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【摘 要】城市生活垃圾填埋场的建设是一项大型市政工程,而防渗处理又是垃圾场的必要的组成部分。本文针对建筑垃圾场建造中所引发的防渗问题,分析其产生的原因并找出施工过程中控制及应对的方法,为垃圾填埋场的建设提供了一个较好的思路,仅供参考。
【关键词】垃圾填埋场;防渗处理;锚杆喷射;XPM纳米技术
Application research of Anchor Shoring shotcrete technology in anti-seepage engineering
Li Xin-rong
(Shanxi Province Yuncheng Construction Engineering Co., Ltd Yuncheng Shanxi 044000)
【Abstract】Municipal solid waste landfill construction is a large-scale public works, while the landfill anti-seepage treatment is a necessary component. In this article, construction waste arising from construction field seepage problems, analyze the causes and identify the construction process, control and response method for the construction of landfill provides a good idea for reference only.
【Key words】Landfill site; Anti-seepage treatment; Anchor injection; XPM Nanotechnology
1. 前言
城市生活垃圾填埋场的建设是一项大型市政工程,而防渗处理又是垃圾场的必要的组成部分。由于当前城市供水很大一部分来自地下水,地下水的污染会直接影响居民的生活用水和身体健康,因此垃圾填埋场的防渗处理是势在必行。我国北方丘陵地区有其特殊的地理环境,垃圾填埋场通常均设置在一些偏远沟壑中。所以,选择一种简单、易行、投资低、耐久性高的处理方法是十分必要的。
2. 工程概况
某工程场地土为中硬土,建筑场地类别为II类,无震陷,无液化,标准冻深0.60m,抗震设防烈度为7度,设计地震分组第一组,设计基本地震加速度值为0.15g,安全等级为二级,设计使用年限为50年。
由于部分边坡大于1:2,设计时如果强行实施1:2的边坡,无疑会造成土方工程量大量增加,乃至无法削坡。渗透系数K是根据达西定律的水力梯度J为1时推导出的,当水力梯度J为零时,渗透速度为零,当边坡较陡时在边坡上不可能存水,即使在特大暴雨时可能积存一些水,但时间也是十分短暂,渗透速度和渗透量可以忽略。只需采取一定的防渗措施即可解决防渗问题。因此对于边坡大于1:2时,如何进行防渗处理则应提出一种合理的解决办法。
3. 防渗系统施工前准备
3.1 场地平整。
平整原则为清除所有植被及表层耕植土,确保所有软土、有机土和其他所有可能降低防渗性能和强度的异物被去除,所有裂缝和坑洞被堵塞,并使场地形成相对整体坡度,以≥2%的坡度坡向垃圾坝。同时还要求对场底进行压实,为了与土质基础之间的紧密接触,场地表面要用震动式碾压机进行碾压,使压实处理后的地基表面密度分布均匀,最大限度减少因场底的不均匀沉降而影响防渗效果,平整顺序最好从垃圾主坝处的库区向后端延伸。
3.2 处理方案。
根据运城市生活垃圾卫生填埋场锚固平台布置图,结合地区地质条件,周围环境,拟采用在刚性喷射抗渗砼处理,锚杆挂网锚固喷射混凝土(防渗系数为K≤1×10-7cm/s)。由于锚杆斜打入土体外挂金属网后喷射防渗混凝土,使得整个土体更加稳定,形成整体加固层。防渗处理在此地理环境下艰难实施,如:由于防渗系统承受的负荷过大造成的损害;渗滤液、填埋气体或者其他材料和物质成分接触防渗系统所造成的侵蚀;以及地基沉降对防渗系统造成的伤害等,而加入XPM的混凝土纳米外加剂后的混凝土的抗渗性、抗压性、抗折性、粘结性及耐磨性和抗腐蚀性优于常规材料(XPM纳米外加剂的部分成分性能见表1),对于以上问题均能迎刃而解。因此在喷射混凝土中加入XPM纳米外加剂,又可起到阻水防渗的作用。因此它的加入可使75000A的空隙直径降到100A,而水分子直径250A,空气分子直径160A。
