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绿色土钉墙支护结构体系施工工艺及经济性土木工程分析

日期:2020年08月25日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:57
论文价格:300元 论文编号:lw202008180856552225 论文字数:49896 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文研究,本文研发了两种新型绿色土钉墙,通过采用新材料新工艺,达到节约资源、保护环境的目的。针对两种绿色土钉墙,对其进行了构造组成、受力变形分析、施工工艺和经济性分析等方面的研究,主要成果归纳为以下几点:(1)提出绿色土钉墙的概念,研发了两种绿色土钉墙支护体系,即装配式预加载GFRP 复合材料土钉墙支护体系、复合型预加载可回收柔性面层土钉墙支护体系,对绿色土钉墙支护体系各组成构件的结构构造和尺寸大小进行了研究,并对各构件的连接方式进行了研究,且配以图文展示了各构件的形状和连接方式。(2)运用 FLAC3D 软件,根据王佐公交保养场及场站基坑支护工程的地质勘察报告、支护情况和监测数据,进行了传统土钉墙和绿色土钉墙支护体系基坑开挖的数值模拟。基坑开挖完成后,传统土钉墙的最大水平位移和垂直位移为 4.5mm 和 16mm,面板的剪应力最大值为 6.2kN,从上到下各排土钉轴力的最大值为 13.3kN、11.3kN、4.8kN;GFRP 复合材料土钉墙的最大水平位移和垂直位移为 4.5mm 和 14.4mm,面板的剪应力最大值为 4kN,从上到下各排土钉轴力的最大值为 9.0kN、6.4kN、6.1kN、5.6kN、5.5kN;柔性面层土钉墙的最大水平位移和垂直位移为 8.6mm 和 11mm,面板的剪应力最大值为2.1kN,从上到下各排土钉轴力的最大值为 7.2kN、6.1kN、5.4kN、4.6kN、4.9kN。根据以上数据分析可知,绿色土钉墙和传统土钉墙的支护效果相近,可以利用绿色土钉墙代替传统土钉墙。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景与选题意义

土钉支护技术又称为土钉墙或喷锚支护,主要是通过对原状土体进行加筋,形成一种挡土结构,常用于土体开挖过程中的边坡加固[1]。目前施工现场常用的土钉墙由混凝土面层、土钉、和原位土体构成[2~3],其剖面图和结构构造示意图如图 1-1 和图 1-2 所示。
图 1-1 土钉墙剖面图

土钉墙受力机理,目前已经有很多种理论,接下来主要介绍其中三种岩土界内共认的理论[4~8]:

(1)补强理论[4,8]:

①在土钉墙中,土钉起加筋的作用,与土体共同受力,以此来提高土体抵抗变形的能力[3];

②在土钉墙中,土钉起到受力,土钉与原状土共同承担全部应力[3];

③在土钉墙中,土钉起到传递应力的作用,将土体由于变形或即将变形产生的应力传递到稳定区域,降低应力集中现象的发生;

④面层对边坡变形起约束作用。

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1.2 国内外土钉墙研究现状

1.2.1 国内外传统土钉墙的研究现状

土钉墙技术是在新奥法(NATM)和加筋土技术的基础上发展起来的[13],1990 年美国召开挡土墙结构国际学术会议,会议上决定把土钉墙作为一个独立的地基加固学科分支[14]进行研究,此项施工技术到 20 世纪末,我国才开始应用,山西柳湾煤矿的边坡支护是我国有记载的首例应用工程[15],后又在 1992 年应用到解放军部队建造的城市基坑工程中,并获得成功[1,16],之后国内学者和工程师开始对土钉墙进行深入的研究和应用。近些年关于土钉墙的一些研究成果如下:

Seed[17]采用了现场监测与数值模拟相结合的方法,首先介绍了土钉墙的施工工艺,然后根据监测数据,通过建立模型,进行了土钉墙的检测试验。Wong[18]也通过数值模拟软件 FIAC3D,模拟了土钉支护对基坑的支护作用,并对比了数值模拟值与实测值,验证了软件模拟的正确性。Guler[19]通过现场实验,并通过理论分析,研究得出倾角向上施工的土钉比倾角向下施工的对基坑的约束作用更好。Kim[20]提出应用离散元法(DEM)来评估加固边坡的稳定性,该方法在考虑施工顺序的情况下,可以预测土钉拉力,从而正确地评价加固边坡的局部稳定性和整体稳定性。

董洪国[3]针对北京地区深基坑工程中常出现的粉质黏土和粉质沙土地层,对土钉墙进行了现场试验,得出了一些土钉墙的受力机理,并根据现场试验就行了数值模拟,分析了土钉墙的变形、土钉受力等规律。

张建红等[21]通过离心模拟实验对土钉支护进行了研究,研究了其作用机理、变形情况以及破坏情况等,并分析了影响参数土钉竖向与水平间距、钉体的长度以及面层参数对整体稳定性的影响。

