冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估.doc

冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估一、前言冲击钻孔施工过程中由于钻孔机的激振，使钻点的土体产生振动，并以土体为介质向四周传播，从而激发周边建筑物的震动。当震动超过一定的限度时，就会对周围环境产生不利影响，危及周围建筑物等的稳定与安全。因此，对冲击钻孔施工引起的震动进行评估，是必要的。二、新建桥梁与既有桥梁基本资料2.1新建桥梁工程概况此次新建的横酃路西起蒸阳路口，连接湘桂路，上跨既有湘桂铁路沿既有横湘公铁路桥南侧25m（上游方向）并行，由新建横酃路湘江大桥承担机动车过江交通（桥上保留基本的人行道及检修道宽度），将原有横湘公铁路桥改为非机动车及行人的双向过江交通。新建的横酃路高架桥过到江东后跨越湘桂铁路，然后沿三化铁路专用线高架接上原设计东风路立交。跨湘江主桥采用五跨变高度连续箱梁，跨度布置为63.5+3122+63.5m。桥梁起点里程为MK0+443.710，终点里程为MK0+936.71，桥梁中心里程为MK0+690.210。主桥主墩采用时下花瓶墩，桩基础；交接墩采用三柱式门架墩，桩基础。2.2水文条件 湘江又称湘水，是湖南第一大河流，也是长江大支流之一。它发源于广西壮族自治区临桂县海洋坪的龙门界，流经广西的性兴安、全州及湖南的东安、永州、祁阳、衡阳、株洲、湘潭、长沙、望城等县市，至湘阴县濠河口分东南两支呼入洞庭湖。干流全长856公里（湖南境内约670公里），流域面积94660平方公里（湖南境内85383平方公里），多年平均流量664.9亿立方米。 本桥位于衡阳水文站上游约8.15Km，根据我院委托湖南省水文水资源局于2002年3月完成的长衡高速铁路桥位河段水文分析成果，衡阳水文站百年水位H1%=60.44m（1985国家高程基准，下同），二十年一遇水位H5%=58.24m，河床平均坡度j=1.2，由此推算本桥桥位处百年流量Q1=21300m/s，百年水位H1=61.39m，二十年一遇水位H5=59.22m。2.3航道条件 湘江是湖南省骨干航道之一，根据湖南省航道管理局要求，本桥通航标准应该按照规划级航道考虑，须满足-3级航道标准。 根据我国现行的内河通航标准，-3级航道的跨越航道建筑物要求净高10m，侧高6m，净宽75m，上底宽56m，最高通航水位按照二十年一遇水位采用59.18m。2.4地质概况 衡阳市横酃路立交桥A标段为衡阳断陷盆地中部，属湘江一级阶地，桥址跨越湘江，湘江由南流向北，江面宽约360m，水深5.39.2m，西岸为侵蚀岸。 一级阶地上部为第四系全新统冲积粘性土，厚34m，局部厚约有厚约05m的人工填土，河流表层为砾砂、圆砾、松散，厚约0.43.4m，下为第四系上更新统网纹状黏土，厚010.4m，亚粘土，松散，厚约05.9m，圆砾土012.3m。下伏基岩为下第三系渐始新统霞流市组E2+3x粉砂岩，全风化层厚约0.61.7m，强风化层厚约1.52.8m。2.5既有湘桂铁路公路两用桥概况 既有湘桂铁路为单线，跨越湘江的桥梁采用公铁两用的形式，桥梁上层为宽10m的公路桥面，下层为单线铁路明桥面，主跨布置为（260.5）m +（260.5）m +（260.5）m三联连续铆接刚桁梁。主跨线路条件为平坡直线，挡碴墙前墙间距为426.9m，主跨全长437.5m。节间长度6.05m，采用铆接组合杆件，刚桁梁共重1913t。 该桥设计建造于20世纪50年代，轨底标高66.62m，梁底标高64.92m，墩台顶标高63.92m，公路路面目前标高为74.3m。设计百年水位采用1924年历史最高水位59.9m，通航水位采用51.6m。水中桥墩采用片石混凝土变截面圆端形桥墩，基础采用片石混凝土扩大基础，底层顺桥向6.8m，横桥向12.8m，嵌入风化岩12m。 经过认真细致的实地勘测，目前桥区铁路两侧建有大量房屋，为尽可能节约投资，必须尽量减少房屋的拆迁量，因此新老两座湘江桥间距宜尽量小一些。 从既有湘江公铁两用桥竣工图可以看出，桥位处河床基岩较浅，地质条件良好。