表1 XPM纳米外加剂的部分性能
注:检测采用P.O42.5水泥
3.3 工程参数。
3.3.1 喷射混凝土层厚10cm,设计强度为C25。
3.3.2 锚杆与钢筋网连接牢固,外露的锚固设置加强钢筋。
3.3.3 由于地质条件限定,该处应用锚杆锚固,杆体采用I级钢筋。
3.3.4 钢筋网材料用I级钢筋,直径6.5mm,钢筋间距150mm×150mm。
3.3.5 喷射混凝土中加入XPM纳米外加剂以起到阻水抗渗的作用,其掺量为水泥重量的10%。
3.3.6 在垃圾场的顶部与底部做混凝土延伸护面和排水沟,设置排水沟排水,严禁雨水从喷层背后侵入坡体,坡面的喷射混凝土护层内也应设置排水孔,间距为3m×3m。
根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》本工程应采用预应力锚杆的支护类型(如图1)。
锚杆布置依梅花布置,锚杆间排距为2m×2m(如图2)
4. 边坡锚杆支护计算方法
目前,我们通常采用条分法进行边坡锚杆支护设计稳定性分析,计算简图如图1,假设土体失稳的滑动画为一个圆弧面,将圆弧滑动体等分成8~12条垂直的土条,其计算步骤如下:
4.1 将每个土条的重力Gi ,将圆弧分,解成切向力Hi 和垂直圆弧的法向力Vi ,即:
Gi=γi bihi
H i=Gisinαi
4.2 分别计算滑动土体的滑动力矩Mov 和抗滑力矩MR(均滑动圆心取力矩),即:
Mov = ΣHIR=R ΣGIsinαi
Mr=Σ(Vitgφ i+cili)= RΣ(Gicosαitgφi+cili)
4.3 计算各层锚杆的抗拔力Tn及抗滑力矩Mr(对滑动圆心取力矩),即:
Tn =DLn
Mr= ΣTndn
4.4 计算边坡分层开挖时各层的安全系数Kn :
Kn=( Mr + Mr)/ Mov≥1.1~1.5
式中:Gi——第i条土体的重量;
αi ——第i条中线处法线与铅直线的夹角;
γi ——第i条土体的容重;
bi、hi——第i条土体的宽度和平均高度;
ci、φ i——第i条滑弧土体的内摩擦角和内聚力;
li——第i条滑弧长度;
R——圆弧滑动面的半径;
D——锚杆成孔直径;
Li——第n层锚杆长度;
тu ——土体粘结强度;
dn ——滑动面圆心到第n层锚杆的垂直距离。
不断重复上述四个步骤,直至求出各层最危险滑动面及所需的锚杆参数为止,一般临时性边坡支护分层开挖时各层的安全系数Kn不应小于1.2。
5. 施工方法
5.1 护坡施工流程图。
搭设脚手架→锚杆钻孔→放入杆体→锚固→挂钢筋网→喷射砼→打排水孔→衔接部分二次喷射。
5.2 具体工艺。
5.2.1 打孔。
5.2.1.1 使用锚杆钻机打孔,孔深2m,孔间距2m,排距2m,孔倾斜度根据土体节理、裂缝、破碎程度而定,一般垂直与斜面护坡体成孔。
5.2.1.2 灌浆:选用新出厂的P.O 42.5普通硅酸盐水泥,水灰比为0.4～0.45的纯水泥浆。
5.2.1.3 锚杆用20的螺纹钢,长2米,外露0.1米,便于喷浆挂网。
5.2.2 挂网。
护坡经人工修正后,在层面上设置钢筋网,钢网距离护坡易控制在3cm～6cm之间,与锚杆连接牢固后喷浆作业。
5.2.3 喷射混凝土。
喷射混凝土是通过混凝土喷射机,用压缩空气做动力,沿着管道将混合料压送到喷头处,与水混合后,以较高的速度喷射到土体上凝结硬化的一种新型支护形式。
5.2.4 喷射注意事项。
5.2.4.1 首先检查混合料的搅拌是否均匀,人工搭配是否合理及配合喷射手的照明措施是否合适。
5.2.4.2 选择受配面分段分片依次进行,喷射顺序应自下而上,喷射旋转速度掺XPM材料应慢于空白不掺速度的2/5。
5.2.4.3 作业开始时,应先送风、水、电;再给料,结束时应先停料,待料喷完后再关电、水、风。
5.2.4.4 供料应连续均匀,调凝剂的掺配必须用于均匀撒入料斗内。
5.2.4.5 工作风压应满足喷头处的压力0.1MPa～0.15MPa左右,水压在0.2MPa,水压大于风压。采用移动式空压机送风压力应在0.65MPa左右,垂直距离每增加10米适当增加风量。
5.2.4.6 喷头与受喷面应垂直,宜保持0.6～1.5m距离。
5.2.4.7 喷射手应严格掌握水灰比,保持砼表面平整,呈湿润光泽,无干斑或滑移流淌现象是最佳水灰比。
