实际保护层位置比设计位置深:104mm。
3 混凝土结构施工差异分析
3.1 竖井混凝土结构实施差异
结构实体检验结果满足规范要求是混凝土结构子分部工程施工质量验收合格的前提条件, 混凝土结构工程质量验收时应检查混凝土结构实体质量, 实体质量又反映在工程的检查、检验记录之中。
在竖井施工中, 由于作业空间、作业对象、支护段高、振捣条件的影响, 相关人员隐蔽前仅检查主、副筋的间距, 而对结构实体钢筋保护层厚度的检验方法、检测手段均不规范, 检验记录真实性较差, 甚至于一些人对保护层不清楚;对于钢筋在混凝土中位置不同, 受力差异明显不同并不知情。由于井筒结构的特殊性, 竖筋是支护体上下连接筋, 圈筋是水平方向受力钢筋, 且绑扎于竖筋内侧, 保护层厚度是指主筋 (圈筋) 在混凝土中的位置。
矿山支护体设计强度是指井壁混凝土成型后, 井壁混凝土必须达到的强度;在实际操作中, 井壁混凝土强度是在混凝土搅拌站制备时取样并在标准条件养护的试件强度为依据。因为, 矿建钢筋混凝土结构检验的局限性, 通常专业人员以混凝土试块报告强度作为钢筋混凝土质量合格与否的判别条件, 而对保护层厚度未做认真检查、记录。
竖井作业工艺循环中, 保护层厚度差异较大的原因是:
(1) 成井段高 (3.3m左右) 较长, 竖筋 (副筋) 与上模预留筋搭接后柔性较大, 不易固定;
(2) 井筒围岩与竖筋空间距变化很大, 水平方向不易固定;若设计固定锚杆, 时间与费用增量较大;
(3) 竖井模板分项工程中, 只有内模即只有整体模板或组合模板, 而无外模, 外模均用井筒开挖后的原岩来替代, 凿岩爆破控制若较差, 则原始井壁成型就差, 井壁支护体空间变大, 钢筋绑扎空间相应增大, 钢筋绑扎的准确性变小;
(4) 浇注混凝土时, 混凝土料管放料时冲击钢筋, 造成钢筋移位;
(5) 振动棒振捣时也容易使钢筋受振, 造成钢筋偏移;
(6) 人的因素, 管理、操作人员对钢筋混凝土结构认识不清, 管理不到位, 操作不规范。
3.2 存在混凝土结构差异, 采取的措施
(1) 加强设计、管理、施工、监理等从业人员对钢筋混凝土结构相关知识、规范以及矿井建设专业知识的学习培训, 提高从业人员能力, 是保证钢筋混凝土质量的基本保证。
(2) 抓施工前技术交底工作, 施工人员要了解本工程的特点、施工要点。交底中要明确做什么、谁来做、如何做、作业标准和要求。
(3) 抓施工过程要素控制, 工程施工质量是在施工过程中形成的, 而不是最后检验出来的。施工人员要严格按设计、规范施工, 钢筋间距、保护层须达到设计要求, 对钢筋的固定要采取有效、可靠的固定方式。
(4) 施工单位必须建立、健全施工质量检验预控制度, 完备工序、工艺管理, 做好隐蔽工程的质量检查和现场记录。
(5) 监理人员要把钢筋工程设置为质量控制点, 采取旁站监理或重点监控, 加大预验收力度。对钢筋混凝土工程, 不但要查混凝土工艺, 还要检查钢筋分项工程达到设计、规范要求, 才能判断合格。
摘要：竖井工程是矿山开拓的主要工程, 也是矿山生产期间服务周期最长的工程, 竖井支护的混凝土结构是形成人工井壁的核心, 关系井筒寿命周期内的安全使用。通过竖井工程设计理念诠释, 支护结构施工调查分析, 对竖井井壁实际状况给予了记录, 并进行了结构差异分析。
关键词：竖井工程,设计,支护结构,混凝土结构差异分析
参考文献
[1]夏才初, 李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社, 1999.
[2]张誉.混凝土结构基本原理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
混凝土灌注桩支护工艺及质量控制 篇4
1.1 计算理论的选择
传统的库伦和朗肯土压力理论, 都有各自的假定, 并且与实际有出入。
库伦土压力理论假定墙后填土破坏时, 是沿着通过墙踵的某一平面滑动的, 实际它却是个曲面。朗肯土压力理论假定墙背和填土间无摩擦力 (δ=0) , 实际上摩擦力是存在的。土压力理论都假定压力强度随深度呈线形分布, 实际是与墙身位移和变形有关, 试验表明它是曲线分布。综合上述三点, 对灌注桩支护采用卜鲁姆 (H·Blum) 理论进行计算, 更接近工程实际。
1.2 计算原理
悬臂桩主要依靠嵌入土内深度, 以平衡上部地面荷载、水压力及土压力形成的侧压力, 因此插入深度至关重要。其次计算灌注桩所承受的最大弯矩, 以便核算灌注桩直径和配筋。
2 深基坑支护中混凝土灌注桩支护施工工艺
混凝土灌注桩一般采用采用旋挖钻机泥浆护壁成孔, 钢筋笼现场加工, 水下灌注商品混凝土的施工方法。钻孔灌注桩是利用钻孔机械钻出桩孔, 并在孔中浇注混凝土 (或先在孔中吊放钢筋笼) 而成的桩, 其中泥浆护壁成孔适用于地下水位较高的地质条件。施工要点包括:
2.1 施工工艺
钻机钻孔前, 应做好场地平整, 挖设排水沟, 设泥浆池制备泥浆, 做试桩成孔, 设置轴线定位点和水准点, 防线定桩位及其复核等施工准备工作。
钻孔前, 先安装桩架及水泵设备, 桩位处挖土埋设孔口护筒, 以起定位、保护孔口、存储泥浆等作用, 桩架就位后, 钻机进行钻孔。
钻孔是应在孔中注入泥浆, 并始终保持泥浆液面高于地下水位1.0m以上, 以起到护壁、携渣、润滑钻头、降低钻头发热、减少钻进阻力等作用。
钻孔深度达到设计要求后清孔, 该工程采用原土造浆, 所以清孔时, 钻机空转不进尺, 同时注入清水, 待孔底残余的泥块已磨浆, 排出泥浆比重降至1.1左右 (以手触泥浆无颗粒感觉) , 即认为清孔已经合格。
清孔完毕后, 立即吊放钢筋笼和水下浇注混凝土。钢筋笼埋设前在其上设置定位钢筋环, 确保保护层厚度。水下浇注混凝土采用导管法施工。
