地弄计算 第三章砂石料堆场构筑物

第三章 砂石料堆场构筑物

第一节 概述

水利水电工程中所用砂石料, 按其来源可分为天然砂石料和人工砂石料两类。其工艺流程一般都要经过开采、加工、运输、储存等环节。而砂石料堆场就是起储存、转料和调 节用料等作用, 它实际上是一种露天的砂石料仓库。 堆场的形式主要根据砂石料的运输和堆取方式而定, 堆场的规模随储料数量而走。堆场构筑物的土建工程投资往往占砂石料系统的一半以上, 所以对砂石料堆场构筑物设计, 要认真优化设计方案, 选择合理结构形式,以节省投资, 缩短工期。

一、堆场类别

按工艺布置, 砂石料堆场可分为毛料堆场、半成品堆场、成品 ( 或称净料 ) 堆场、调节料堆场等。 毛料堆场用来堆存未经加工处理的砂石混合料或开挖来的石渣；半成品堆场用来堆存经过粗碎或超径处理后的砂石料。这两种堆场都只须在地弄两端设置挡料墙。净料堆场用来堆存经过筛分分级并已冲洗干净的各种粒径的砂石料, 堆储作业中要避免骨料破碎、分离、混料, 这种堆场除两端应设置挡料墙外, 中间还要按不同规格的砂石料设置分仓隔料墙。调节料堆场是为调节上、下加工段能连续均衡运转而设置的, 一般容量较小, 这种堆场往往也要设置挡料墙和隔料墙。

堆场中的主要构筑物有地弄、挡料墙、隔料墙、进料带式输送机钱桥或行驶堆料机的路堤、轨道梁等。 二、设计资料

1. 工艺设计图

图上须标明堆场类另别、进料方式、堆料高度、地弄 ( 包括首尾连接段 ) 、挡料墙和进料设施 ( 栈桥或路堤 ) 的平面、纵剖面、横断面图和尺寸以及在构筑物上的预埋件布置和尺寸, 还要标明与构筑物有关的原地面高程及地形变化特征。工艺对土建结构设计如有特殊要求时, 尚应在图上说明中提出。

2. 地基资料 包括地基土壤类别、均匀性、承载能力和地下水位等资料。 3. 施工条件 ' 建材供应情况 , 运输及吊装能力 , 工期要求等。

4. 砂石料特性 砂石料容重及内摩擦角根据试验资料确定 , 如缺乏资料可参考表 12-3-1 中 数据选用。一般情况下 , 结构设计时可取毛料容重为 1.90t//m3, 砾石净料容重为 1.65t/m3, 砂容重为 1.55t/rI13o 毛料及砂的内摩擦角可取 35, 砾石净料的内摩擦角可取 33.5。 当成 品堆场同时堆存了不同规格的砂石料时 , 为简化设计计算 , 可按容重为 1.65t/m3 、内摩擦 角为 33.5 进行计

算。

000表 12-3-1 人工砂 1.5～1.53 略高于天然砂 天然砂 1.45～1.55 32～37 003砂石料容重及内摩擦角 级配骨料 1.57～1.65 32～35 00砂石类别 容重（t/m） 内摩擦角

毛料 1.82～1.97 35～38 00第二节 地 弄

一、结构类型及使用条件

( 一 ) 按建筑材料分类

1. 浆砌块石 ( 或卵石 ) 地弄地弄除盖板需用钢筋混凝土结构外, 墙体采用浆砌石 ( 水泥砂浆标号不低于 50 号)。因浆砌石的抗拉强度很低.故墙体甚厚,石料用量多,对砌体质量要求严, 施工速度较慢；但可节省钢、木、水, 泥等材料。

