沖擊鉆孔樁施工條件下既有橋安全評(píng)估

/沖擊鉆孔樁施工條件下既有橋平安評(píng)估一、前言沖擊鉆孔施工過程中由于鉆孔機(jī)的激振，使鉆點(diǎn)的土體產(chǎn)生振動(dòng)，并以土體為介質(zhì)向四周傳播，從而激發(fā)周邊建筑物的振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)超過確定的限度時(shí)，就會(huì)對(duì)四周環(huán)境產(chǎn)生不利影響，危及四周建筑物等的穩(wěn)定和平安。因此，對(duì)沖擊鉆孔施工引起的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，是必要的。二、新建橋梁和既有橋梁基本資料2.1新建橋梁工程概況此次新建的橫酃路西起蒸陽路口，連接湘桂路，上跨既有湘桂鐵路沿既有橫湘公鐵路橋南側(cè)25m（上游方向）并行，由新建橫酃路湘江大橋擔(dān)當(dāng)機(jī)動(dòng)車過江交通（橋上保留基本的人行道及檢修道寬度），將原有橫湘公鐵路橋改為非機(jī)動(dòng)車及行人的雙向過江交通。新建的橫酃路高架橋過到江東后跨越湘桂鐵路，然后沿三化鐵路專用線高架接上原設(shè)計(jì)東風(fēng)路立交?？缦娼鳂蚪邮芪蹇缱兏叨冗B續(xù)箱梁，跨度布置為63.5+3×122+63.5m。橋梁起點(diǎn)里程為MK0+443.710，終點(diǎn)里程為MK0+936.71，橋梁中心里程為MK0+690.210。主橋主墩接受時(shí)下花瓶墩，樁基礎(chǔ)；交接墩接受三柱式門架墩，樁基礎(chǔ)。2.2水文條件湘江又稱湘水，是湖南第一大河流，也是長(zhǎng)江大支流之一。它發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)臨桂縣海洋坪的龍門界，流經(jīng)廣西的性興安、全州及湖南的東安、永州、祁陽、衡陽、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙、望城等縣市，至湘陰縣濠河口分東南兩支呼入洞庭湖。干流全長(zhǎng)856公里（湖南境內(nèi)約670公里），流域面積94660平方公里（湖南境內(nèi)85383平方公里），多年平均流量664.9億立方米。本橋位于衡陽水文站上游約8.15Km，依據(jù)我院托付湖南省水文水資源局于2002年3月完成的《長(zhǎng)衡高速鐵路橋位河段水文分析成果》，衡陽水文站百年水位H1%=60.44m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），二十年一遇水位H5%=58.24m，河床平均坡度j=1.2‰，由此推算本橋橋位處百年流量Q1％=21300m3/s，百年水位H1％=61.39m，二十年一遇水位H5％=59.22m。2.3航道條件湘江是湖南省骨干航道之一，依據(jù)湖南省航道管理局要求，本橋通航標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)依據(jù)規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道考慮，須滿足Ⅱ-3級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ-3級(jí)航道的跨越航道建筑物要求凈高10m，側(cè)高6m，凈寬75m，上底寬56m，最高通航水位依據(jù)二十年一遇水位接受59.18m。2.4地質(zhì)概況衡陽市橫酃路立交橋A標(biāo)段為衡陽斷陷盆地中部，屬湘江一級(jí)階地，橋址跨越湘江，湘江由南流向北，江面寬約360m，水深5.3~9.2m，西岸為侵蝕岸。一級(jí)階地上部為第四系全新統(tǒng)沖積粘性土，厚3~4m，局部厚約有厚約0~5m的人工填土，河流表層為礫砂、圓礫、松散，厚約0.4~3.4m，下為第四系上更新統(tǒng)網(wǎng)紋狀黏土，厚0~10.4m，亞粘土，松散，厚約0~5.9m，圓礫土0~12.3m。下伏基巖為下第三系漸始新統(tǒng)霞流市組E2+3x粉砂巖，全風(fēng)化層厚約0.6~1.7m，強(qiáng)風(fēng)化層厚約1.5~2.8m。