在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统.pdf

本发明是一种在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统。包括有如下步骤：1)在施工场地上铺设一层土工布(3)；2)在铺设好的土工布(3)上铺设一层土工格栅(2)；3)在土工格栅(2)上铺设钢架系统(1)。上述步骤3)后在钢架系统(1)还铺设一层木板(5)。本发明适用于在大面积超软土场地施工作业，特别适用于吹填土和新近淤积的超软土，钢架系统+土工格栅+土工布的组合使得在超软土场地上施工作业成为可能，钢架系统包括圆形空心钢管或截面为两边半圆中间矩形的空心钢管、接头、接头平移限制环，该系统

1、  一种在大面积超软土场地上施工作业的方法，其特征在于包括有如下步骤：
1)在施工场地上铺设一层土工布(3)；
2)在铺设好的土工布(3)上铺设一层土工格栅(2)；
3)在土工格栅(2)上铺设钢架系统(1)。

2、  根据权利要求1所述的在大面积超软土场地上施工作业的方法，其特征在于上述步骤3)后在钢架系统(1)还铺设一层木板(5)。

3、  一种根据权利要求1所述在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统，其特征在于钢架系统(1)包括有若干第一底层钢管(9)、若干水平位移限制环(10)、若干接头(11)、若干第一顶层钢管(12)，其中每根第一底层钢管(9)在每隔一段距离的位置上固定有两个水平位移限制环(10)，两个水平位移限制环(10)之间装设有接头(11)，若干根装配好水平位移限制环(10)及接头(11)的第一底层钢管(9)平行铺设，但不在一条直线上，若干根第一顶层钢管(12)在垂直于第一底层钢管(9)的铺设方向上通过接头(11)与第一底层钢管(9)连接。

4、  根据权利要求3所述的钢架系统，其特征在于上述接头(11)通过其下部做出的圆孔(7)套装在第一底层钢管(9)上，并通过设置在接头下部圆形接口(7)外侧的固定螺丝(8)固定在第一底层钢管(9)上，接头(11)的上部还做出有半圆接口(6)，第一顶层钢管(12)卡装在半圆接口(6)上。

5、  根据权利要求4所述的钢架系统，其特征在于上述接头(11)上部做出的半圆接口(6)的接口高度为第一顶层钢管(12)的直径的三分之二。

6、  根据权利要求5所述的钢架系统，其特征在于上述平移限制环(10)套入第一底层钢管(9)，并通过焊接固定在第一底层钢管(9)上。

7、  一种根据权利要求1所述在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统，其特征在于钢架系统(1)包括有若干根定位钢管(13)、定位钢管凹槽(14)、若干根第二底层钢管(15)、第二底层钢管凹槽(16)、若干根第二顶层钢管(17)，若干根定位钢管(13)平行铺设，但不在一条直线上，定位钢管(13)的定位钢管凹槽(14)保持朝上，若干根第二底层钢管(15)铺设在垂直于定位钢管(13)的铺设方向上，且第二底层钢管(15)两端的第二底层钢管凹槽朝下，并卡入定位钢管(13)朝上的定位钢管凹槽(14)；若干根第二顶层钢管(17)通过其上设置的朝下的凹槽卡入若干根第二底层钢管(15)朝上的第二底层钢管凹槽(16)中。

8、  根据权利要求7所述的钢架系统，其特征在于上述定位钢管(13)、第二底层钢管(15)、第二顶层钢管(17)的截面形状为两边呈半圆、中间呈矩形的空心钢管。

9、  根据权利要求8所述的钢架系统，其特征在于上述定位钢管(13)、第二底层钢管(15)、第二顶层钢管(17)上所设的凹槽为由钢管直接弯曲而成。

10、  根据权利要求9所述的钢架系统，其特征在于上述定位钢管(13)、第二底层钢管(15)、第二顶层钢管(17)上所设的凹槽底面是一长方形平面，该平面通过横断矩形宽的中线，凹槽用于水平向钢管正交的搭接。