2. 混凝土地弄盖板用钢筋混凝土结构, 墙体及底板均用混凝土结构。 因混凝土抗拉强度较低 , 故墙体较厚, 混凝土用量多; 但能节省钢筋, 施工较简便。

3. 钢筋混凝土地弄这类地弄又可分为箱式、拱式、钢构式、盖板式等。墙身和底板等构件横断面都较薄, 且结构坚固。钢筋用量较多, 但综合造价较低。

4. 波纹钢管地弄这类地弄国内由于材料原因尚未采用。但日、美等国都曾使用过。 此类地弄施工快 , 费钢量甚大。

( 二 ) 按结构型式分类

1. 盖板式地弄顶板用预制钢筋混凝士梁式板可侧墙用混凝士或浆砌石建造时 , 常 采用分离式底板。这种结构型式宜建在较坚实的地幕上。在软弱地基上 , 侧墙及底板常采 用整浇钢筋混凝土结构 (\"U \" 形 )。盖板式地弄是目前间内水利水电工程中较广泛采用 的一种结构型式。

2. 钢筋混凝土箱形地弄这种结构型式刚度大 , 受力条件好 .适应地基变形的能力也好。每立方米混凝土的钢筋用量较盖板式钢筋混凝土 \"U\" 形地弄要少 : 但施工较复杂, 工期较长, 模板及支撑用料也较多。

3. 装配式钢筋混凝土地弄这种结构国内较少采用。已使用过的一般为盖板及侧墙预 制 , 而底板为现场浇筑的地弄。侧墙与底板的连接常采用在底板上预留槽口的方式。盖板 与侧墙的连接须考虑侧墙顶应留有阻止盖板滑动的墙埂。装配式钢筋混凝土地弄 ( 特别是 分段整体预制的箱式地弄或圆管形地弄 ) 因受起吊能力 , 施 E 缝较多 , 处理 E 作哇大 . 所以用得较少。

4. 拱式地弄由拱圈、直墙及底板组成。按构造不同 .又有钢筋混凝刚构式和两饺拱 式之分。前者整体性好 , 结构可靠 , 但施工复杂 : 后者则要求地基较好 , 且侧墙要有足够 的刚度以抵抗拱座产生的水平推力。因拱座位移而增大拱顶弯矩是切切不可忽视的。某工 程建有拱盖地弄 , 拱座按不动饺计算的 , 使用中拱座发生了一运水平线变位 , 致拱顶中部 , 纵向断裂。无推力拱则构造复杂 ,且必须增加地弄净高才能满足使用要求 , 目前国内工程 中尚未见有此型式地弄。拱式地弄受力条件好 , 截面比较经济。地弄类型的选择 , 须根据当地材料供应、施王条件及 I: 期要求 , 地基情况及经济指标等因素综合考虑。值得注意的是当地弄顶上设有校桥墩柱时 , 要防止由于地墓不均匀沉陷给上部结构及机械设备带来不能正常使用的危害。在软弱地幕上的地弄宜采用整体式底板口如地基为高压缩 ' 性土壤时 , 胶带机校桥的墩柱不宜布置在地弄顶上。

二、结构布置 (一) 立面布置

1. 地弄中间段这段为一封闭式的长廊, 纵坡宜在 5%。左右, 以利排水。按工艺要求, 成品堆场在地弄顶上设有砂石料分仓隔料墙, 毛料半成品堆场只须在两端设挡料墙, 顶盖上还预留有卸料孔口 (一般为正方形) 。如采用预制装配式钢筋混凝土盖板, 则应分成有孔口及无孔口两类预制 , 型号须尽量减少 , 以利施工。预制盖板分块宽度 , 与孔口大小、 孔口间距、吊装能力等有关 , 并注意卢

沉陷缝的分缝长度相配合。当地弄的封闭段较长时 ( 如超过 150m), 为改善地弄内通风条件 , 顶上宜布设通气孔 ( 钢管或装配式钢筋混凝 土竖井 )。

2. 地弄首、尾连接段

首段一般为平段兼有斜坡段, 尾段一般为较短的平段。集水坑 一般布置在尾段或首段的平段处 ,应视排除渍水的有利条件而走。地弄内渍水多用水泵及时排除 , 有条件时也可用预埋在集水坑下的暗管自流排走。首、尾段多采用开敞式混凝土 或浆砌石挡土墙 , 并与地弄中间段用缝隔开。侧墙应高出地面 20cm 左右, 以防地表水流入地弄内。

