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 第 页1 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 3 122 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 冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估 第 页2 跨越湘江 湘江由南流向北 江面宽约 360m 水深 5 3 9 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 3 4m 局部厚约有厚约 0 5m 的人工填土 河流表层为砾砂 圆砾 松散 厚约 0 4 3 4m 下为第四 系上更新统网纹状黏土 厚 0 10 4m 亚粘土 松散 厚约 0 5 9m 圆砾土 0 12 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 6 1 7m 强风化层厚约 1 5 2 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 2 60 5 m 2 60 5 m 2 60 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 1 2m 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 1 2m 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 50452 2008 动力机械基础设计规范 GB50040 96 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 爆破安全规程 GB6722 2003 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 冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估 第 页3 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 GB6722 2003 中的相关规定 该规程规定 爆破振动安全允许标准 安全允许振速 cm s 序号保护对象类别 10Hz10Hz 50H z 50Hz 100H z 1土窑洞 土坯房 毛石房屋 a 0 5 1 00 7 1 21 1 1 5 2一般砖房 非抗震的大型砌块建筑物 a 2 0 2 52 3 2 82 7 3 0 3钢筋混凝土结构房屋 a 3 0 4 03 5 4 54 2 5 0 4一般古建筑与古迹 b 0 1 0 30 2 0 40 3 0 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v 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 0mz tcz tkz 初始条件为 1 0 0 0 tz ttz tv 求解得 2222 11 cos t z teABt 式中 1 1 B arctg A 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 o 冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估 第 页4 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 o m o vm 量 则 由于动量守恒定理得 2 2 mck 1 oo o m v v mm 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 1 0 26 vm s 将初始条件代入方程 2 得 22 111 0 ABV 所以 振动方程为 22 1 22 sin t v z tet 其振幅 A 为 222 t oo o m v Ae km 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 2 T T 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 2 69 rads 因此 振动随时间的衰减方程的方程可表示为 3 2 69 0 015sin 17 95 t z tet 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0t 引起的最大振幅为 时 也就是说 冲击引 max 1 5Acm 1ts max 14 7 AA 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 冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估 第 页5 1 7 25 48 0 552 WH PPV D 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 1 7 1 7 25 48 0 552 84 25 480 552 10 6 25 4