2.2 混凝土灌注桩常见问题及预防办法
2.2.1 坍孔
(1) 产生原因:护筒周围未用粘土填封紧密而漏水, 或护筒埋置太浅。未及时向孔内加泥浆, 且孔内泥浆面低于孔外水位, 或孔内出现承压水降低了静水压力, 或泥浆密度不够。在流砂、软淤泥、破碎地层松散砂层中钻进, 进尺太快或停在一处空转时间太长, 转速太快。
(2) 防治措施:护筒周围用粘土填封紧密;钻进中及时添加新鲜泥浆, 使其高于孔外水位;遇流砂、松散土层时, 适当加大泥浆密度, 不要使进尺过快, 空转时间过长。轻度坍孔, 加大泥浆密度和提高水位, 严重坍孔, 用粘土泥浆投入, 待孔壁稳定后采用低速钻进。
2.2.2 流砂
(1) 产生原因:孔外水压比孔内壁松散, 使大量流砂涌塞桩底。遇粉砂层, 泥浆密度不够, 孔壁未形成泥皮。
(2) 防治措施:使孔内水压高于孔外水位0.5m以上, 适当加大泥浆密度。流砂严重时, 可抛入碎砖、石、粘土用锤冲入流砂层, 做成泥浆结块, 使其成坚厚孔壁, 阻止流砂涌入。
3 混凝土灌注桩支护施工的要点和质量控制措施
3.1 重视地质勘察工作
深基坑支护施工中, 监理工程师要认真阅读工程的地质勘察报告, 了解基坑开挖所在地的地形、地貌和地质特点, 分析可能导致边坡土体滑坡的各种因素, 对影响边坡稳定性的关键地段、重要地层和土质指标做到心中有数。
3.2 严格按设计方案组织施工。
工程施工前, 有关人员应熟悉地质资料、设计图纸及周围环境, 降水系统应确保正常工作, 必须的施工设备正常运转。施工单位在施工过程中不得随意改变锚杆位置、长度、型号、数量, 钢筋网间距, 加强筋范围, 放坡系数等。设计方案变更时必须重新经专家评审。
3.3 核验水准点及坐标控制点的正确性和保护措施。
审查施工单位的水平及竖向施工放线是否正确, 开挖过程中监理工程师要随时对基坑的开挖尺寸、水平标高和边坡坡度进行检查, 随时注意基坑的变化。
3.4 坚持见证取样制度, 对进场材料严格把关。
施工单位进场的水泥、钢筋、钢铰线、砂子、石子、掺加剂等必须按规定报验, “两证一单”齐全, 并见证取样送检。
3.5 做好隐蔽工程验收。
施工过程中, 监理工程师应对锚杆位置、钻孔直径、深度及角度、锚杆插入长度, 注浆配比、压力及注浆量, 喷锚墙面厚度及强度锚杆应力等进行检查, 按规定留置混凝土试块、水泥浆试块等。
3.6 基坑支护单位要与挖土单位紧密配合, 坚持分层分段开挖与支护的原则。
土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致, 并遵循“开槽支撑, 先撑后挖, 分层开挖, 严禁超挖”的原则, 减少开挖过程中土体的扰动范围, 缩短基坑开挖卸荷后无支撑的暴露时间, 对称开挖, 均衡开挖, 合理利用土体自身在开挖过程中控制位移的能力。基坑开挖过程中, 应采取措施防止碰撞支护结构、工程桩或挠动基底原状土。发生异常情况时, 应立即停止挖土, 并应立即查清原因和采取措施, 方可继续挖土。
3.7 基坑开挖完成后, 应提醒建设单位尽快组织勘察、设计、质
监、监理、施工等部门进行验槽, 及早开始地下结构工程的施工, 严禁基坑长时间暴露。基坑回填前, 支护层不能破坏, 特别是坡脚部分。
3.8 护筒中心要求与桩中心偏差不大于50mm, 埋深不小于1m;
泥浆比重控制在1.1~1.2;孔底沉渣厚度不得大于150mm;水下浇注混凝土应连续施工, 孔内泥浆用潜水泵回收到贮浆槽里沉淀, 导管应始终埋入混凝土中0.8~1.3m, 并始终保持埋入混凝土面以下1m。
3.9 注意地下水或水患的影响
在基坑开挖过程中, 土层滞水、砂土中的微承压水、裂隙水、承压水、管道漏水、地面排水、雨水等处理不当, 都会给边坡支护和周围建筑、管线带来危害。在选择地下水的处理方式时, 要根据工程地质和水文条件及周围环境, 决定采取降水还是防渗措施, 以免引起地面沉降, 给周边建筑及管线造成破坏。基坑边界周围地面应设排水沟, 且应避免漏水、渗水进入坑内;放坡开挖时, 应对坡顶、坡面、坡脚采取降排水措施。地下管道漏水, 极易造成边坡失稳。在基坑开挖过程中, 如发现地下管道有漏水现象, 应要求施工单位及时采取措施, 如使地下管道改道, 对漏水管道进行修补、防渗、将漏水及时导出等, 防止边坡含水量过大引起滑波。
3.1 0 加强对基坑的管理, 预防事故发生
基坑设计与施工一般情况下都没有问题, 但在运行管理期间, 施工单位在基坑周边附近堆放重物超载、施工过程破坏了边坡整体面或基坑周边来回跑车时, 也极易造成基坑失稳事故。因此, 支护完毕后, 应要求支护施工单位与总承包单位办理阶段验收和文字移交手续, 将基坑支护情况、监测结果、注意事项等书面转交总包单位, 同时要求继续委托有资质的检测单位加强监测, 以便出现问题时界定责任。
摘要：本文在介绍深基坑支护中混凝土灌注桩支护设计的计算理论和原理的基础上, 详细论述了混凝土灌注桩支护施工的施工工艺及常见问题, 并对在施工过程中质量控制要点、措施提出了建议。
混凝土支护 篇5
车集煤矿煤炭开采开始转向三煤层, 三煤组煤层赋存条件是永夏矿区典型的成煤地质条件, 其顶底板多为砂质泥岩或泥岩, 上覆岩层的顶板砂岩水一般都比较大, 该矿是永夏矿区开采三煤组的首对矿井, 开展深井软岩巷道支护技术研究将解决永夏矿区的三煤层巷道支护难问题, 具有重要的现实意义, 其后期的推广利用前景广阔。
1工程地质概况
车集煤矿34采区回风下山位于三undefined煤层底板以下7～10 m的范围内, 巷道围岩主要以泥岩和砂质泥岩为主, 巷顶为厚3～4 m的中粒砂岩, 砂岩裂隙水局部较大。岩层倾角较缓, 在7°～10°之间, 起伏变化不大。从预测剖面来看, 落差在1～3 m的小断层较发育。