3. 沉降缝与止水

沉降缝间距, 根据地基条件、结构刚度及构筑物构造要求等因素合理选定。对钢筋混凝士结构一般取 10～15m；混凝土或浆砌石结构则视地质情况酌情减少。沉降缝宽 20m m, 止水材料采用沥青木板或其他具有弹性的不透水材料填塞。沉降缝还起纵向结构构造缝的作用,分段长度的增加必将升起结构纵向力的显著加大。

(二) 横断面布置

1. 净空尺寸 地弄净空尺寸要满足操作方便、生产安全及经济等原则。净高与所选用的卸料装置及胶带机支架的高度有关，并应使卸料装置出口与胶带机带面间应保持有不小于 30cm 的净距。按现行的胶带机设备及卸料装置标准系列，采用于动弧门时.地弄净高可取 2.2m；采用槽式给料机、电磁振动给料器、风动弧门时、地弄净高可取 2.8～3.0m。 当工艺设计对地弄净高有特殊要求时，应以工艺提出的尺寸为据。地弄净宽则与胶带机的带面宽度、人行道布置等有关。一般设单侧人行道，宽度不小 于 0.75m；另一侧设检修道. 宽度不小于 0.40m。 故胶带机中心线与地弄中心线有一偏离值，一般用 20cm 。按胶带宽确定的地弄最小净宽尺寸可参照表 12-3-2 选用 。 表 12-3-2

地 弄 净 宽

1000 1200 1400 2.6 2.85 3.05 2. 卸料孔口的保护及防水地弄顶盖 t 的卸料孔口而采用不小于∠70 × 70 × 6 角钢镶护 ,以防孔口磨损 , 在距孔边约 10cm 的净距外 ,

胶带机带宽（mm） 800 地弄最小净宽 2.4 （m） 应用围设一道宽 12cm，高 10cm 的混凝士止水埂,以防堆场地表水流入地弄。

3. 预埋件地弄底板上一般埋设有胶带机中间支架、机比改向滚筒支架、拉紧小车架及重锤吊架等地脚螺栓。中间支架承受的水平拉力很小，但预埋地脚螺栓数量大，给安装带来麻烦。不少工程已不再在捣制混凝 土底板时预用地脚将龟而足将胶带机中间支架安装定位后, 用高标号水泥砂浆堆固固定机架 , 这种施工方法简单运用。其他设备的地脚螺栓

因受力较大, 一般均采用预留 100×l00mm 方洞，待设备定位后再将地脚螺栓插入方洞并填以 200 号细石混凝士固定。地弄顶盖上一般也要为卸料装置及关设备预埋螺栓，这也多采用预留圆孔 (孔径取所需预埋螺栓直径的二倍)的办法。照明需用的预埋件,一般布置于人行道所在一侧的墙上。 4. 排水沟

在地弄底板上设置排水沟, 并对称于胶带机中心线布置。对整体底板沟的横断面宜宽而浅, 以减少 对底板的削弱。为便于清渣, 一般用上口宽 100cm 、底宽 70cm 、 深 5～6cm 的梯形断面 ( 也有由 两侧向中间找坡的三角形断面 ) 。 图 12-3-3～图 12-3-5 为某工程盖板式地弄和箱形地弄横断面图 ,胶带机带宽 1000mm,采用于动弧门 , 安装缝宽 3～5cm , 定位后用 100 号水泥砂浆或 200 号细石混 凝土填塞。 ( 三 ) 堆场排水系统布置

成品堆场的排水要求较高 , 常沿地弄周围地面以下布置排

水盲沟。堆场地面可根据地 形及系统总的排水规划做成斜坡排水。对脱水比较困难的砂料 , 在其堆 场范围内加浇一层 有斜坡的混凝土地坪 , 可以获得较好的排水效果。从地弄结构方面考虑 , 无论属 于哪类堆 场 , 都要有较好的排水措施 , 以消除或减少地下积水对地弄的不良影响 , 并改善地弄内 防潮条件。比较简单实用的方法 , 就是要求地弄外侧 回填料采用透水性较好的砂石混合料 , 并设法 将地 下水引出场外。 三、结构设计注意事项

1. 设计规范 混凝土及钢筋混凝土结构设计 , 参照现行的钢筋混凝土结构设计规范计算 : 砖石结构设计 , 参照现行的砖石结构设计规范计算。堆场地弄系临建工程 , 对其构件只须计算强度、稳走 ,