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第 2 章 绿色土钉墙支护结构体系研究


2.1 概述

本文提出两种绿色土钉墙支护体系,即装配式预加载 GFRP 复合材料土钉墙支护体系、复合型预加载可回收柔性面层土钉墙支护体系。绿色土钉墙在材料的选择和施工工艺上都与传统土钉墙有较大的区别,绿色土钉墙中用新型材料代替钢筋土钉和混凝土面层,采用装配式施工工艺,将支护体系设计成不同的构件,绿色土钉墙由这些构件组装而成。同时结合实际工程,运用软件模拟绿色土钉墙的受力变形情况,分析支护效果,并与传统土钉墙的受力变形进行对比分析。
对绿色土钉墙结构构造进行研究的目的是使各组装构件设计更加合理,安装过程达到拼接合理和安装精度达标的设计目标。设计完成后,该支护体系可以应用在砂层、黏土层和膨胀土地层的应用中。

图 2-1 GFRP 土钉详图

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2.2 绿色土钉墙支护结构构造组成研究

2.2.1 装配式预加载 GFRP 复合材料土钉墙支护体系研究

装配式预加载 GFRP 复合材料土钉墙,本文简称 GFRP 复合材料土钉墙。GFRP 复合材料土钉墙支护体系的土钉和面层都采用玻璃纤维增强聚合物(简称 GFRP 复合材料)。GFRP 复合材料是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型加固材料,具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,广泛应用到了桥梁、边坡支护、海港码头等各个方面。它的材料性能匹敌钢筋,但成本、功耗和资源消耗量却远小于钢筋,因此可采用 GFRP 复合材料代替传统的钢筋和钢筋混凝土面层。

2.2.1.1 组装构件研究

装配式预加载 GFRP 复合材料土钉墙支护结构由土钉、接头、连接杆、面板、压板及气囊或气袋等标准配件构成,其中气囊或气袋和面板共同组成土钉墙的面层。标准配件组装完成之后,通过在气囊或气袋里充气预加载,使面板与土体密贴,从而使面板、土钉共同受力,达到稳定坑壁的目的。各构件的简介和三维立体详图如下所示。

(1)GFRP 土钉:如图 2-1 所示,土钉材质选用玻璃纤维增强聚合物,简称 GFRP土钉。GFRP 土钉外形为管状,管侧壁具有螺纹钢筋的外形,土钉侧壁预留直径 4mm、间距 10cm 的溢散孔;土钉至少一端有螺纹,可安装螺帽。GFRP 土钉既是受力构件,也充当注浆管使用,水泥浆通过中空的土钉流入,再从土钉侧壁上预留的溢散孔流出,与围岩或土体粘结。

(2)接头:如图 2-2 所示,接头材质选用玻璃纤维增强聚合物(GFRP),接头长×宽×高为 25×25×H(cm3),H=10cm+B+L,B=面板厚度,L=连接杆翼缘厚度。在接头的中心预留直径 3.2cm 的孔洞,自距离顶端 3cm 处孔洞直径扩大为 12.5cm,并在接头 4个边缘位置预留 4 个长、宽、高为 6×6×L(cm3)的卡槽(L=连接杆翼缘厚度),每个卡槽内均预留 1 个直径为 1cm 的通孔,在接头的对角位置预留一个或两个直径为 4.5cm 的泄水孔,泄水孔中安装泄水管,土体中的滞水可以通过泄水管排出。接头的作用是固定土钉墙面层,与连接杆连接,同时封堵在土钉孔四周还可以防止土钉注浆过程中浆液的溢出,保持施工现场是干净整洁。接头、预留孔洞、卡槽的尺寸可根据实际需要调整。
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第 3 章 基于 BIM 的绿色土钉墙施工工艺研究............................46

3.1 概述.....................................46

3.2 装配式预加载 GFRP 复合材料土钉墙施工工艺过程研究..............46

第 4 章 绿色土钉墙支护结构体系经济性分析............................... 66

4.1 概述..................................66

4.2 直接工程费造价分析................................66

第 5 章 总结与展望.................................81

5.1 总结..................................81

5.2 展望.................................81


第 4 章 绿色土钉墙支护结构体系经济性分析


4.1 概述

工程经济源于 1887 年亚瑟姆·惠灵顿的著作《铁路布局经济理论》,其在书中称工程经济学是“一门少花钱多办事的艺术”[91],通俗易懂的解释了工程经济的含义。建筑工程经济是以建筑为主体,以技术与经济系统为核心,研究如何有效利用资源,提高经济效益。人们在工程实践中也逐步体会到工程经济的重要性,很多重大工程失误,不是科学技术上的原因,而是多因为经济分析上的失算。因此运用工程经济分析的原理和方法,对绿色土钉墙进行经济分析,以此来减少失误。

本文针对传统土钉墙和绿色土钉墙 3 种支护体系,进行直接工程费工程造价分析和经济效益分析,计算过程中不考虑资金的时间价值。

工程造价中的人工费、材料费和施工机具使用费这三者统称直接工程费。绿色土钉墙由于是新研发产物,因此对于其工程造价还未有任何规定的参考定额,为了对绿色土钉墙造价和传统土钉墙造价有一个相对来说比较清晰的认识,我们参考 2016 年《装配式建筑工程消耗量定额》(征求意见稿)和《房屋建筑和装饰工程消耗量定额》(TY

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