2喷射混凝土支护技术特点
针对深井软岩巷道压力大、变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性突出等特点[1,2,3,4,5], 我国已发展了多种深井软岩巷道支护技术, 主要有3种:①锚网喷联合支护;②锚网喷架钢棚支护;③壁后充填。其共同特点是利用锚杆、喷射混凝土进行支护。
2.1作用
喷射混凝土作为主要支护工艺, 具有其特有的关键作用。
(1) 加固围岩和防止风化。
高速喷射的混凝土可以填充围岩裂隙并起到封闭围岩的作用, 以提高岩体黏聚力和内摩擦角, 防止水、风化作用对岩面的侵蚀。
(2) 强化围岩强度。
岩面暴露后及时初喷可以消除凹凸不平引起的应力集中, 从而避免造成围岩破坏;使围岩受力状态改变为三向受力状态, 强化围岩强度。
(3) 提高围岩整体性。
喷射混凝土的黏结度、柔性, 使得其喷层密贴岩面, 形成一定范围的非弹性变形区, 围岩受压时共同作用, 保持围岩自身稳定, 从而达到减小围岩变形量、降低围岩破坏程度的目的。
2.2增强增韧混凝土选择
传统的混凝土喷层虽具有高抗压强度的优点, 但其韧性与抗拉强度较低, 同时其干缩性会造成内部多小裂缝, 影响喷层及其与围岩的整体性, 降低其抗拉强度, 在巷道围岩受应力作用时, 喷层不但不能与岩体共同承载, 还会发生脆性破坏而掉落, 造成喷射混凝土支护失效, 甚至浆皮掉落伤人[6,7,8]。为了满足深井软岩巷道支护高强高韧的要求, 提出了将聚丙烯纤维与钢纤维混合掺加到素混凝土中得到混杂纤维混凝土, 其具有阻裂、抗拉、耐久、抗压、韧性好等优点[6,7,8,9,10], 能有效阻止喷层内部裂纹的产生和扩展, 其韧性能适应软岩巷道大变形的特点, 达到大变形而不坏、坏而不碎、碎而不断的效果, 有效克服了素混凝土的弱点。
3深井软岩巷道围岩稳定性控制
深井软岩巷道支护工艺顺序:爆破成型→临时支护→打锚杆孔→挂网、装锚杆→初喷素混凝土 (30～50 mm) →打锚索→挂第2层网并固定→ (移2次耙矸机后) 湿喷混凝土 (120 mm) →后巷进行注浆 (局部、距作业面100 m外) 。
3.1设计方案
34采区回风下山采用锚网索喷支护时, 支护设计如图1所示。
(1) 巷道基本支护。
每排布置19根Ø22 mm×2 500 mm高强锚杆, 配套2节树脂锚固剂 (型号为MSCK2350、MSK2350) , 间排距均为600 mm, 锚杆从巷道中心开始向两帮均匀布置, 两帮部靠近顶板2根锚杆与帮部垂直方向成15°夹角分别向底板倾斜布置。锚杆配套2 400 mm梯子梁, 每根梯子梁由巷道拱部5根锚杆固定紧贴巷道岩面;全断面铺设钢筋网, 网片规格1 000 mm×2 000 mm, 网格100 mm×100 mm, 相邻网片搭接不少于100 mm, 每隔200 mm使用12#铁丝连接1处。
(2) 巷道加强支护。
拱部锚索沿巷道中心线及左右各布置1根锚索, 间距1 800 mm, 排距1 000 mm, Ø18.9 mm×9 000 mm与Ø18.9 mm×4 000 mm锚索交替布置;巷道两帮沿拱基线向下400 mm位置各布置1排Ø18.9 mm×6 000 mm锚索, 锚索间距1 600 mm。
(3) 增强增韧混凝土支护。
锚网支护完毕后, 进行初次喷射混凝土支护, 初次喷射素混凝土 (即目前的喷浆工艺) , 喷厚控制在30～50 mm之间, 以封闭围岩为主要目的;移耙矸机后, 在距离掘进面大于40 m段拱基线以上铺设第2层网, 然后对巷道进行复喷支护, 湿喷纤维混凝土, 喷厚120 mm;铺设第2层网时, 在巷道两帮拱基线及两肩窝位置, 补充施工Ø18 mm×1 200 mm锚杆配合巷道拱部所布置的3排锚索外露部分固定钢筋网, 保证2层网间距控制在90 mm左右。用于固定网的锚杆, 其预紧力及锚固力不按支护锚杆要求考核。
3.2湿喷纤维混凝土工艺
(1) 设备。
湿喷设备由1台湿喷机、2台搅拌机、储料槽组成。采用TK500型转子活塞式湿喷机, 生产能力4.5 m3/h, 工作风压0.40～5.0 MPa。
(2) 原材料及配比。
①纤维材料为聚丙烯纤维和钢纤维, 其具体参数见表1, 配比为每立方混凝土掺入8 kg (40%聚丙烯纤维、60%钢纤维) 。②混凝土材料为水泥、骨料和外加剂, 要求水泥强度不低于32.5 MPa, 骨料含泥量 (<0.15 mm) 不大于5%, 一般平均粒径0.3～0.4 mm, 外加剂掺入量为水泥量的3%～5%;水泥与骨料之比为1∶4～1∶5, 每立方混凝土水泥用量为450 kg。③拌合用水应不含影响水泥正常凝结和硬化的有害杂质 (油类、糖类、污水) , 不含对纤维及基体有腐蚀作用的物质土; 水灰比应控制在0.45。1 m3纤维混凝土中水泥450 kg、水162 kg (考虑添加剂对水的作用) 、砂965 kg、石子775 kg。
(3) 拌料工艺。
混凝土配合比 (质量比) 要求为水泥∶砂∶石=1∶2.3∶1.84。每立方米混凝土中添加27 kg添加剂A、4.5 kg添加剂B。要求搅拌的人员相对固定, 并进行培训, 保证设备正常运行, 每次上料和操作人员应不少于6人 (1人操作设备, 4人装料, 1人调配添加剂) 。添加剂B放入水箱中, 用专用棍棒搅拌不少于5圈, 使各种材料能充分分散在混凝土中, 并且保证坍落度在80～150 mm范围内。定期检查混凝土坍落度, 控制计量泵的加水流量。
4工程应用
为对比纤维混凝土与素混凝土的支护效果, 选择200 m巷道, 2种混凝土各喷射其中的100 m, 其他支护手段不变。在2个对比段各设1个观测站, 为尽量消除不利影响, 要求两测站至试验段接合处距离相等且相距40～80 m。观测结果如图3所示。