在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统
技术领域
本发明是一种在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统，属于在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统的改造技术。
背景技术
随着我国刺激经济扩大内需，大量基础设施建设项目的启动，围海造陆或从海里吹上淤泥进行填方十分常见，这将面临在超软土场地上施工作业的难题。超软土场地一般为淤泥场地，未经处理的淤泥呈流塑状，高含水量，大孔隙比，承载力极低，机械无法直接上去进行相关操作。当前，进入流塑状淤泥土上施工作业的方法有以下三种：
1、砂层铺设法或土工编织物-砂层铺设法：该类型方法直接在淤泥上堆填约1米厚的中粗砂层，相当于人工建造一硬壳层；或铺设一层土工布，再铺设一层土工格栅，重复上述操作一次，形成土工布土工格栅各两层，相间铺设，铺设层数依场地条件而定，最后再铺设一层中粗砂层，厚度可依场地而定，一般约为1m，砂层在后续工作中可能有其它用途，机器可直接在砂层上进行施工作业。
但是，传统的砂层铺设法或土工编织物-砂层铺设法存在以下局限：
(1)需要铺设排水砂垫层，一般需严格采用含泥量小于5％的中粗砂，且铺设厚度50cm～100cm，但对于吹填或新近淤积的超软土，即使在砂源充足，砂价低廉的地区，采用填砂作业方法仍不具可行性，因为超软土具超高含水量、流塑状、渗透系数小等特点，向超软土场地进行中粗砂填方时，会因为场地翻浆而导致施工无法继续进行，需要场地长时间泌水后再填砂施工，这样施工工序多，工艺复杂，工期长；当处理场地位于砂源紧缺地区，即使超软土场地经长时间泌水后可进行填砂作业，也会因砂价高，填砂费用高，导致成本大大增加。
(2)土工编织物铺设层数过多，耗材大，且该铺设方法不能充分发挥土工编织物与下伏淤泥的摩擦力。
(3)土工编织物-砂层铺设法铺设面积与场地等大，当场地较为大型时，砂源及其运输都成问题，将造成工期延长。
2、土工编织物-竹片竹板铺设法：该方法的土工编织物铺设方式同方法1，不同的只是方法1中顶部的砂层改为竹片或竹板。
土工编织物-竹片竹板铺设法与方法1局限雷同，同样存在全场满面积铺设、耗材多、材料来源及其运输问题，不仅如此，竹片竹板刚度小，荷载分散的有效性受限制，很可能由于上覆机械压力过大而裂开、折断等，竹片竹板无法回收重新利用，且施工完毕后需将场地的竹片竹板清除，影响施工进度。
3、土工编织物-毛竹竿铺设法：该法同方法2，唯一不同的是将竹片竹板换成毛竹竿。
土工编织物-竹片竹板铺设法同样面临耗材大、运输难、价格贵且不可回收利用等问题，且竹竿为非刚性杆，分散荷载的有效性不高。
由于传统流塑状淤泥土上施工作业的方法存在上述诸多弊病，早已不能满足现有国民生产需要，其更不能大范围使用。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种施工简便快速及安全的在大面积超软土场地上施工作业的方法。
本发明的另一目的在于提供一种耗材少，价格合理，且可回收利用的在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统。
本发明的技术方案是：
本发明在大面积超软土场地上施工作业的方法，其包括有如下步骤：
1)在施工场地上铺设一层土工布；
2)在铺设好的土工布上铺设一层土工格栅；
3)在土工格栅上铺设钢架系统
上述步骤3)后在钢架系统还铺设一层木板。
本发明在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统，其钢架系统包括有若干第一底层钢管、若干水平位移限制环、若干接头、若干第一顶层钢管，其中每根第一底层钢管在每隔一段距离的位置上固定有两个水平位移限制环，两个水平位移限制环之间装设有接头，若干根装配好水平位移限制环及接头的第一底层钢管平行铺设，但不在一条直线上，若干根第一顶层钢管在垂直于第一底层钢管的铺设方向上通过接头与第一底层钢管连接。