2.5既有湘桂鐵路公路兩用橋概況既有湘桂鐵路為單線，跨越湘江的橋梁接受公鐵兩用的形式，橋梁上層為寬10m的公路橋面，下層為單線鐵路明橋面，主跨布置為（2×60.5）m+（2×60.5）m+（2×60.5）m三聯(lián)連續(xù)鉚接剛桁梁。主跨線路條件為平坡直線，擋碴墻前墻間距為426.9m，主跨全長(zhǎng)437.5m。節(jié)間長(zhǎng)度6.05m，接受鉚接組合桿件，剛桁梁共重1913t。該橋設(shè)計(jì)建立于20世紀(jì)50年頭，軌底標(biāo)高66.62m，梁底標(biāo)高64.92m，墩臺(tái)頂標(biāo)高63.92m，公路路面目前標(biāo)高為74.3m。設(shè)計(jì)百年水位接受1924年歷史最高水位59.9m，通航水位接受51.6m。水中橋墩接受片石混凝土變截面圓端形橋墩，基礎(chǔ)接受片石混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，底層順橋向6.8m，橫橋向12.8m，嵌入風(fēng)化巖1~2m。經(jīng)過細(xì)致細(xì)致的實(shí)地勘測(cè)，目前橋區(qū)鐵路兩側(cè)建有大量房屋，為盡可能節(jié)約投資，必需盡量削減房屋的拆遷量，因此新老兩座湘江橋間距宜盡量小一些。從既有湘江公鐵兩用橋竣工圖可以看出，橋位處河床基巖較淺，地質(zhì)條件良好。新建的橫酃路跨湘江橋可接受鉆孔灌注嵌巖樁基礎(chǔ)，將承臺(tái)頂置于河床表面以上1~2m，接受吊箱圍堰施工水下基礎(chǔ)，盡可能避開水下開挖以削減對(duì)既有橋的干擾，依據(jù)初步設(shè)計(jì)成果，新湘江大橋主墩承臺(tái)橫向?qū)?9m，兩橋中心距接受25m，則新橋承臺(tái)外側(cè)到既有橋擴(kuò)大基礎(chǔ)外側(cè)凈距為25-（19+12.8）/2=9.1m，新橋樁基中心到既有橋梁基礎(chǔ)外側(cè)凈距為9.1+0.9+0.6=10.6m?？梢詽M足施工要求，運(yùn)營(yíng)過程中兩橋基礎(chǔ)相互影響小，平安又足夠的保障。三、計(jì)算依據(jù)3.1參考規(guī)范手冊(cè)古建筑防范工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范GB/T50452—2008動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50040—96建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2001爆破平安規(guī)程GB6722—2003樁基工程手冊(cè)建筑振動(dòng)工程手冊(cè)3.2計(jì)算原理沖擊鉆孔是用質(zhì)量為數(shù)噸的重錘，自數(shù)米高處自由落體沖擊地基土石，以達(dá)到鉆孔的目的。沖擊鉆孔是一種沖擊型振源，當(dāng)落錘沖擊地基土石時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波（包括體波和面波），從沖擊點(diǎn)向四周土體傳播，從而引起地面振動(dòng)。假定把土體看成是均質(zhì)各向同性彈性半空間，則其彈性波可分為體波和面波兩大類。體波包括縱波（壓縮波）及橫波（剪切波），面波一般呈瑞利波，3種彈性波占輸入能量的百分比為：瑞利波67%，剪切波26%，壓縮波7%。由于瑞利波占來自豎向振蕩振源總輸入能量的2/3，以及瑞利波隨距離的增加而衰減比體波慢得多等緣由，所以在離震源確定距離以為，對(duì)于位于或接近于地面的建筑物及其基礎(chǔ)，瑞利波在振動(dòng)中起主導(dǎo)作用。同時(shí)，對(duì)于隨意一個(gè)地面振動(dòng)而言，都包含有3個(gè)振動(dòng)參數(shù)，即振幅、速度、加速度。迄今為止，在評(píng)價(jià)有關(guān)振動(dòng)引起的危害性問題時(shí)，為何種參數(shù)為依據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)國(guó)家并不統(tǒng)一。