新建特大橋?qū)扔泄┧垂こ逃绊懛治?/h1>
2021-08-18 06:05:04陳炫地
陜西水利 2021年7期
陳炫地
(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)
1 引言
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，新建工程經(jīng)常需要對(duì)已建工程產(chǎn)生擾動(dòng)，甚至在一些情況下會(huì)造成既有建筑物破壞的現(xiàn)象[1-3]。針對(duì)這一類工程，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段需要充分考慮新建工程對(duì)既有建筑的影響程度，若影響可控，方可進(jìn)行下一階段的研究；若擾動(dòng)較大，則需要考慮重新選址建設(shè)等[4-6]。目前，針對(duì)新建工程對(duì)既有工程影響的研究主要包括定性分析和定量計(jì)算兩個(gè)方面。結(jié)合新建特大橋工程，分析其對(duì)既有水源工程箱涵的影響。
2 工程概況
某特大橋以橋跨方式跨越某供水水源工程，跨越位置大橋樁號(hào)為DK143+880～DK143+913(對(duì)應(yīng)大橋墩號(hào)為92#～93#)?？缭轿恢媚彻┧垂こ痰臉短?hào)約為21+280。特大橋中心線與水源工程供水箱涵中心線夾角約為89°，大橋92#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為5.24 m，93#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為15.01 m。新建大橋與箱涵關(guān)系見圖1。
圖1 特大橋與供水箱涵三維布置圖
3 二維結(jié)構(gòu)安全分析
3.1 定性分析
3.1.1 樁基承載特性角度
新建特大橋跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩樁基直徑為1.0 m，樁的類型屬摩擦樁，采用旋挖鉆機(jī)施工。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》《樁基手冊(cè)》可知，對(duì)于摩擦樁，其在豎向極限荷載作用下，樁頂荷載全部或絕大部分由樁側(cè)阻力承擔(dān)，樁端阻力小到可以忽略的程度。
樁土體系的荷載傳遞機(jī)理：當(dāng)豎向荷載逐步施加于樁頂，樁身混凝土受到壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土的向下位移或位移趨勢(shì)時(shí)，樁側(cè)土抵抗樁側(cè)表面向下位移的向上摩阻力，即正摩阻力。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁身混凝土的壓縮也在樁的上部，樁側(cè)上部土的摩阻力得到逐步發(fā)揮，此時(shí)樁身中下部樁土相對(duì)位移較小或很小，其樁摩阻力發(fā)揮很小或尚未開始發(fā)揮作用。
隨樁頂荷載增加，樁身壓縮量或樁土相對(duì)位移量逐漸增大，樁側(cè)下部土層的摩阻力隨之逐步發(fā)揮出來(lái)，樁底土層也因樁端受力被壓縮而逐漸產(chǎn)生樁端阻力；當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，樁頂傳遞到樁端的阻力也增大，樁端土層的壓縮也逐漸增大，而樁端土層壓縮和樁身壓縮量加大了樁土相對(duì)位移，從而使樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮出來(lái)。由于黏性土樁土相對(duì)極限位移一般只有6 mm～12 mm，砂性土為8 mm～15 mm，所以當(dāng)樁土界面相對(duì)位移大于樁土極限位移后，樁身上部土的側(cè)阻就發(fā)揮到最大值并出現(xiàn)滑移(此時(shí)上部樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度一般出現(xiàn)跌落為殘余強(qiáng)度)，此時(shí)樁身下部土的側(cè)阻進(jìn)一步得到發(fā)揮，樁端阻力亦慢慢增大。當(dāng)樁端持力層產(chǎn)生破壞時(shí)，樁頂位移急劇增大，且往往承載力降低，此時(shí)表明樁已破壞。樁土體系荷載傳遞示意圖，見圖2。
根據(jù)樁土傳遞機(jī)理，特大橋樁基受力后，傳遞給土的摩擦力主要為豎直向，并不是水平向，且橋樁距離供水箱涵約5 m開外，因此定性分析初步判定大橋完成后，橋樁受力后對(duì)供水箱涵的影響是可控的。
圖2樁土荷載傳遞體系圖
3.1.2 樁基施工擠土效應(yīng)角度
根據(jù)《樁基手冊(cè)》，非擠土樁定義為：采用鉆孔、挖孔將與樁體積相同的土體排出，對(duì)周圍土體基本沒有擾動(dòng)而形成的樁。擬建特大橋樁基按成樁的工藝分類屬非擠土樁。因此在保證泥漿護(hù)壁正常發(fā)揮其功效情況下，初步判定樁基施工對(duì)供水箱涵的影響是可控的。
3.2 特大橋樁基對(duì)水源工程供水管影響定量分析
3.2.1 計(jì)算荷載
(1)自重
結(jié)構(gòu)自重按結(jié)構(gòu)實(shí)際重量計(jì)算。
(2)垂直、水平土壓力
由于箱涵頂部覆土較薄(才1 m厚)，垂直土壓力按全覆土計(jì)算。作用在單位長(zhǎng)度上管頂?shù)拇怪本己奢dqt按下式計(jì)算：
qt=KsγHd
(1)
式中：qt為垂直土壓力均布荷載，kN/m2；Hd為管頂以上填土高度，m；Ks為垂直土壓力系數(shù)；γ土容重，kN/m3。
考慮埋管兩端均有對(duì)稱回填土，埋管基本保持靜止不動(dòng)狀態(tài)，側(cè)向土壓力按靜止土壓力考慮，靜止土壓力系數(shù)為：
qt=KaγHdK0=1-sinφ′
(2)
式中：φ′為墻后填土的有效內(nèi)摩擦角，(°)。
(3)水壓力
本次計(jì)算外水壓力按地下水位位于地表進(jìn)行考慮。箱涵內(nèi)水壓力根據(jù)設(shè)計(jì)水壓力線按15 m考慮。
(4)墊層系數(shù)k0的取值
根據(jù)文克勒理論，假設(shè)地基表面任一點(diǎn)的沉降y(x)與該點(diǎn)單位面積上所受的壓力p(x)成正比，即：
p(x)=k0y(x)
(3)
式中：k0為常數(shù)，稱為墊層系數(shù)或沉陷系數(shù)。
根據(jù)箱涵基礎(chǔ)處理圖，基礎(chǔ)底部主要為10 cm厚C10砼墊層+20 cm厚碎石砂墊層+30 cm塊石墊層，綜合考慮取k0=20×104kN/m3。