上述接头通过其下部做出的圆孔套装在第一底层钢管上，并通过设置在接头下部圆形接口外侧的固定螺丝固定在第一底层钢管上，接头的上部还做出有半圆接口，第一顶层钢管卡装在半圆接口上。
上述接头上部做出的半圆接口的接口高度为第一顶层钢管的直径的三分之二。
上述平移限制环套入第一底层钢管，并通过焊接固定在第一底层钢管上。
本发明在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统，其钢架系统包括有若干根定位钢管、定位钢管凹槽、若干根第二底层钢管、第二底层钢管凹槽、若干根第二顶层钢管，若干根定位钢管平行铺设，但不在一条直线上，定位钢管的定位钢管凹槽保持朝上，若干根第二底层钢管铺设在垂直于定位钢管的铺设方向上，且第二底层钢管两端的第二底层钢管凹槽朝下，并卡入定位钢管朝上的定位钢管凹槽；若干根第二顶层钢管通过其上设置的朝下的凹槽卡入若干根第二底层钢管朝上的第二底层钢管凹槽中。
上述定位钢管、第二底层钢管、第二顶层钢管的截面形状为两边呈半圆、中间呈矩形的空心钢管。
上述定位钢管、第二底层钢管、第二顶层钢管上所设的凹槽为由钢管直接弯曲而成。
上述定位钢管、第二底层钢管、第二顶层钢管上所设的凹槽底面是一长方形平面，该平面通过横断矩形宽的中线，凹槽用于水平向钢管正交的搭接。
本发明由于采用土工布与土工格栅、钢架系统的组合代替以往的多层土工布与多层土工格栅、竹架或者竹片的组合的结构，因此，本发明可大大节省施工材料，施工操作简单快捷，施工进度快，经济节约，在钢架上作业稳定安全，且钢架可以重复利用和产品化生产。本发明是一种设计合理，操作简便，施工灵活的在大面积超软土场地上施工作业的方法及所用的钢架系统。
附图说明
图1是使用该法的某吹填土场地上进行插板施工场地平面布置图。
图2是使用该法的某吹填土场地上进行插板施工场地剖面图。
图3是用该法的某吹填土场地上进行插板施工A类型钢架系统中的接头示意图。
图4是A类型钢架系统中的接头、底层钢管、接头水平位移限制环连接方法示意图。
图5是A类型钢架系统底层钢管搭接方法示意图。
图6是A类型钢架系统的顶层钢管搭接方法示意图。
图7是在A类型钢架系统上铺设木板示意图。
图8是B类型钢架系统定位钢管铺设方法示意图。
图9是B类型钢架系统底层钢管铺设方法示意图。
图10是B类型钢架系统顶层钢管铺设好后示意图。
图11是在B类型钢架系统上铺设木板示意图。
图12是钢架系统的受力图。
图中：1钢架系统，2土工格栅，3土工布，4超软土场地，5木板，6接头上部半圆接口，7接头下部圆形接口，8接头固定螺丝，9第一底层钢管，10水平位移限制环，11接头，12第一顶层钢管，13定位钢管，14定位钢管凹槽，15第二底层钢管，16第二底层钢管凹槽，17第二顶层钢管。
具体实施方式
实施例1：
本发明在大面积超软土场地上施工作业的方法，其包括有如下步骤：
1、清理施工现场，准备施工作业。
2、在施工场地上铺设一层土工布，一般采用编织土工布较为合适。
3、在铺设好的土工布上面铺设一层双向土工格栅。
4、在土工格栅上铺设钢架系统，若场地的承载力足够，下层钢管的沉陷不大，可采用如下的钢架系统1，并按下面的铺设方式进行钢架系统施工：
本发明在大面积超软土场地上施工作业的方法所用的钢架系统，其钢架系统1包括有若干第一底层钢管9、若干水平位移限制环10、若干接头11、若干第一顶层钢管12，其中每根第一底层钢管9在每隔一段距离的位置上固定有两个水平位移限制环10，两个水平位移限制环10之间装设有接头11，若干根装配好水平位移限制环10及接头11的第一底层钢管9平行铺设，但不在一条直线上，若干根第一顶层钢管12在垂直于第一底层钢管9的铺设方向上通过接头11与第一底层钢管9连接。
上述第一底层钢管9上每隔80cm焊接好相距为25cm的水平位移限制环10。
上述接头11通过其下部做出的圆孔7套装在第一底层钢管9上，并通过设置在接头下部圆形接口7外侧的固定螺丝8固定在第一底层钢管9上，接头11的上部还做出有半圆接口6，第一顶层钢管12卡装在半圆接口6上。
上述接头11上部做出的半圆接口6的接口高度为第一顶层钢管12的直径的三分之二。