5.2.4.8 由于喷射料中水泥和速凝剂对人体皮肤有腐蚀作用,所以在带风工作面加料时应避免顶风作业。避免工人出汗粘上物料,腐蚀皮肤,喷射手应带风镜保护眼睛。
6. 采用XPM喷射后的效果及综合效益
通常在喷射中:常规设计的15cm厚砼用常规材料需喷3-5次,并且在硬面上凝结,碰撞使回弹反复加大,石子弹落数量高,导致上墙砼的配合比发生改变,水泥量加大,粗细骨料减少。由于水泥量的加大,水灰比增加,粗细骨料呈球形粘结,速凝剂中的碱金属反应,虽改变水泥的初终凝时间,反应控制了水泥水化,提前凝结,但砼体积中心温度不断上升,水化放热峰值偏高,热胀冷缩、喷层形成微细裂隙,从而导致常规砼料三个月开裂,一年半造成脱皮掉跨现象。
采用XPM纳米外加剂后可大大改善水泥砼性能,采用XPM纳米外加剂回弹率由常规的35%～50%降至6%-8%,大大降低成本,减少浪费。强度可提高1～2倍,粘结力可提高5倍,强度达3.89MPa,一次可喷厚35mm～70mm,而且减少水灰比,降低水化热峰值,水泥、石子结合为一体,抗渗且二次水化封堵泌水。XPM拥有很强防渗功能:XPM与占砼体积25%的Ca(OH)2 反应,析出C-S-H凝胶,增加了水泥混凝土的粘结力,减少率为33%。XPM纳米材料的布朗运动活泼,使混凝土的堆积密度改变,密实度增加,促进凝结速度。XPM使水泥、混凝土的孔隙率从75000A降到100A,水分子渗透是250A开放性的孔,空气分子160A,所以抗渗指标S40,400米水头的压力渗透0.33mm。XPM抗渗漏外加剂加入水泥混凝土中,彻底改变了水泥混凝土的性能,抗渗、高强、粘结力高、不透水性好的无机防渗刚性材料,彻底改变砼的各种性能。中国建研院测定,常规Ca(OH) 2占砼体积4.2%(90天),使砼耐久性成倍提高,而且喷射一次成型,提高了施工进度,大大节省了劳动力的投入。粉尘也降低50%,回弹低,节省成本,使工人的劳动环境大大改善,给社会带来巨大的综合效益。所以深受垃圾场、污水处理厂工程及一线工人的信赖和支持。
7. 结束语
综上所述,仅是对垃圾填埋场基坑护壁防渗处理技术作了一些分析、总结,随着建筑技术的不断创新,新材料、新工艺和新技术的推广和应用,解决基坑护壁防渗的技术将会日新月异。实践证明此方法合理可行,深受业主的重视,同时也给需做垃圾填埋场、污水处理厂工程的企业一个很好的借鉴,值得推广。
参考文献
[1] 王铁梦,[工程结构裂缝控制],中国建筑工业出版社1998.8
[2] 熊大玉等[混凝土外加剂],化学工业出版社,2002
[3] 刘惠珊等[地基基础工程],北京,中国计划出版社 2002
[4] 郑颖人等编著[边坡与滑坡工程治理],人民交通出版社,2007
[5] 江正荣.何富远. [土层锚杆工程施工工艺标准],北京,中国建筑工业出版社2005.5
[文章编号]1006-7619(2010)02-03-78
[作者简介]李新荣(1965-),男,1988年毕业于沈阳建筑工程学院工民建专业,工程师。
【关键词】垃圾填埋场;防渗处理;锚杆喷射;XPM纳米技术
Application research of Anchor Shoring shotcrete technology in anti-seepage engineering
Li Xin-rong
(Shanxi Province Yuncheng Construction Engineering Co., Ltd Yuncheng Shanxi 044000)
【Abstract】Municipal solid waste landfill construction is a large-scale public works, while the landfill anti-seepage treatment is a necessary component. In this article, construction waste arising from construction field seepage problems, analyze the causes and identify the construction process, control and response method for the construction of landfill provides a good idea for reference only.