由图3可知, 两试验段顶底相对移近量差别较小, 而两帮相对移近量纤维混凝土试验段大, 原因是混杂纤维混凝土韧性和延展性好于素混凝土, 表现出柔性支护特征[9,10]。
5效益分析
(1) 目前采用增强增韧混凝土湿喷技术试验段100 m, 保证了此段巷道的有效支护强度, 避免了巷道二次返修, 按照二次返修投入人力、物力4 000元/m进行计算, 直接经济效益为40万元。车集煤矿每年的锚网索喷支护巷道返修量都在600 m以上, 若采用此种湿喷支护工艺, 减少巷道返修率50%左右, 每年直接经济效益为120万元。
(2) 通过对现场施工监测得知, 喷浆料回弹率降低30%, 提高了材料利用率;工作面粉尘减少50%以上, 净化了工作面环境, 保护了工人的身心健康。施工完毕3个月后, 矿压显现明显好转, 巷道脱皮、掉矸及开裂现象比车集煤矿原施工工艺减少80%以上。
6结语
增强增韧湿喷技术的应用提高了巷道的支护强度, 减少了巷道的浆皮开裂;提高了巷道使用的安全性, 降低了巷道修复年限, 减少了巷道支护成本;同时提升了深部软岩巷道锚喷支护技术的有效可靠性, 对永夏矿区类似巷道支护有着重要指导意义。
参考文献
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浅谈隧道初期支护湿喷混凝土施工 篇6
1 喷射混凝土支护
1.1 喷射机型号
隧道初期支护喷射混凝土施工采用岩缝TK-600型喷射机, 该机是TK系列转子活塞式湿喷机。
1.2 原材料的配合比
混合料的配合比应准确, 称量时允许偏差;水泥和速凝剂为±2%, 砂与石料为±5%必须采用强制式搅拌机, 拌和要和、均匀, 随拌随用。
1.3 喷射混凝土
在喷射砼之前, 用水或高压风管将岩壁面的粉尘和杂物冲洗干净。开挖后立即对岩面喷射砼, 以防岩体发生松驰。喷射中发现松动石块或遮挡喷射砼的物体时, 及时清除。喷射混凝土前应做好排水措施, 对渗漏水孔洞、缝隙应采取引排或堵水措施。在安装排水半管的地方, 要防止喷射混凝土堵塞排水半管。喷射混凝土必须采用湿喷工艺, 原材必须采用配合比所批材料, 除速凝剂外其余材料应在拌和机内预拌, 以便控制各种材料数量, 保证拌合均匀?喷射混凝土前, 应检查开挖断面尺寸, 清除开挖面的松动岩块及在拱脚与墙脚处的岩屑等杂物, 设置控制喷层厚度的标志。喷射混凝土时应按照施工工艺分段、分片, 由下而上依次进行。一次喷射混凝土的最大厚度, 拱部不得超过10 cm, 边墙不得超过15 cm。分层喷射混凝土时, 后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。喷射作业紧跟开挖作业面时, 混凝土终凝到下一循环爆破作业时间不应小于3 h。混合物应随拌随喷, 严格控制风压、水压, 以及与受喷面距离、角度, 喷头移动方式减小回弹量, 喷射混凝土回弹物不得重新用于喷射混?喷射混凝土所用速凝剂必须随用随加, 必须严格控制用量, 现场要有计量工具, 不得随意添加, 可在喷浆机二次拌合时经计算称量加入。
1.4 回弹量调整
回弹率采用预控制, 拱部不超过40%, 边墙不超过30%, 挂钢筋网后, 回弹率限制可放宽5%, 采用经过验证的新技术, 减少回弹率, 回弹物不得重新用作喷射砼材料。喷射过程中由于岩面、钢筋或骨料相互碰撞而从受喷面上弹落下来的拌合物成为回弹量, 其根据喷射位置、空气压力、水泥用量、水灰比及骨料最大粒径和级配等决定, 喷射初期回弹量较大, 当其形成塑性层后则粗骨料易嵌入回弹量则会减少, 因此应调整喷射厚度来控制回弹量;同时由于回弹料中水泥含量小且主要为粗骨料, 因此其不宜用于重新使用而影响最终的喷射质量。实测表明, 采用干法喷射混凝土时, 一般边墙的回弹率为10%~20%, 拱部位20%~35%, 回弹量相当大, 应设法减少回弹, 将回弹物料回收利用。但回弹料不得重新用作喷射混凝土材料。
1.5 整平
喷射混凝土表面应无漏喷、离散、裂缝、钢筋外露等现象。对喷射层进行整平对提高结构强度及耐久性均有利, 但对其进一步追加振动平整则会产生负面影响, 即可损坏混凝土与钢筋间的粘结并易在混凝土内部产生裂缝, 但依靠喷射自然形成的面层则过于粗糙并对后期二衬防水板的铺设产生影响, 因此, 施工中在喷射混凝土初凝后则用刮刀将多余混凝土刮掉, 之后用喷浆或抹灰浆对其找平。
1.6 速凝剂的目的
加速喷射混凝土的凝结、硬化, 提高早期强度;减少喷射混凝土的回弹量;防止因重力作用而引起喷射混凝土的流淌或脱落;增大一次喷射厚度, 缩短分层喷射的时间间隔。
1.7 养护及其他事项
由喷射混凝土应及时进行养护, 隧道内环境温度低于5℃不得洒水养护。冬季施工时, 喷射作业区的温度不应低于5℃, 在结冰的岩面上不得进行喷射混凝土作业。混凝土强度未达到6℃前不得受冻。
1.7.1 堵管问题处理
遇到堵管发生时, 喷射机操作手应立即关闭马达, 随后关闭风源, 喷射手将软管拉直, 然后用手锤敲击以寻找堵管处。当敲击钢管时发音浑浊, 或敲击胶管时有发硬感觉处, 即为堵管部位。找到堵管部位后, 可将风压升到0.3~0.4 Mpa (不超过0.5 Mpa) 并用锤击堵管部位, 使其畅通。排出堵管时, 喷嘴前方严禁站人, 以免被喷伤。
1.7.2 对滴、渗水部位喷射
应在该部位围岩表面喷射混凝土时, 其喷射混凝土的凝结时间应随喷射面渗水量的大小而进行调整。
钢架间的喷射混凝土喷射