上述接头11的外形为长方体，并且边角部分经过圆滑打磨处理。
上述钢架系统上还铺设一层木板5；上述木板规格为120cm×30cm×5cm。
上述平移限制环10套入第一底层钢管9，并通过焊接固定在第一底层钢管9上；平移限制环10的位置距接头11为10cm，左右一样。
钢架系统的施工过程如下：底层钢管进入场地之前先装配好水平位移限制环10和接头11，具体做法是在钢管上每隔80cm焊接好相距为25cm的水平位移限制环10，然后将接头11置于两环10之间；进入场地后先沿一方向每隔30cm铺设好装配好的底层钢管9，然后通过固定螺丝，将垂直于底层钢管9铺设方向上的同一列不在同一直线上的接头11水平移动到同一直线上；完成后在垂直于底层钢管9铺设方向上将顶层钢管12卡入接头11的上部似圆形接口6中，形成单位为80cm×30cm网格状钢架系统。钢架系统铺设完成后，在钢架上按照施工的具体需要。
5、在钢架系统1上铺设一层木板5。木板规格为120cm×30cm×5cm。
6、另外，在铺设好的钢架系统1上进行施工作业时，机器在木板上行进，其后方木板和钢管可直接拆卸并前移搭接在机器前进的方向上，实现木板和钢架的实时搭接与利用，而且可保持钢架系统总面积和木板总面积的动态平衡。
本发明的具体应用实例是在惠州大亚湾软地基上进行施工。此工程项目区域为淤泥质吹填土，厚度为10--15m，拟对该吹填土体进行加固，该土体含水量很高，不能满足施工机械直接进场进行施工作业的要求，且工期要求很紧，采用传统的流塑状淤泥土上垫层系统的铺设方法面临诸多困难，甚至根本无法满足工程要求。为了保证项目的顺利进行，经过多方论证、讨论，采用在大面积流塑状淤泥上施工作业的方法。
该场地为面积20万平方米的矩形区域，开始时在场地上铺设一层土工布，然后在铺设好的土工布上铺设一层土工格栅，最后在土工格栅上铺设好钢架系统，钢架系统的总面积为35m×35m。铺设完成后在钢架上垫一层木板，其大小为小型插板机的底面大小，并且可拆卸。施工时，小型插板机开到木板垫层上进行插板施工，随着插板机的前进，其后的木板进行拆卸，并拼装到插板机前方，如此反复进行。当插板机在施工前进时，对后方的钢架进行拆卸，并将其拼装到插板机前进方向上，如此反复进行。
此项目采用在大面积流塑状淤泥上施工作业的方法，施工机械在钢架上能进行平稳前进，施工安全，且工期比传统施工方法缩短近1/2～2/3，造价节约原预算的1/3-1/2。
本发明节约工程造价的理论计算如下：
以上述大亚湾工地为例，处理面积20万平方米，假设采用传统的土工编织物-毛竹竿铺设法，则需铺设毛竹竿20万平米，铺设每平米毛竹竿价格约5元，共需20万×5＝100万元，施工完成后毛竹竿拆卸，不可重复利用；而采用本发明方法，即使不计土工编织物的价格差，仅从毛竹竿铺设系统与钢管铺设系统上看，假设钢管铺设每平米价格为毛竹竿的20倍，即100元，钢管铺设系统只需1000平米左右，共计100×1000＝10万元，价格约为毛竹竿铺设系统的1/10，更重要的是本发明的钢管系统可以多次重复利用，而毛竹竿铺设系统是一次性的，当涉及多个处理场地时，本发明的优势尤为突出！
本发明的原理如下：
1、本发明的钢架系统为刚性系统，相对于竹架等柔性材料具有更好的应力扩散性能力，其荷载能更加均匀地分布到场地上，充分发挥、利用场地本身的承载力。
2、本发明的钢架系统的重量较竹架等重，根据f＝μN(式中f为土工布与淤泥的摩擦力，μ为摩擦系数，N为正压力)，在不超过场地承载力极限的条件下，适当地增加重量，即N，可以增大土工布与淤泥的摩擦力。场地中土工布与淤泥的摩擦力属于水平力，增大了摩擦力相当于增大了土工布的抗滑能力。机械在钢管系统上施工作业时，其重力通过土工编织物转化为场地平面方向上的水平拉力。增大了摩擦力就等于增大了土工布的抗拉抗滑能力，使其能够承受更大的荷载。