【Key words】Landfill site; Anti-seepage treatment; Anchor injection; XPM Nanotechnology
1. 前言
城市生活垃圾填埋场的建设是一项大型市政工程,而防渗处理又是垃圾场的必要的组成部分。由于当前城市供水很大一部分来自地下水,地下水的污染会直接影响居民的生活用水和身体健康,因此垃圾填埋场的防渗处理是势在必行。我国北方丘陵地区有其特殊的地理环境,垃圾填埋场通常均设置在一些偏远沟壑中。所以,选择一种简单、易行、投资低、耐久性高的处理方法是十分必要的。
2. 工程概况
某工程场地土为中硬土,建筑场地类别为II类,无震陷,无液化,标准冻深0.60m,抗震设防烈度为7度,设计地震分组第一组,设计基本地震加速度值为0.15g,安全等级为二级,设计使用年限为50年。
由于部分边坡大于1:2,设计时如果强行实施1:2的边坡,无疑会造成土方工程量大量增加,乃至无法削坡。渗透系数K是根据达西定律的水力梯度J为1时推导出的,当水力梯度J为零时,渗透速度为零,当边坡较陡时在边坡上不可能存水,即使在特大暴雨时可能积存一些水,但时间也是十分短暂,渗透速度和渗透量可以忽略。只需采取一定的防渗措施即可解决防渗问题。因此对于边坡大于1:2时,如何进行防渗处理则应提出一种合理的解决办法。
3. 防渗系统施工前准备
3.1 场地平整。
平整原则为清除所有植被及表层耕植土,确保所有软土、有机土和其他所有可能降低防渗性能和强度的异物被去除,所有裂缝和坑洞被堵塞,并使场地形成相对整体坡度,以≥2%的坡度坡向垃圾坝。同时还要求对场底进行压实,为了与土质基础之间的紧密接触,场地表面要用震动式碾压机进行碾压,使压实处理后的地基表面密度分布均匀,最大限度减少因场底的不均匀沉降而影响防渗效果,平整顺序最好从垃圾主坝处的库区向后端延伸。
3.2 处理方案。
根据运城市生活垃圾卫生填埋场锚固平台布置图,结合地区地质条件,周围环境,拟采用在刚性喷射抗渗砼处理,锚杆挂网锚固喷射混凝土(防渗系数为K≤1×10-7cm/s)。由于锚杆斜打入土体外挂金属网后喷射防渗混凝土,使得整个土体更加稳定,形成整体加固层。防渗处理在此地理环境下艰难实施,如:由于防渗系统承受的负荷过大造成的损害;渗滤液、填埋气体或者其他材料和物质成分接触防渗系统所造成的侵蚀;以及地基沉降对防渗系统造成的伤害等,而加入XPM的混凝土纳米外加剂后的混凝土的抗渗性、抗压性、抗折性、粘结性及耐磨性和抗腐蚀性优于常规材料(XPM纳米外加剂的部分成分性能见表1),对于以上问题均能迎刃而解。因此在喷射混凝土中加入XPM纳米外加剂,又可起到阻水防渗的作用。因此它的加入可使75000A的空隙直径降到100A,而水分子直径250A,空气分子直径160A。
表1 XPM纳米外加剂的部分性能
注:检测采用P.O42.5水泥
3.3 工程参数。
3.3.1 喷射混凝土层厚10cm,设计强度为C25。
3.3.2 锚杆与钢筋网连接牢固,外露的锚固设置加强钢筋。
3.3.3 由于地质条件限定,该处应用锚杆锚固,杆体采用I级钢筋。
3.3.4 钢筋网材料用I级钢筋,直径6.5mm,钢筋间距150mm×150mm。
3.3.5 喷射混凝土中加入XPM纳米外加剂以起到阻水抗渗的作用,其掺量为水泥重量的10%。