为了确保初期支护安全、可靠, 对于V类围岩通常都采用I20以上钢架进行支护, 钢架间距通常在0.6 m左右。钢架背后设置20×20钢筋网片。这就提高了对喷射混凝土的要求。因此, 宜采用低风压、近距离、变换喷射角度的方式进行。风压宜控制在0.2~0.3 Mpa, 距离在1 m左右。先调整角度将拱架背后喷密实, 在喷实钢筋网背后, 最后恢复正常湿喷方式喷实拱架之间间隙。否则在钢架和钢筋网表面会形成一个混凝土壳, 而钢筋网背后、钢架背后易形成空洞。喷射混凝土厚度及背后是否有空洞采用地质雷达探测, 探测存在的问题应及时进行处理。
2 结语
隧道施工初期支护湿式混凝土喷射工艺因其高效、环保、高能等优点而被广泛应用, 但其在使用中仍存在一定问题 (如:湿喷混凝土质量容易控制, 喷射过程中的粉尘和回弹量很少。但对喷射机械要求较高, 机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道, 则不易使用湿喷) 制约了湿喷技术的发展和应用, 因此对其进行深入研究, 不断优化其工艺是当前需要解决的实际问题。
参考文献
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混凝土支护 篇7
可见, 巷旁支护的高效与否对沿空留巷的优势能否充分发挥具有重要影响。因此, 开发一种可靠的巷旁支护形式对于保证沿空留巷的效果有着十分重要的理论价值和实用意义。为此, 本文将以减小混凝土砌块质量、降低工人劳动强度为目的, 通过试验研究来开发一种新的墙体砌块, 并重点对其力学特性及合理的材料配比进行研究。
1 原材料的选取及技术要求
泡沫混凝土多以最普通的水泥为主要原料, 主要因为水泥可与不同的掺和料进行配比混合, 进而形成多种类型的水泥泡沫混凝土。试验选用的泡沫混凝土原材料主要包括水泥、粉煤灰、细砂、纤维及发泡剂。
1.1 水泥
试验中以水泥作为主要的胶凝材料, 主要因其拥有分布广泛、性能优异、价格低廉、凝结硬化快、抗冻性好、强度高和耐久性好等良好优点。使用的水泥为P.O42.5R普通硅酸盐水泥, 其主要物理性能指标如下: (1) 品种, P.0 42.5R; (2) 细度, 0.8%; (3) 安定性, 合格; (4) 初凝时间为160 min, 终凝时间为240min; (5) 抗折强度, 3 d时为4.5 MPa, 28 d时为6.9MPa; (6) 抗压强度, 3 d时为30.6 MPa, 28 d时为55.2 MPa。
1.2 粉煤灰
针对不同的混凝土工程, 应选用相应等级的粉煤灰, 选择方式见表1。此次试验选用Ⅱ级粉煤灰, 该粉煤灰符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 (表2) 标准中Ⅱ级技术要求。
1.3 细集料
试验采用的细集料为细砂, 密度为2.65 t/m3, 细度模数为2.2, 无杂物, 含泥量不大于3%, 同时需过孔径3~5 mm的筛进行筛选。
1.4 发泡剂
发泡剂是生产泡沫混凝土的关键。对于浆体的稳定性、硬化体的力学性能及抗冻性起着至关重要的作用[2]。试验选用的发泡剂为市售工业级双氧水 (浓度27.5%) 。
1.5 纤维
试验选用的纤维为市售丙烯束状19 mm、19mm Y单丝纤维或改性聚丙烯束状6, 9 mm单丝纤维, 其物理力学性能如下: (1) 直径18 mm; (2) 抗拉强度σt=700 MPa; (3) Ef=8 000 MPa; (4) 延伸率15%; (5) 纤维长度9 mm; (6) 密度0.91 t/m3。
1.6 减水剂
减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下, 能减少拌合用水量、提高混凝土强度, 或在和易性及强度不变条件下, 节约水泥用量的外加剂。该试验选用的减水剂为市售聚羧酸盐高性能减水剂 (液体) , 其技术指标: (1) 减水率≥25%; (2) 密度 (1.09±0.02) t/m3; (3) 固含量为22%±2%; (4) 水泥净浆流动度≥250 mm; (5) p H值范围为6~8; (6) 氯离子含量≤0.02%; (7) 碱含量≤0.2。
1.7 硅灰和矿渣
两者均选用市售普通型号。在矿渣中添加硅酸盐水泥熟料、粉煤灰等多种活性激化剂, 可发生水化反应, 从而加工成矿渣胶凝材料。市售普通型矿渣的化学成分含量: (1) Ca O, 38%~46%; (2) Si O2, 26%~42%; (3) Al2O3, 7%~30%; (4) Mg O, 4%~13%。
1.8 固化剂和激发剂
固化剂是能够使型砂中的黏结剂产生化学反应而将砂粒固结在一起的材料;激发剂是一种高分子活性材料, 它对高效减水剂的分子链式反应有激活的作用。试验中的固化剂和激发剂均为自制。
2 泡沫混凝土配合比设计
泡沫混凝土和普通混凝土配合比设计的目的是相同的, 即在获得所需泡沫混凝土前提下, 制备出具有良好耐久性的产品。泡沫混凝土由于其特殊性, 不能像普通混凝土那样, 用一个较公认的强度公式作为配合比设计的基础。所以需要根据普通混凝土和粉煤灰混凝土的配合比设计原理及方法, 同时结合已有的泡沫混凝土配合比设计方法, 在它们的基础上加以改进和拓展。
考虑到发泡液本身的特点, 进行泡沫混凝土配合比设计时应满足以下几项要求:
(1) 确定泡沫混凝土设计强度和密度等级的关系, 泡沫混凝土要求在满足强度等级的同时, 还应满足相应的密度等级要求。而强度与密度对于发泡混凝土来说是相互矛盾的, 这就增加了配合比设计的复杂性, 因此, 在设计中必须充分考虑[3]。
(2) 保证泡沫混凝土料浆的和易性, 在与同强度等级的普通混凝土相比时, 若要满足同等的和易性要求, 则每立方米泡沫混凝土的水泥用量往往要比普通混凝土多。特别对低密度混凝土来说, 这种现象将更为严重。因此, 在泡沫混凝土的配合比设计中应尽可能地节约水泥, 提高经济效益。
