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基于纸板模具的新型单元排结构施工技术研究*

2021-06-29方佳敏唐亚俊王忠岱谢立全

施工技术(中英文) 2021年9期
关键词:纸板模具混凝土

方佳敏,田 栋,唐亚俊,李 瑶,王忠岱,谢立全

(1.长江航道局,湖北 武汉 430014; 2.长航监理有限公司(武汉),湖北 武汉 430013; 3.同济大学交通运输工程学院,上海 201804; 4.同济大学土木工程学院,上海 200092)

0 引言

护滩工程分为水下、水上两部分,充分利用枯水季节进行施工成为建设单位关注重点。土工织物软体排因具有整体性强、柔韧性高、抗冲击性能好、使用年限较长、可较好地紧贴河床等优点,在护滩工程中得到广泛应用[1-9]。陆地施工不影响通航,无须使用大型船舶及水上设备,具有较大技术、经济优势,因此,需研究大面积临水岸滩软体排陆地施工技术。对于岸滩工程,陆地施工工程量越大,水上施工工程量越小。位于枯水位以上的岸滩可采用软体排施工,即采用陆地施工技术。

工程界普遍认为,混凝土浇筑模具须采用刚度较大的钢材、木材等[10-12],但难以满足大面积单元排混凝土施工需求,且存在多工序质量控制难度大、施工成本高等问题,引起了大量学者关注。需严格把控单元排混凝土脱模时间,利用起重机辅助脱模,但起重机吊运模具时常造成混凝土块边缘出现毛边、四角开裂等。针对大面积单元排混凝土浇筑工艺复杂、脱模效率低等难题,研发新型模具,以提高浇筑质量、降低施工成本等。

1 传统单元排结构

传统单元排结构由排垫和压载体组成,排垫透水且可阻挡泥沙,不仅能抵挡水流冲击,避免岸滩被冲刷破坏,且能实现水土保持,防止岸滩泥沙被冲走,保护岸滩。排垫一般采用250g/m2聚丙烯编织布,纵向抗拉强度52kN/m2,横向抗拉强度42kN/m2,等效孔径0.12mm。压载体一般采用混凝土块,为提高压载效果与整体性,需将相邻混凝土块连成整体,减少对排垫的撕扯破坏。对于干地岸滩,现场可直接浇筑混凝土,并将其铺设在排垫上,无须转移或吊运混凝土块,可保证混凝土块不被破坏。混凝土块尺寸为48cm×48cm×10cm(长×宽×厚),重约55kg,混凝土块内部纵横向交叉布置φ14mm丙纶绳,交叉点为混凝土块质心,由80块混凝土块构成5m×4m(长×宽)排垫压载单元,如图1所示。排垫沿单元排宽度方向每隔50cm设有1根5cm宽纵向聚丙烯加筋条,并在加筋条上设置绑扎环,排垫压载单元通过加筋条、绑扎环、丙纶绳连为整体。混凝土块间设置2cm缝隙,因此,混凝土块中心间距一般按50cm设计。由于混凝土块尺寸较小,且丙纶绳较柔软,对于长江岸滩发生的局部沉降、少量泥沙流失等变形工况,单元排具有较好的适应性。

图1 单元排结构

单元排结构主要施工步骤如下:①整平铺排区域,铺设聚丙烯编织布,编织布接缝使用φ1.5mm尼龙线缝合;②按排垫压载单元设计图纸吊装钢模具,吊装前对钢模具进行清洁并涂刷脱模剂;③在混凝土块中布设丙纶绳;④浇筑、振捣混凝土,需达到强度要求,根据实际情况确定脱模时间,避免发生混凝土块掉角现象;⑤将相邻排垫压载单元绑扎成整体;⑥采用碎石填充相邻排垫压载单元缝隙。

传统单元排结构施工存在以下缺点:①对于最低水位附近区域的岸滩,尤其是砂质岸滩,其坡度小,地下水位接近地面,地基承载力低,无法使用起重机等重型施工设备吊装单元排,减小了可进行陆地施工的岸滩面积;②脱模难度大,混凝土块易拉裂、破碎,在很大程度上降低了单元排结构施工质量与服役可靠性;③由于单元排混凝土一次浇筑成型,难以保证丙纶绳正确安装,且丙纶绳包裹在混凝土中,使脱模难度进一步增大;④单元排自重大,吊装要求较高;⑤不满足受最低枯水位限制的大面积临水岸滩软体排施工抢修要求。

2 新型单元排结构

为解决传统单元排结构存在的问题,提出基于纸板模具的新型单元排结构,应用蜂窝/瓦楞纸板代替钢板,无须拆模、使用重型施工设备等,对地基承载力要求较低,在混凝土浇筑完成的同时单元排制作完成,大幅度缩短了大面积单元排制作时间,降低了施工成本,减小了混凝土浇筑难度,提高了单元排整体质量,适用于大面积临水岸滩软体排施工抢修,将其应用于长江干线武汉至安庆段6m水深航道整治工程中,以验证其可靠性。在进一步细化施工参数的基础上,可进一步将新型单元排结构推广应用于陆地施工。传统单元排结构施工速度受起重机、钢模具数量等制约,而新型单元排结构则不同,不受施工设备的限制,提高了施工效率,不同单元排结构施工特征如表1所示。