3.3.6 在垃圾场的顶部与底部做混凝土延伸护面和排水沟,设置排水沟排水,严禁雨水从喷层背后侵入坡体,坡面的喷射混凝土护层内也应设置排水孔,间距为3m×3m。
根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》本工程应采用预应力锚杆的支护类型(如图1)。
锚杆布置依梅花布置,锚杆间排距为2m×2m(如图2)
4. 边坡锚杆支护计算方法
目前,我们通常采用条分法进行边坡锚杆支护设计稳定性分析,计算简图如图1,假设土体失稳的滑动画为一个圆弧面,将圆弧滑动体等分成8~12条垂直的土条,其计算步骤如下:
4.1 将每个土条的重力Gi ,将圆弧分,解成切向力Hi 和垂直圆弧的法向力Vi ,即:
Gi=γi bihi
H i=Gisinαi
4.2 分别计算滑动土体的滑动力矩Mov 和抗滑力矩MR(均滑动圆心取力矩),即:
Mov = ΣHIR=R ΣGIsinαi
Mr=Σ(Vitgφ i+cili)= RΣ(Gicosαitgφi+cili)
4.3 计算各层锚杆的抗拔力Tn及抗滑力矩Mr(对滑动圆心取力矩),即:
Tn =DLn
Mr= ΣTndn
4.4 计算边坡分层开挖时各层的安全系数Kn :
Kn=( Mr + Mr)/ Mov≥1.1~1.5
式中:Gi——第i条土体的重量;
αi ——第i条中线处法线与铅直线的夹角;
γi ——第i条土体的容重;
bi、hi——第i条土体的宽度和平均高度;
ci、φ i——第i条滑弧土体的内摩擦角和内聚力;
li——第i条滑弧长度;
R——圆弧滑动面的半径;
D——锚杆成孔直径;
Li——第n层锚杆长度;
тu ——土体粘结强度;
dn ——滑动面圆心到第n层锚杆的垂直距离。
不断重复上述四个步骤,直至求出各层最危险滑动面及所需的锚杆参数为止,一般临时性边坡支护分层开挖时各层的安全系数Kn不应小于1.2。
5. 施工方法
5.1 护坡施工流程图。
搭设脚手架→锚杆钻孔→放入杆体→锚固→挂钢筋网→喷射砼→打排水孔→衔接部分二次喷射。
5.2 具体工艺。
5.2.1 打孔。
5.2.1.1 使用锚杆钻机打孔,孔深2m,孔间距2m,排距2m,孔倾斜度根据土体节理、裂缝、破碎程度而定,一般垂直与斜面护坡体成孔。
5.2.1.2 灌浆:选用新出厂的P.O 42.5普通硅酸盐水泥,水灰比为0.4～0.45的纯水泥浆。
5.2.1.3 锚杆用20的螺纹钢,长2米,外露0.1米,便于喷浆挂网。
5.2.2 挂网。
护坡经人工修正后,在层面上设置钢筋网,钢网距离护坡易控制在3cm～6cm之间,与锚杆连接牢固后喷浆作业。
5.2.3 喷射混凝土。
喷射混凝土是通过混凝土喷射机,用压缩空气做动力,沿着管道将混合料压送到喷头处,与水混合后,以较高的速度喷射到土体上凝结硬化的一种新型支护形式。
5.2.4 喷射注意事项。
5.2.4.1 首先检查混合料的搅拌是否均匀,人工搭配是否合理及配合喷射手的照明措施是否合适。
5.2.4.2 选择受配面分段分片依次进行,喷射顺序应自下而上,喷射旋转速度掺XPM材料应慢于空白不掺速度的2/5。
5.2.4.3 作业开始时,应先送风、水、电;再给料,结束时应先停料,待料喷完后再关电、水、风。
5.2.4.4 供料应连续均匀,调凝剂的掺配必须用于均匀撒入料斗内。