而不必计算变形及裂缝开展宽度。

2. 混凝土及水泥砂浆标号 预制构件的混凝土标号不低于 200 号。 从防潮方面考虑 , 现场捣制的 钢筋混凝土地弄结构的混凝土标号亦宜用 200 号 .且构件断面厚度不宜小于 30cm 。对于混凝土结构 , 因断面尺寸较大 , 一般采用 150 号混 凝土。底板下垫层混凝土用 75 号 , 其厚度一般用 10cm。砌体的水泥砂浆标号不宜低于 50 号。

3. 钢筋型号

构造钢筋用 I 级钢筋 , 受力钢筋用Ⅰ级或Ⅱ级钢筋 , 并尽量采用Ⅱ级钢 筋 , 以便降低钢材耗用量。

四、对称荷载作用下的地弄结构计算

( 一 ) 荷载计算

1. 垂直荷载主要有堆料垂直压力和结构自重 , 其次为设备荷载和人群荷载。后者远比前者甚小 , 可忽略不计。 关于地弄顶上的堆料垂直压力 q 的计算 , 铁路、公路、工民建系统采用不同的公式进 行计算。国内一些水利水电设计单位 , 一般按松散体理论 , 即设地弄顶板单位面积上的垂直料压按下式计算 :

q=γH

式中：γ 一一骨料计算容重 ;

H 一一地弄顶盖以上的堆料计算高度。

此外,国内也有些水利水电设计单位，认为骨料垂直压力 q,除与骨料物理特性、地弄的宽度、高度、地基条件等有关外,还与堆料高度有关。 结合各单位设计实践经验,建议当骨料堆高在 10m

(12-3-1)

以上且为单地弄和地基条件及两侧回填较好的情况下,可考虑两侧骨料产生的摩阻力 F 而将骨料压

力折减 (图

式中 K2 一一骨料垂直压力折减系数 ; B1 一一计算堆料宽度之半 ;

φ 一一骨料内摩擦角 , 假定地弄两侧回填料与骨料采用相同的 φ 值 : y 一一骨料计算容重。

式 (12-3-2) 适用于 H ＜Hmax 的条件。

（12-3-2）

H ＞Hmax 时 当

（12-3-3）

(12-3-4)

乌江渡、葛洲坝、龙羊峡等水电工程堆料场地弄设计中 , 均将骨料垂直荷载进行折减 , 迄今未出现结构破坏事故。分离式地弄的地基反力 , 按偏心受压 计算 ; 整体底板的地弄 , 其地基反力可按均匀分布计算 c 当地弄顶部有卸料胶带机找桥墩柱时 , 这种集中荷载 , 经侧墙传给基础 ,其在基底的纵向分布宽度可按下式 计算 : B=b +2htg45

式中 B- 一一荷载分布宽度 ;

b 一一一墩性结构外缘宽度 : h 一一一地弄总高度。

2. 水平荷载地弄侧墙所受水平压力可用下式计算 :罔 1236 地弄顶 i 在直料压计算图的二 YHV(450-7) +h) tg2(45U?)

0(12-3-5)

(1236)式中町、的代表意义见图 12-3-60

3. 渗水压力一般采用排水措施加以消除。当地下水位较高不易排除时 , 则应计算水压力。

4. 地震荷载水利水电工程中砂石料堆场地弄为临时性建筑物 , 可不考虑地震力影响。

( 二 ) 盖板式地弄结构设计

1. 结构计算简图 \"U\" 形和分离式地弄的计算简图分别见图 12-1- 7 和图 12-3-10

2. 钢筋混凝土梁式盖板

(1) 盖板计算跨度 L 。在计算弯矩时用。图 12 一 3 一 7\"U \" 形地弄

计算简图

(2) 盖板的厚度 , 因作用于地弄盖板上的料压一般都很大 , 而预市 lli 盖板的 I; 作性质 就是简支的板式梁。由表 12-3-2 知常用的单条胶带机的地弄净宽 ( 即盖板净跨长度 ) 为 2.40～3.05m O 板厚选定 , 既要满足构件受弯的正截面强度要求 , 又要满足其斜截面抗剪强度 要求。盖板最小厚度不宜小于 30cm。