3、本发明的钢架系统，与传统的竹架系统相比为刚性系统。传统的竹架是由于柔软的竹竿组合而成，整个竹架系统因而呈柔性，在外荷载的作用下，荷载下方产生应力集中现象，表现为竹架中间沉陷大边缘沉陷小，由于竹竿具有一定得弹性，中间和边缘的沉陷差异必将导致竹架产生一个向上的弹力F，而单凭竹架的自身重力无法克服这个弹力F，使得竹架边缘发生上翘现象，这又进一步导致竹架边缘作用在土工布上的正压力N减小，根据f＝μN(式中f为土工布与淤泥的摩擦力，μ为摩擦系数，N为正压力)，土工布于淤泥的摩擦力f将比未加载前的要小，土工布将朝荷载方向发生滑移，使得沉陷进一步加大，直至达到新的应力平衡。本发明的钢架系统可以克服传统竹架的不足，钢架系统为刚性系统，在荷载作用在不会发生应力集中现象，因此钢架各部分的沉陷均匀，这就避免了过大的沉陷差所产生的向上弹力F；即使在不超过场地淤泥和土工布组合的极限承载力的前提下，钢架产生了较大的沉陷差，但是钢架系统本身的重量足以克服这个向上的弹力F，并且能够保持一定的正压力N，使得土工布与淤泥的摩擦力足够大而限制钢架进一步沉陷。
4、由于本发明的钢架系统为刚性系统，除了能够有效地将荷载均匀分散到场地上之外，其整体性也得到极大的提高，在上部荷载的作用下不易变形，能够保持较好的整体性，增大机械在施工过程中的稳定性。
本发明钢架系统整体沉降的理论计算如下：
1、本发明的钢架系统为刚性系统，据此假设钢架上部机械荷载均匀地分散到每根钢管，即每根钢管对下卧土工织物的压力相等。
2、钢架系统受力图如图12，图中，P₁为钢架及机械等总压强，P₂为下伏土工织物和淤泥的综合承载力，T为土工织物拉力，由二向或三向拉伸试验确定；L为钢架边长，h为沉降量，在本发明中h不大于钢架系统的高度；β为土工织物拉力方向与水平方向夹角，f土工织物与淤泥之间的摩擦力。
3、根据钢架系统平衡条件，有
P₁＝P₂+P₃
式中，P₃为织物的张力膜效应所增加的分量，由求得；其它符号意义同上。
4、β角可根据受力图得出的关系式确定。
5、由于土工织物的水平向约束作用，超软基破坏形式为整体剪切破坏。P₂根据斯肯普顿(A.W.Skempton，1952)给出的地基极限承载力公式计算：P₂＝6c。式中，c为地基土粘聚力，kPa，取基底以下0.707L深度范围内的平均值。
6、P₁为钢架系统及上覆机械、人员、木板等的总压力P除以钢架与土工织物的接触面积S，P1=PS.]]>
7、据步骤3～6求得沉降量表达式
h=L4[4T(P1-P2)]2-1]]>
实施例2：
本发明与实施例1的不同之处在于若场地的承载力过低，导致下层钢管的沉陷过大，宜采用如下的钢架系统1，钢架系统1包括有若干根定位钢管13、定位钢管凹槽14、若干根第二底层钢管15、第二底层钢管凹槽16、若干根第二顶层钢管17，若干根定位钢管13平行铺设，但不在一条直线上，定位钢管13的定位钢管凹槽14保持朝上，若干根第二底层钢管15铺设在垂直于定位钢管13的铺设方向上，且第二底层钢管15两端的第二底层钢管凹槽朝下，并卡入定位钢管13朝上的定位钢管凹槽14；若干根第二顶层钢管17通过其上设置的朝下的凹槽卡入若干根第二底层钢管15朝上的第二底层钢管凹槽16中。
上述钢架系统上还铺设一层木板5；上述木板规格为120cm×30cm×5cm。
上述定位钢管13、第二底层钢管15、第二顶层钢管17的截面形状为两边呈半圆、中间呈矩形的空心钢管。
上述定位钢管13、第二底层钢管15、第二顶层钢管17的截面形状中的矩形的长度为3cm，宽度为3cm，半圆的半径为1.5cm。
本实施例中，上述定位钢管13、第二底层钢管15、第二顶层钢管17的每隔50cm设有一凹槽，凹槽为钢管弯曲而成，凹槽底面是一长方形平面，该平面通过横断矩形宽的中线，凹槽用于水平向钢管正交的搭接。
本发明的铺设方式如下：先沿一方向每隔10m铺设好定位钢管13，铺设定位钢管13时需保证定位钢管之间两两相互平行，钢管13的两端相互对齐，定位钢管13的凹槽14必须保持朝上，方便后续搭接工作的进行；完成定位钢管13的铺设后在垂直于定位钢管13铺设方向上铺设底层钢管15，底层钢管15两端的凹槽16朝下，刚好卡入定位钢管13的朝上凹槽14中；铺设好底层钢管1后继续铺设顶层钢管17，将顶层钢管17的凹槽朝下，卡入底层钢管15的凹槽16中，连续铺设形成单位规格为50cm×50cm的方格状钢架系统。钢架系统铺设完成后，在钢架上按照施工的具体需要，在钢架上铺设一层木板，木板规格为120cm×30cm×5cm。