5.2.4.5 工作风压应满足喷头处的压力0.1MPa～0.15MPa左右,水压在0.2MPa,水压大于风压。采用移动式空压机送风压力应在0.65MPa左右,垂直距离每增加10米适当增加风量。
5.2.4.6 喷头与受喷面应垂直,宜保持0.6～1.5m距离。
5.2.4.7 喷射手应严格掌握水灰比,保持砼表面平整,呈湿润光泽,无干斑或滑移流淌现象是最佳水灰比。
5.2.4.8 由于喷射料中水泥和速凝剂对人体皮肤有腐蚀作用,所以在带风工作面加料时应避免顶风作业。避免工人出汗粘上物料,腐蚀皮肤,喷射手应带风镜保护眼睛。
6. 采用XPM喷射后的效果及综合效益
通常在喷射中:常规设计的15cm厚砼用常规材料需喷3-5次,并且在硬面上凝结,碰撞使回弹反复加大,石子弹落数量高,导致上墙砼的配合比发生改变,水泥量加大,粗细骨料减少。由于水泥量的加大,水灰比增加,粗细骨料呈球形粘结,速凝剂中的碱金属反应,虽改变水泥的初终凝时间,反应控制了水泥水化,提前凝结,但砼体积中心温度不断上升,水化放热峰值偏高,热胀冷缩、喷层形成微细裂隙,从而导致常规砼料三个月开裂,一年半造成脱皮掉跨现象。
采用XPM纳米外加剂后可大大改善水泥砼性能,采用XPM纳米外加剂回弹率由常规的35%～50%降至6%-8%,大大降低成本,减少浪费。强度可提高1～2倍,粘结力可提高5倍,强度达3.89MPa,一次可喷厚35mm～70mm,而且减少水灰比,降低水化热峰值,水泥、石子结合为一体,抗渗且二次水化封堵泌水。XPM拥有很强防渗功能:XPM与占砼体积25%的Ca(OH)2 反应,析出C-S-H凝胶,增加了水泥混凝土的粘结力,减少率为33%。XPM纳米材料的布朗运动活泼,使混凝土的堆积密度改变,密实度增加,促进凝结速度。XPM使水泥、混凝土的孔隙率从75000A降到100A,水分子渗透是250A开放性的孔,空气分子160A,所以抗渗指标S40,400米水头的压力渗透0.33mm。XPM抗渗漏外加剂加入水泥混凝土中,彻底改变了水泥混凝土的性能,抗渗、高强、粘结力高、不透水性好的无机防渗刚性材料,彻底改变砼的各种性能。中国建研院测定,常规Ca(OH) 2占砼体积4.2%(90天),使砼耐久性成倍提高,而且喷射一次成型,提高了施工进度,大大节省了劳动力的投入。粉尘也降低50%,回弹低,节省成本,使工人的劳动环境大大改善,给社会带来巨大的综合效益。所以深受垃圾场、污水处理厂工程及一线工人的信赖和支持。
7. 结束语
综上所述,仅是对垃圾填埋场基坑护壁防渗处理技术作了一些分析、总结,随着建筑技术的不断创新,新材料、新工艺和新技术的推广和应用,解决基坑护壁防渗的技术将会日新月异。实践证明此方法合理可行,深受业主的重视,同时也给需做垃圾填埋场、污水处理厂工程的企业一个很好的借鉴,值得推广。
参考文献
[1] 王铁梦,[工程结构裂缝控制],中国建筑工业出版社1998.8
[2] 熊大玉等[混凝土外加剂],化学工业出版社,2002
[3] 刘惠珊等[地基基础工程],北京,中国计划出版社 2002
[4] 郑颖人等编著[边坡与滑坡工程治理],人民交通出版社,2007
[5] 江正荣.何富远. [土层锚杆工程施工工艺标准],北京,中国建筑工业出版社2005.5
[文章编号]1006-7619(2010)02-03-78
[作者简介]李新荣(1965-),男,1988年毕业于沈阳建筑工程学院工民建专业,工程师。