盖板横截面在任何情况下需满足式 (12-3-8) 的要求 , 否则应加大板厚。

分离式地弄计算简图当盖板厚度能满足式 (12-3 →们的要求时 , 由混凝土负担剪力 ,宽度内弯起三根钢筋。(12-3-8) 可按构造要求、每米 按下式计算弯起钢筋 ( 一排戎二排 )c

KQ≤0.3Rabh。

KQ≤0.07 Rabh。＋0.8RgAwSinα 式中

K 一一安全系数 , 用 1.55: Q 一一所验算横截面的计算剪力 ; Ra 一一混凝土轴心抗压强度 : b 一一盖板计算宽度 : ho 一一盖板有效高度 :

Aw-- 在同一弯起平面内的弯起钢筋总面积 : Rg 一一钢筋抗拉设计强度 ; α 一一弯起钢筋与盖板轴线的夹角。

(3) 有孔口盖板的最小宽度 , 宜大于 3 倍孔口宽 .于孔口宽。

(4) 有孔口盖板 , 当计算其所需钢筋面积时 , 要考虑孔口对盖板的削弱 , 即将有关 计算公式中的板宽 b 值代以板的有效宽度 ( 板的总宽减去孔口宽 )O 板内所需主筋应均匀 布置在孔口两外侧的板宽内 O 为适应孔口邻近应力集巾的需要 , 还应在孔口周围的上下层 增布加强钢筋。

(5) 构造钢筋除按规 .定设事直于主筋的分布筋外 , 板的面仨宦配纵横间距不大于且孔口两外侧板的净宽均不宜小 25cm 的 φ 10 钢筋网 , 以防止因温度变化或混凝土干缩而升起表面开裂。

3. 钢筋混凝土 \"U \" 形地弄 Ni

(1) 内力计算时取 lm 长为计算单元 ( 参照计算简图 12-3 -7) 。考虑盖板对侧墙的支撑作用 , 地弄计算简图为一次超静定 结构。当结构对称、荷载也对称时 , 可取结构的一半分析计算 . 如图 12-3-9, 可用力矩分配法求出杆件内力。

(2) 侧墙强度计算 , 根据现行的钢筋混凝士结构设计规范中的偏心受压构件所规定的计算内容进行计算。qIFIf11111fr 写

(3) 底板厚度叮参照盖板计算内容与要求进行计算 , 其厚」立」度一般不小于盖板及侧墙的厚度。图 12-4-4.\"U\" 形地弄

(4) 盖板及底板均按纯弯构件计算配筋 , 不考虑侧墙传来计算简图的水平轴向力。

(5) 地弄的纵向强度 , 一般情况下可用分缝长度、并配置适量纵向构造钢筋的 办法。在比较均匀的地基上 , 如地弄纵向分缝长度不超过前述规定数值 , 且纵向构造钢筋 直径为 φ 10～12 及间距不大于 25cm 时 , 地弄结构纵向不致出现裂缝。如分段长 度超出前述 范围 , 则须验算地弄结构的纵向强度。

4. 分离式地弄 ( 钢筋混凝土预制盖板、混凝土墙和基础 ) (1) 侧墙内力计算 , 纵向取 1m 长为计算单元 ( 参照计算简图 12-

当盖板厚度不能满足式 (12-39) 的要求时 , 则需

（12-3-8） （12-3-10）

3-8), 为 1 次超 静定饺接排架。当结构和荷载都对称时 , 仍可取半跨结构分析计算。若侧墙采用混凝土结 构 , 其厚度较大 , 盖板传下的竖向荷载在墙顶截面的偏心距也较大 , 将引起一个外力矩 Mp 作用于墙顶。侧墙上端是饺支而下端是嵌固的 , 侧墙计算简图如图 12-3-10 所示。在水平荷载作用下 , 上支点 ( 饺 A) 反力求得后 , 即可用静力平衡方程式求出侧墙任一截面的内 力。侧墙墙身上下等厚时 ( 图 12-3-4), 也可用 \" 建筑结构静 jj 计算手册 \" 中有关计算公式 , 求出墙底截面承受的弯矩 MB 。在竖向偏心荷载作用下 , 墙底截面产生的抵抗力矩为墙顶 作用的外力矩 Mp 之半。故墙底最终端弯矩∑MB．

