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平安评估一、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振动。当振动超过确定的限度时，就会对四周环境产生不利影响，危及四周建筑物等的稳定和平安。因此，对冲击钻孔施工引起的振动进行评估，是必要的。二、新建桥梁和既有桥梁基本资料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担当机动车过江交通（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。跨湘江主桥接受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。主桥主墩接受时下花瓶墩，桩基础；交接墩接受三柱式门架墩，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，依据我院托付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％=21300m³/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，依据湖南省航道管理局要求，本桥通航标准应当依据规划Ⅱ级航道考虑，须满足Ⅱ-3级航道标准。依据我国现行的内河通航标准，Ⅱ-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，最高通航水位依据二十年一遇水位接受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5.3~9.2m，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，跨越湘江的桥梁接受公铁两用的形式，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，接受铆接组合杆件，刚桁梁共重1913t。该桥设计建立于20世纪50年头，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。设计百年水位接受1924年历史最高水位59.9m，通航水位接受51.6m。水中桥墩接受片石混凝土变截面圆端形桥墩，基础接受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。经过细致细致的实地勘测，目前桥区铁路两侧建有大量房屋，为尽可能节约投资，必需尽量削减房屋的拆迁量，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接受钻孔灌注嵌岩桩基础，将承台顶置于河床表面以上1~2m，接受吊箱围堰施工水下基础，尽可能避开水下开挖以削减对既有桥的干扰，依据初步设计成果，新湘江大桥主墩承台横向宽19m，两桥中心距接受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，平安又足够的保障。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/T50452—2008动力机械基础设计规范GB50040—96建筑抗震设计规范GB50011—2001爆破平安规程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。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缘由，所以在离震源确定距离以为，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，对于随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平安允许标准，在具体评价强夯环境振动影响时，基本上都参照《爆破平安规程》（GB6722—2003）中的相关规定，该规程规定：爆破振动平安允许标准序号爱惜对象类别平安允许振速／(cm/s)<10Hz10Hz～50Hz50Hz～100Hz1土窑洞、土坯房、毛石房屋a0.5～1.00.7～1.21.1～1.52一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物a2.0～2.52.3～2.82.7～3.03钢筋混凝土结构房屋a3.0～4.03.5～4.54.2～5.04一般古建筑和古迹b0.1～0.30.2～0.40.3～0.5美国的爆破规程确定的平安振动速度界限值为5cm/s，即认为当建筑物的振动速度5cm/s时，建筑物是平安的；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，其本身的振动忽视不计。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：e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阅历上来看，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阅历。由于强夯冲击过程和钻头冲击孔底的过程是类似的，区分在于前者的冲击发生在地表，后者的冲击发生在孔底，接受前者的阅历对后者来说应当是偏于保守的。因此Mayne总结的振动峰值速度阅历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