新建的横酃路跨湘江桥可采用钻孔灌注嵌岩桩基础，将承台顶置于河床表面以上12m，采用吊箱围堰施工水下基础，尽可能避免水下开挖以减少对既有桥的干扰，根据初步设计成果，新湘江大桥主墩承台横向宽19m，两桥中心距采用25m，则新桥承台外侧到既有桥扩大基础外侧净距为25-（19+12.8）/2=9.1m，新桥桩基中心到既有桥梁基础外侧净距为9.1+0.9+0.6=10.6m。可以满足施工要求，运营过程中两桥基础相互影响小，安全又足够的保障。三、计算依据3.1参考规范手册古建筑防范工业振动技术规范 GB/T 504522008动力机械基础设计规范 GB5004096建筑抗震设计规范 GB500112001爆破安全规程 GB67222003桩基工程手册建筑振动工程手册3.2计算原理冲击钻孔是用质量为数吨的重锤，自数米高处自由落体冲击地基土石，以达到钻孔的目的。 冲击钻孔是一种冲击型振源，当落锤冲击地基土石时，产生强大冲击波（包括体波和面波），从冲击点向四周土体传播，从而引起地面振动。 假定把土体看成是均质各向同性弹性半空间，则其弹性波可分为体波和面波两大类。体波包括纵波（压缩波）及横波（剪切波），面波一般呈瑞利波，3种弹性波占输入能量的百分比为：瑞利波67%，剪切波26%，压缩波7%。由于瑞利波占来自竖向振荡振源总输入能量的2/3，以及瑞利波随距离的增加而衰减比体波慢得多等原因，所以在离震源一定距离以为，对于位于或接近于地面的建筑物及其基础，瑞利波在振动中起主导作用。同时，对于任意一个地面振动而言，都包含有3个振动参数，即振幅、速度、加速度。迄今为止，在评价有关振动引起的危害性问题时，为何种参数为依据或标准，各个国家并不统一。目前国内还没有制定冲击钻孔振动的环境安全允许标准，在具体评价强夯环境振动影响时，基本上都参照爆破安全规程（GB67222003）中的相关规定，该规程规定：爆破振动安全允许标准序号保护对象类别安全允许振速(cm/s)10Hz10Hz50Hz50Hz100Hz1土窑洞、土坯房、毛石房屋a0.51.00.71.21.11.52一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物a2.02.52.32.82.73.03钢筋混凝土结构房屋a3.04.03.54.54.25.04一般古建筑与古迹b0.10.30.20.40.30.5美国的爆破规程确定的安全振动速度界限值为5cm/s，即认为当建筑物的振动速度5cm/s时，建筑物是安全的；显见国内的规程较美国的规程要求更加严格。四、计算过程4.1冲击振动振源振幅衰减特性冲击钻的工作特点是钻头瞬时冲击孔底，造成孔底的局部破坏，钻头不会反弹回来。在两次冲击的时间间隔内，一般由于冲击在孔底形成振动和此振动在土体中的传播（波动）的耗散已经完成。将冲击简化为瞬时完成，其本身的振动忽略不计。则由冲击在孔底引起的振动可以简化为有阻尼的自由振动： （1） 初始条件为： 求解得： 式中： 即得衰减振动的形式。衰减振动的圆频率小于无阻尼的自由振动的圆频率。 设钻头的质量为，以速度冲击孔底，设表示冲击影响土体的质量，则。由于动量守恒定理得： 由于土层参数缺乏，故据P.W.Mayne的统计资料，确定冲击引起的初始振动PPV值：。将初始条件代入方程（2），得 所以，振动方程为： 其振幅A为： 由于自由振动是一种谐振，其圆频率：,为自由振动的周期，取为0.35，故振动的圆频率为17.95rad/s。一般土层阻尼比取0.15。故衰减系数： 因此，振动随时间的衰减方程的方程可表示为： （3） 表明冲击引起的振动，其振幅随时间呈负指数关系衰减。时，即冲击引起的最大振幅为；时，。也就是说，冲击引起的最大振幅在1s内衰减大于90%。4.2既有桥梁基础处最大振动峰值速度从经验上来看，W.P.Mayne总结了美国及其他国家的强夯冲击加固土体方面的经验。由于强夯冲击过程与钻头冲击孔底的过程是类似的，区别在于前者的冲击发生在地表，后者的冲击发生在孔底，采用前者的经验对后者来说应该是偏于保守的。因此Mayne总结的振动峰值速度经验公式可以为本工程所参考。PPV 振动峰值速度(mm/s)；W 钻头质量(ton)；H 钻头落距(m)；D 距冲击点距离(m)。距既有桥梁基础最近的钻孔桩中心的距离为10.6米。则在冲击钻孔施工时，对就有桥梁基础产生的振动峰值速度，可按下列公式计算：五、结论综合以上研究，可以