∑MB=（7e1＋8e2）h/120－M/2

(2) 侧墙强度按偏心受压构件 计算。一般情况下 , 侧墙与基础连接 处是侧墙的控制截面。而该处按施工 习惯又常是施工缝所在 , 这是不利的。 所以必须处理好施工缝 ( 打毛、冲洗、 刷水泥浆 )o 但实际上 , 施工缝的处 理往往达不到设计要求 , 为此 , 在侧 墙强度计算中 , 对混凝土抗拉强度宜 乘以折减系数 0.9, 再按下式进行验算。 矩形截面偏心受压构件抗压 ( 拉 ) 强图 12-3-10 分离式地弄侧墙计算简图

(G ) 水平荷载作用下的内力图 :(b ) 垂直荷载偏心作用 F 的内力图截面重心至受压区边缘的距离 ; go 一偏心距 (eo 刑 ; K 一一安全系数 , 取 2.b k 一一侧墙厚 ;

Ra 、 RL 一一混凝土抗压、抗拉设计强度 : 快一一混凝土构件纵向弯曲系数 : 1.75 一一截面抵抗矩的塑性系数 : 0. 如一一混凝土抗拉强度折减系数。

(3) 基础计算时视基础为一倒置的悬臂梁 , 按受弯构件验算其强度 O 计算公式为 K/Lhh2 (4) 基础的最小结构尺寸 , 应使基础厚度大于或等于侧墙厚度 , 且能满足抗弯抗冲 切的强度要求。基础宽度能满足基础刚度大于侧墙刚度 5 倍左右。一般情况下 , 还应满足 地基允许承载力的要求。

(5) 中间底板的最小厚度 , 为了满足使用要求 , 两侧墙基础之间须浇二期混凝土底板 , 虽然主要起铺盖作用 , 但它也有阻止地基土壤被挤出的作用 , 故其厚度不宜小于 25cm O (6) 地基允许承载力 , 基础传给地基的压力按偏心受压计算。对分离式地弄 , 若堆 料高度达到 15m 时 , 基础底面边缘的最大压力将超过 40~60tf/m2, 而分离式地弄整体性 又较差 , 故这种地弄必须要求有较好的地基才能适应。地基应力可按下列公式计算 : P 三 R(12314) Pmax 〈 1.2R(12315)式中 P 一一基础底面处的平均压应力 ; Prnax 一一基础底面边缘的最大压应力 ; R 一一修正后的地基容许承载力 ;

A 一一垂直于弯矩作用方向的基础底面边长 ( 地弄常取 1.om 计算 ): K 一一合力作用点至基础底面最大压力边缘的距离 j N 、 G 一一基础以上垂直荷载、基础自重及其上土重 ;

M 一一作用在基础上的外力矩 : F 、 W 一二基础底面积及截面抵抗矩 O

在工程实践中 , 也有地基承载力低于地弄基础计算压力而未发生严重后果的实例 r 这 种情形所造成的影响 , 较严重者是墙体局部发生斜裂缝和沉陷量增加。这是因地弄结构一 般埋置较深 , 其外侧由于回填料和所堆砂有料的自重 M jj 甚大 , 故基底士壤不可能被挤出 而失去稳定。墙基士壤向内挤出的问题 , 一般采取结构措施即可解决。建议在进行地弄设 计时 , 对地基的允许承载力 ,可结合具体情况迢斗先 I 句口

2

( 三 ) 钢筋混凝土箱式地弄结构设计

1. 结构计算简因图 12311 所示为一 ! 对口的可以、坦静在刚架。

2. 内力计算结构和荷载都对称 .可取对称轴之仨戎打中部进行计算 , 如 ! 到 12312 所 示 , 此结构易于用分配法求得各杆端弯矩值。

3. 构件断面最 ,j 、厚度及强度计算可参照盖板式 \"ljH 形槽地弄设计的有关要求进行计算。