(3) 确保混凝土的耐久性指征, 与普通混凝土不同的是, 发泡液的多孔性也导致其配置的泡沫混凝土不密实, 对混凝土的变形性能和耐久性能带来不利影响。所以在泡沫混凝土的配合比设计中, 应特别注意。
3 试验试块的制备方案设计
当前, 泡沫混凝土的制备方法可分为2种: (1) 预制泡沫混合法, 即先将泡沫制备好, 再与砂浆混合成型。 (2) 混合搅拌法, 即将水泥砂浆和发泡剂一起预制浇筑, 再将坯体静停发泡。2种生产工艺最大的区别是泡沫生成的方式, 制备工艺的不同决定了2种方式生产出的泡沫混凝土的性能也不相同。一般情况下, 前一种方法制备出的泡沫砂浆具有良好的流动性, 适合进行远距离泵送;而后一种方法制备出的砂浆因为发泡尚未完成, 需先静停发泡一段时间。
该试验采用第1种方法制备泡沫混凝土, 即预制泡沫混合法, 制备试验所用泡沫混凝土试件及具体步骤如下: (1) 预处理。水泥过0.08 mm方孔筛, 以防硬块硬粒在泡沫浆里沉积。 (2) 原材料计量。 (3) 上料及搅拌。先在搅拌机内加入少量的水 (约为设计用水量的1/20) , 使机筒的筒壁润滑, 然后开启搅拌机 (采用NJ-160A型水泥净浆搅拌机) ;搅拌机在低速 (30~40 r/min) 搅拌状态下依次加入水泥、粉煤灰、砂、硅灰、减水剂、纤维、固化剂和激发剂, 同时按比例加水, 直至加料完全后, 继续搅拌, 至泡沫水泥砂浆达到均匀稳定的状态。 (4) 发泡并浇注成型。在浆料搅拌的同时加入双氧水, 并继续搅拌10~15s, 将制备好的浆体均匀倒入预制模具中浇注成型;浇注成型的混凝土试块如图1所示。 (5) 洒水自然养护28 d即可。
泡沫混凝土的制备过程应该严格把好关, 原材料及试剂的称取、料浆的搅拌等工艺流程如果产生的误差较小, 对试验的成功会起到很好的促进作用, 最后试块成型后的养护也很关键。
4 泡沫混凝土材料力学性能试验
4.1 试验方案
根据以往研究成果, 1.2 t/m3密度级、10~15MPa单轴抗压强度泡沫混凝土材料基准配方为[3,4]:PⅡ硅酸盐水泥80%、标准砂 (50目) 20%、聚羧酸减水剂0.2%、固化剂0.2%、激发剂2.0%、发泡剂4.5%、聚丙烯纤维0.5%、水料比0.3 (表3试样1#) , 为了保证砌块单轴抗压强度在30 MPa以上, 该试验采用硅灰、矿渣和粉煤灰3种物质与“水泥+细砂”结构体系搭配。
4.2 试验结果与分析
4.2.1 轻质高强混凝土应力—应变试验
分别对不同配合比的试件进行了应力—应变曲线试验, 试验破坏形态如图2所示。得到的不同时期应力—应变曲线如图3所示。
此次试验研制的混凝土棱柱体试件的破坏过程也可分为以下几个阶段。
(1) 第1阶段:稳定裂缝产生阶段。此时混凝土应力较小 (σ<0.3fc) , 产生的裂缝主要以黏结裂缝为主。当荷载保持不变时, 不会产生新的裂缝, 混凝土基本处于弹性工作阶段。
(2) 第2阶段:稳定裂缝发展阶段。此阶段已有裂缝的长度和宽度开始延伸扩展, 随着荷载的增长, 应力—应变曲线开始呈现非线性特征, 其斜率不断下降。此时若保持荷载不变, 裂缝的发展则会马上停止。在这个阶段混凝土的横向变形系数一般在0.15~0.22。
(3) 第3阶段:不稳定裂缝发展阶段。当试件应力达到 (0.7~0.9) fc时, 混凝土内部微创裂缝已经有了较大的发展, 但试件表面仍观察不到贯穿性大裂缝。随着加载过程的继续进行, 混凝土内部开始出现在恒定荷载下可以自行继续发展的非稳定裂缝。轻质高强混凝土的横向变形系数迅速增大, 试件体积由压缩变为膨胀, 不久混凝土即将达到极限承载力fc。
(4) 第4阶段:当混凝土达到极限承载力fc后, 其自身所承受的荷载逐渐减小, 而试件的应变一直在增大。进入下降段后不久, 试件中部的表面开始出现第1条可见裂缝, 此裂缝细而短, 平行于试件的受力方向。随着应变的增加, 混凝土试件表面出现多条纵向短裂缝, 随之混凝土骨料与砂浆的界面粘结裂缝及砂浆内部的裂缝不断延伸、扩展并逐步相连。此时整个混凝土承载力迅速下降, 并最终导致试件的破坏, 其破坏面与荷载垂线的夹角为53°~76°。
4.2.2 不同配合比泡沫混凝土单轴抗压强度试验
单轴强度试验在RMT-150B多功能全自动刚性混凝土伺服试验机上进行。该试验机最大轴向荷载为1 000 k N, 最大围压为50 MPa。
通过RMT多功能试验机进行单轴抗压强度[5], 测试出不同配合比条件试块在不同时期的单轴抗压强度 (表4) 。
(1) 单掺矿物微粉对抗压强度影响。从表4可以看出, 单掺硅灰时在28 d后抗压强度最高。这是因为硅灰是一种颗粒极细 (粒径为0.1~1.0μm, 是水泥粒径的1/100~1/50, 活性很高 (比表面积为20~25 m) 的掺合材料。其主要成分为无定形二氧化硅。由于其活性很高, 当与高效减水剂掺入混凝土时, 硅粉与Ca (OH) 2反应生成水化硅酸钙凝胶体, 填充水泥颗粒间的空隙, 改善界面结构及黏聚力, 并且单掺硅灰时的混凝土内部结构较致密, 从而提高混凝土的强度[6,7,8]。
在掺量相同时, 单掺矿渣要比单掺粉煤灰的效果好, 其原因是矿渣的反应活性优于粉煤灰, 矿渣能够提供更多的水化产物, 在降低水泥孔隙率方面有明显的作用。粉煤灰替代部分水泥后, 水泥浆体系中水泥浓度减小, 控制水泥水化速率的有效水灰比相对增大, 溶液中的钙离子浓度降低, 减少了颗粒之间的连接, 降低了早期抗压强度。当粉煤灰—水泥体系在室温下水化时, 由于浆体碱度不能满足激活粉煤灰的要求, 使粉煤灰的水化反应程度很低;又因粉煤灰为低钙灰, 只可能形成较少的C-S-H (水化硅酸钙) 凝胶, 因而降低了混凝土的抗压强度。矿渣的活性主要取决于玻璃体含量和组成中Ca O/Si O2的比值, 矿渣中玻璃体含量大, 其活性就高。对于同一种玻璃体, 组成中Ca O/Si O2比值越大, 玻璃体中的聚合度越低, 活性越高。我国大多数矿渣的玻璃体含量在80%以上, Ca O/Si O2比值为1.0左右。因此矿渣是代替水泥的一种好的代用品。