表1 单元排结构施工特征

长江两岸及江心洲岸线较长,水岸交界处形成陡坎,水流不断冲刷岸滩。岸滩通常为平缓滩面,尤其是砂质岸滩,近水区域坡面坡度≤5°,在1年内完成大面积临水岸滩软体排施工抢修难度较大。因此,采用本研究提出的新型单元排结构。

新型单元排结构纸板模具并非刚性,具有一定柔度。试验结果表明,纸板厚度为2cm时,50cm跨度下的强度远大于所需承受的混凝土振捣施工荷载。因纸板具有低透水性与低吸水性,混凝土入仓1h内,纸板吸水后强度降低<30%,满足短时强度需求;混凝土入仓1h后,纸板逐渐吸水饱和,强度降低,不仅有利于混凝土保水养护,且可对混凝土块边角进行保护。

纸板模具结构与尺寸基本与钢模具相同,单元排混凝土块间隙为2cm,因此将纸板厚度设计为2cm。纸板吸水后存在一定膨胀量(低应力条件下),在混凝土浇筑过程中,纸板吸水软化,振捣混凝土时将产生压缩变形,可知将纸板厚度取为混凝土块间隙是合理的。纸板经规范裁剪可实现批量化制作,依据设计图纸加工安装卡槽及丙纶绳预留孔,如图2所示。纵横向纸板上下扣紧后,将丙纶绳穿入预留孔,并在纸板四边加装组装式矩形钢框架,以固定丙纶绳。可通过机械方式预先施加丙纶绳拉力,拉紧丙纶绳,保证其在混凝土浇筑过程中不发生下挠。纸板模具拼装简单,质量易控,风大天气施工时需避免纸板被风吹断。

图2 纸板模具结构

开展系列现场验证研究,结果表明,混凝土振捣密实时产生的荷载不是最大施工荷载,模具内侧纸板受双侧10cm高混凝土块压力作用,混凝土振捣荷载不足以引起纸板发生较大变形。现场施工过程中,施工人员可站在混凝土块上进行振捣,不影响模具变形。单元排四周纸板由于紧贴外框架,可避免发生侧向变形。需特别注意,设计尺寸合理的混凝土入仓多孔板较重要,由于多孔板暂时承受混凝土入仓时的主要压力与冲击力,使单元排可承受混凝土浇筑过程中产生的施工荷载。

经试验研究与工程实践验证,单块单元排混凝土可在入仓10min内充满各浇筑框格,在入仓30min内完成振捣与整平处理。由于纸板浸水效应需较长时间,可忽略该效应的影响。纸板主要起隔板作用,两侧受力平衡,且侧向压力随着混凝土初凝逐渐减小,很快降为零。

3 基于新型单元排结构的施工抢修工艺

在临水位置软土环境中可正常施工新型单元排结构,适应于大面积临水岸滩软体排施工抢修,主要工艺流程如下。

1)纸板模具制作

确定纸板厚度后,结合单元排设计图纸,确定纵横向纸板尺寸,在纸板裁剪加工厂制作。加工制作内容包括纵横向纸板裁剪、卡槽安装、丙纶绳预留孔裁剪,预留孔直径应较丙纶绳直径大3~5mm。纸板模具为一次性使用,无法循环利用。一般情况下,工程现场单元排长度、宽度均<5m,因此,纸板长度可与单元排长度相同,无须现场接长,现场接长的纸板易在混凝土浇筑时发生折损。

2)纸板模具外框架组装

外框架为组装式矩形钢框架,用于固定丙纶绳,由4根轻质铝合金型钢组装而成,可循环利用,用料较少,可根据混凝土浇筑强度确定使用数量。

3)纸板模具拼装

仅将纵横向纸板上下扣紧即可,卡槽深度为纸板宽度的1/2,纸板上下扣紧后的高度为纸板宽度,卡槽宽度可较纸板厚度小1mm,卡槽受挤压而扣紧。丙纶绳穿孔后,施加一定拉力固定在模具外框架上。

4)混凝土入仓多孔板制作与铺设

设置混凝土入仓多孔板的目的是暂时缓解混凝土入仓时的冲击力,将多孔板铺设在纸板模具上,每个孔对应4块混凝土块。

5)混凝土入仓与振捣

采用不同运输方式时,尽可能利用多孔板缓冲混凝土入仓冲击力,避免纸板模具折损。混凝土应振捣密实,保证质量。

6)混凝土养护与纸板清除

纸板吸水、保水性能较好,因此,在混凝土养护过程中可使纸板充分吸水饱和,达到长时间湿润养护效果,可使混凝土块边角养护较好,避免出现掉角等现象。因纸板浸水软化,混凝土养护完成后易清除干净。

4 结语

1)护滩工程任务重、岸线长,进行大面积临水岸滩软体排施工抢修时,需改进传统单元排结构及混凝土浇筑工艺,以克服临水岸滩地基承载力较低的限制,实现更大范围的陆地施工,提高施工效率与质量。

2)基于大面积临水岸滩地基新型特性,结合单元排施工特点,研发基于纸板模具的新型单元排结构,并给出相应的工艺流程。基于纸板模具的新型单元排结构简单易操作,且对施工人员无专业技术要求,在临水位置软土环境下可正常施工,适应于大面积临水岸滩软体排施工抢修。

3)结合室内试验与工程实践,给出基于纸板模具的新型单元排结构施工步骤,并对纸板模具材料要求进行总结。由于纸板浸水效应需较长时间,可忽略该效应的影响。

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