目前國(guó)內(nèi)還沒有制定沖擊鉆孔振動(dòng)的環(huán)境平安允許標(biāo)準(zhǔn)，在具體評(píng)價(jià)強(qiáng)夯環(huán)境振動(dòng)影響時(shí)，基本上都參照《爆破平安規(guī)程》（GB6722—2003）中的相關(guān)規(guī)定，該規(guī)程規(guī)定：爆破振動(dòng)平安允許標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)愛惜對(duì)象類別平安允許振速／(cm/s)<10Hz10Hz～50Hz50Hz～100Hz1土窯洞、土坯房、毛石房屋a0.5～1.00.7～1.21.1～1.52一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物a2.0～2.52.3～2.82.7～3.03鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋a3.0～4.03.5～4.54.2～5.04一般古建筑和古跡b0.1～0.30.2～0.40.3～0.5美國(guó)的爆破規(guī)程確定的平安振動(dòng)速度界限值為5cm/s，即認(rèn)為當(dāng)建筑物的振動(dòng)速度5cm/s時(shí)，建筑物是平安的；顯見國(guó)內(nèi)的規(guī)程較美國(guó)的規(guī)程要求更加嚴(yán)格。四、計(jì)算過程4.1沖擊振動(dòng)振源振幅衰減特性沖擊鉆的工作特點(diǎn)是鉆頭瞬時(shí)沖擊孔底，造成孔底的局部破壞，鉆頭不會(huì)反彈回來。在兩次沖擊的時(shí)間間隔內(nèi)，一般由于沖擊在孔底形成振動(dòng)和此振動(dòng)在土體中的傳播（波動(dòng)）的耗散已經(jīng)完成。將沖擊簡(jiǎn)化為瞬時(shí)完成，其本身的振動(dòng)忽視不計(jì)。則由沖擊在孔底引起的振動(dòng)可以簡(jiǎn)化為有阻尼的自由振動(dòng)：（1）初始條件為：求解得：式中：即得衰減振動(dòng)的形式。衰減振動(dòng)的圓頻率小于無阻尼的自由振動(dòng)的圓頻率。設(shè)鉆頭的質(zhì)量為，以速度沖擊孔底，設(shè)表示沖擊影響土體的質(zhì)量，則。由于動(dòng)量守恒定理得：e的統(tǒng)計(jì)資料，確定沖擊引起的初始振動(dòng)PPV值：。將初始條件代入方程（2），得所以，振動(dòng)方程為：其振幅A為：由于自由振動(dòng)是一種諧振，其圓頻率：,為自由振動(dòng)的周期，取為0.35，故振動(dòng)的圓頻率為17.95rad/s。一般土層阻尼比取0.15。故衰減系數(shù)：因此，振動(dòng)隨時(shí)間的衰減方程的方程可表示為：（3）表明沖擊引起的振動(dòng)，其振幅隨時(shí)間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系衰減。時(shí)，即沖擊引起的最大振幅為；時(shí)，。也就是說，沖擊引起的最大振幅在1s內(nèi)衰減大于90%。4.2既有橋梁基礎(chǔ)處最大振動(dòng)峰值速度從閱歷上來看，W.P.Mayne總結(jié)了美國(guó)及其他國(guó)家的強(qiáng)夯沖擊加固土體方面的閱歷。由于強(qiáng)夯沖擊過程和鉆頭沖擊孔底的過程是類似的，區(qū)分在于前者的沖擊發(fā)生在地表，后者的沖擊發(fā)生在孔底，接受前者的閱歷對(duì)后者來說應(yīng)當(dāng)是偏于保守的。因此Mayne總結(jié)的振動(dòng)峰值速度閱歷公式可以為本工程所參考。PPV——振動(dòng)峰值速度(mm/s)；W——鉆頭質(zhì)量(ton)；H——鉆頭落距(m)；D——距沖擊點(diǎn)距離(m)。距既有橋梁基礎(chǔ)最近的鉆孔樁中心的距離為10.6米。則在沖擊鉆孔施工時(shí)，對(duì)就有橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)峰值速度，可按下列公式計(jì)算：五、結(jié)論綜合以