(2) 矿物微粉复掺时抗压强度的比较。硅灰和矿渣进行复掺时, 28 d后的抗压强度最大。主要因为大量的Ca (OH) 2的生成促使矿渣和硅灰的火山灰效应得到充分发挥, 同时两者不断与Ca (OH) 2发生反应, 进而降低了界面过渡区的Ca (OH) 2含量, 同时又增加了C-S-H (水化硅酸钙) 凝胶的生成数目, 生成的凝胶体可以对充浆体的大孔进行有效填充, 从而使混凝土的抗压强度得到提高。
(3) 矿物微粉单掺和复掺时抗压强度的比较。同单掺粉煤灰或矿渣相比, 双掺3 d后, 两者双掺时的抗压强度值明显高于两者单掺时的强度, 在28 d时, 粉煤灰与矿渣双掺时的抗压强度也均超过了单掺粉煤灰或矿渣时的抗压强度, 主要因为双掺粉煤灰和矿渣时, 虽然两者的活性相差较大, 但两者的化学成分却具有互补性, 因此当粉煤灰与矿渣以适当的比例复合时会产生“叠加效应”和“超叠加效应”[9]。同时掺入粉煤灰和矿渣, 一方面填充了水泥水化和硬化过程中残留的孔隙, 另一方面, 复合掺料中的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中会成为大量水化产物的核心, 随着水化过程的进行, 这些细微颗粒及其水化产物会对水泥石的空隙进行填充, 从而改善了水泥浆体的孔结构, 使混凝土抗压强度提高。
4.2.3 试验结果
(1) 单掺矿物掺合料的轻质高强混凝土在28 d后的抗压强度顺序:硅灰>矿渣>粉煤灰。
(2) 复掺矿物掺合料的轻质高强混凝土在28 d后的抗压强度顺序:硅灰+矿渣>硅灰+粉煤灰>矿渣+粉煤灰。
(3) 轻质高强混凝土的破坏形态类似于普通混凝土, 为纵向的劈裂破坏, 其破坏面与荷载垂线的夹角为53°~76°, 显示了材料的脆性。
5 结论
对轻质高强泡沫混凝土砌块进行了室内配比试验研究, 确定了其承载属性及在不同矿物掺合料情况下的抗压强度。研究结果表明:以化学发泡的方式, 通过添加硅灰、矿渣和粉煤灰三种物质与“水泥+细砂”结构体系搭配, 在完成配合比优化的前提下, 制备1 200 kg/m3密度级、单轴抗压强度>30MPa的泡沫混凝土材料, 完全能够实现。并且该材料既具有一般混凝土的物理力学性能, 同时兼具轻质、抗裂和抗震等功能, 特别适合煤矿井下使用。
摘要：原有沿空留巷支护体存在支撑力小、材料消耗大、密封性差及工人劳动强度大等弊端, 针对这些问题, 对新型支护材料原料、合理配合比的选取进行了研究, 并做了相应的力学试验。通过对不同原材料配比形成的支护体进行单轴抗压强度试验, 掌握了不同原料配比时支护体的不同特性, 可据此设计不同矿压条件下的沿空巷道支护。
关键词：原材料配比,轻质高强泡沫,沿空留巷充填
参考文献
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混凝土支护 篇8
关键词：巷道支护,纤维混凝土,高韧性,喷层
0 引言
深井开采由于开采深度增加, 地应力逐渐增大, 若不采取适当的支护方式, 巷道围岩变形更加剧烈、支护也更加困难, 变形的累积将导致巷道失稳破坏。目前煤矿深部岩巷普遍采用锚网喷支护、锚网喷+锚索支护、锚网喷+梁+锚索支护等。这些支护形式都使用了素混凝土喷层, 素混凝土喷层的弱点是韧性差、强度低、脆性大, 在大变形、高应力围岩条件下, 易出现脆性破坏, 喷层容易开裂、脱落使支护失效, 威胁人身安全。据已有的研究可知, 目前煤矿普遍使用的干喷射素混凝土抗压强度仅为14~18 MPa, 弯曲韧性仅为1.19。因此, 研究高强、高延性的ECC复合材料 (抗压强度为30 MPa左右, 弯曲韧性为30以上) 支护的课题被提了出来。在目前的支护方式下, 巷道在服务期内屡遭破坏, 而需多次翻修, 每米巷道每年的修复费就需要3 000元左右, 这严重影响了矿井正常生产和企业的经济发展。
1 ECC材料的特点
ECC (Engineered cementitious composite, 即高延性纤维增强水泥基复合材料, 简称ECC) 是对FRC (Fiber Reinforced Concrete, 高性能纤维增强水泥基复合材料, 简称FRC) 改进的产物, 其研究开发采用了独特的结构与材料相结合的综合设计方法, 是经细观力学设计的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。ECC通常是以水泥、矿物掺合料以及砂石作为基体, 用纤维做增强材料, 在纤维体积掺量2%的情况下, 其极限拉应变通常在3%~7%的范围内且饱和状态的多缝开裂宽度小于0.1 mm。ECC具有类似金属材料的拉伸强化性能, 其极限拉伸应变相当于钢材的塑性变形能力, 是一种像金属一样可变形的混凝土材料, 因此, 被俗称为可弯曲水泥, 如图1所示。
2 PP-ECC配制方法
超强韧性PP纤维混凝土是工程水泥基复合材料 (ECC) 的另一种名称。采用聚丙烯纤维 (PP) [1], 通过高效减水剂 (Super-Plasticizer) 以及起稳定作用的引气剂组合, 可以得到具有良好的宏观性能和微观界面粘结特征的超强韧性纤维混凝土。其中高效减水剂用来控制水泥颗粒间的凝絮现象, 而粘度改良剂通过减少水泥浆使这些水泥颗粒达到稳定状态[2]。虽然粘度改良剂有助于ECC流动性的提高并且不使其产生离析现象, 但在搅拌过程中会产生一些尺寸相对较大且无法溢出的气泡 (体积含量在20%左右) 。超强韧性纤维混凝土的工作度主要受到小尺寸颗粒的影响。在适当的水灰比下, 处于搅拌过程中的混合物能够发生液化。利用液化机理降低超强韧性纤维混凝土在搅拌过程中的稠度, 使水泥、硅砂等固体颗粒和纤维都能够均匀分布, 从而改善流动性并使其保持良好稳定的微观结构。
2.1 试验条件
(1) 改性聚丙烯纤维用国产PP细纤维。该种类纤维的材料参数为:抗拉强度大于750 MPa, 长度12 mm, 当量直径为21μm, 强抗酸碱性;无味;无吸水性;分散性良好;纤维断裂伸长率为6%;具有阻燃、抗静电性能, 性价比高, 对人体安全性好, 适合工程大面积推广[3]。
(2) 试验采用永煤集团汇龙水泥有限公司生产的汇龙牌425普通硅酸盐水泥。
(3) 碎石粒径为5~10 mm, 级配良好、质地坚硬。
(4) 试验采用级配良好、细度模数在2.0~2.5的砂子。
2.2 配合比例
该试验采用的配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶橡胶粉∶减水剂=0.80∶1∶1∶1.93∶0.47∶0.1∶0.018, 水泥用量450 kg/m3。
抗压强度试验试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm, 试验根据GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准进行, 拉应力和应变试件尺寸为200 mm×40 mm×20 mm, 考虑到试验结果的离散性, 每种配比进行了3组, 每组3块的试验, 选择数据离散性最小的一组的算术平均值为实验结果。
2.3 试验结果
本试验采用了不同配比的聚丙烯纤维含量的试验, 其中包括基准C25素混凝土, 共5个系列, 以比较其不同的增强、增韧效果。聚丙烯 (粗) 纤维的掺量以体积比表示。试验中, 聚丙烯纤维的体积掺量分别采用2.0%、1.8%、1.5%、1.2%、0%, 分别对应的PP2.0、PP1.8、PP1.5、PP1.2、C的试验混凝土配合比如表1所示。这5个系列的配合比是经过对大量试验进行效果比较后精心选择的, 比较的内容包括增强增韧的效果和喷射工艺对喷层混凝土的要求等[4,5], 实验结果如表2和图2所示。
3 试验巷道条件
试验巷道选在永煤集团车集煤矿34采区回风下山下端, 巷道埋深在-635~-700 m, 巷道用途为34采区通风, 设计长度1 100 m。设计坡度10°~20°, 服务年限20 a。巷道顶板细粒砂岩, 层厚5.15 m, 巷道底板铝质泥岩, 层厚6.3 m。巷道断面为半圆拱断面, 断面净规格:宽4 000 mm, 拱半径2 000 mm, 墙高1 400 mm, 地坪厚100 mm, 基础100 mm。
巷道全断面施工17根φ20×2 500 mm锚杆, 间排距600 mm×600 mm。施工锚索3根φ18.9×7 200 mm, 间排距1 500 mm×1 000 mm。
4 PP-ECC施工工艺
4.1 机械设备选型
纤维提前在地面用卧式SJ-750型搅拌机将砂石和纤维、橡胶粉搅拌均匀, 用矿车送到井下, 在井下采用2台不同形式的JPZ-7I-L螺旋搅拌机, 1台用于将各种料在干状体下搅拌均匀, 另1台则加水和用减水剂搅拌成湿喷料, 如图3所示。最后将搅拌好的材料送入湿喷机喷到岩石表面。湿喷机选用防爆PS5I-H型湿喷机, 这是专为煤矿井湿喷纤维混凝土而研制的湿喷机。混凝土喷射机械采用湿喷工艺, 可改善工作环境。
4.2 搅拌工艺
地面的SJ-750型搅拌机有固定料斗计量砂石量和橡胶粉、纤维掺量, 搅拌1.5 min后卸料装矿车送到井下。在井下第1台螺旋搅拌机用于计量和将各种料在干状态下搅拌均匀, 另1台则用即将搅拌好的材料送入湿喷机喷到岩石表面。2台搅拌机的搅拌效率为4.5 m3/h, 和湿喷机能力配套。
4.3 喷射工艺
(1) 巷道纤维混凝土支护采用湿喷工艺进行施工。喷层分2层进行, 第1层采用素混凝土进行找形喷射, 喷层厚度30~40 mm, 对围岩面进行找平。第1层强度达到5~8 MPa后, 在设计位置钻孔安装锚杆、挂金属筋网, 施工锚索。在迎头后35~60 m以外进行第2层喷射PP-ECC材料的喷射施工, 喷层厚度60~80 mm。
(2) 加水量的控制是湿喷的重要环节, 加水量过多会影响湿喷的效果。加水时要考虑到砂石套输送系统组成, 生产能力4.5 m3/h, 工作风压0.25~0.35 MPa, 喷射工艺如图4所示。
5 结语
(1) 永煤集团车集煤矿34采区试验段巷道至今已经施工3 a, 却没有掉浆脱皮现象, 正常使用, 而试验段以外的巷道已有掉浆现象并进行了修护。收到了明显的效果。
(2) 煤矿深井要求支护结构前期要有一定的变形量, 以适应深井围岩的变形;后期要有一定的支护强度, ECC材料的应变硬化特征满足了深井巷道围岩支护的要求, 为深井巷道围岩支护提供了新的材料和新的结构。
(3) PP-ECC它所具有的应变-硬化特性是实现稳态开裂的结果, 这正是ECC独特韧性的来源。由于与金属材料不同, ECC的应变硬化是一个损伤累积的过程, 因此也被称为准应变-硬化。
(4) PP-ECC由于PP纤维的弹摸没有PVA纤维高, 应变硬化的效果还不如PVA-ECC好, 但PP纤维的价格仅为PVA的10%~30%, 价格优势非常明显, 有非常好的应用前景。
参考文献
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