3.2.2 計(jì)算工況
供水箱涵結(jié)構(gòu)分析計(jì)算主要包括承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。
1)承載能力極限狀態(tài)
持久狀況為：
荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力+內(nèi)水壓力。
短暫狀況為：
檢修期荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力。
承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：
KS≤R
(4)
式中：K為安全系數(shù)，荷載基本組合取1.20，偶然組合取1.0；S為荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。
①基本組合
當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起不利作用時(shí)：
S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k
(5)
當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起有利作用時(shí)：
S=0.95SG1k+0.95SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k
(6)
式中：SG1k為自重、設(shè)備等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG2k為土壓力、淤沙壓力機(jī)圍巖壓力等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG1k為一般可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG2k為可控制其不超過規(guī)定限制的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計(jì)值。
②偶然組合
S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k+1.0SAK
(7)
式中：Sak為偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。
2)正常使用極限狀態(tài)
正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：
Sk(Gk,Qk,fk,ak)≤c
(8)
式中：Sk(Gk,Qk,fk,ak)為正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值函數(shù)；c結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的變形、裂縫寬度或應(yīng)力等的限值；Gk、Qk分別為永久荷載、可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值；fk為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ak為持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合：自重+外水壓力+土壓力+內(nèi)水壓力。
輸水箱涵按Ⅱ級(jí)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，各計(jì)算工況根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)及各荷載同時(shí)存在的可能性，考慮計(jì)算工況見表1。
表1 計(jì)算工況表
3.2.3 計(jì)算結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，在基坑開挖后，箱涵配筋滿足承載力及裂縫驗(yàn)算要求(裂縫以三類環(huán)境0.25 mm控制)，見表2。因此，特大橋承臺(tái)基坑開挖對(duì)供水箱涵的影響基本可控。
表2 基坑開挖后箱涵內(nèi)力復(fù)核結(jié)果
4 結(jié)論
以新建特大橋工程為例，分析其建設(shè)過程中對(duì)既有供水工程箱涵的影響。通過定性分析，新建大橋采用摩擦樁，樁基受力后對(duì)箱涵影響較??；樁基開挖采用旋挖成孔，擠土效應(yīng)不顯著，樁基施工對(duì)箱涵影響較??；通過定量計(jì)算，不同工況基坑開挖后，箱涵結(jié)構(gòu)安全處于可控范圍內(nèi)。綜上所述，新建特大橋跨越既有供水工程的設(shè)計(jì)方案初步可行，可進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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陳炫地
(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)
1 引言
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，新建工程經(jīng)常需要對(duì)已建工程產(chǎn)生擾動(dòng)，甚至在一些情況下會(huì)造成既有建筑物破壞的現(xiàn)象[1-3]。針對(duì)這一類工程，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段需要充分考慮新建工程對(duì)既有建筑的影響程度，若影響可控，方可進(jìn)行下一階段的研究；若擾動(dòng)較大，則需要考慮重新選址建設(shè)等[4-6]。目前，針對(duì)新建工程對(duì)既有工程影響的研究主要包括定性分析和定量計(jì)算兩個(gè)方面。結(jié)合新建特大橋工程，分析其對(duì)既有水源工程箱涵的影響。
2 工程概況
某特大橋以橋跨方式跨越某供水水源工程，跨越位置大橋樁號(hào)為DK143+880～DK143+913(對(duì)應(yīng)大橋墩號(hào)為92#～93#)?？缭轿恢媚彻┧垂こ痰臉短?hào)約為21+280。特大橋中心線與水源工程供水箱涵中心線夾角約為89°，大橋92#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為5.24 m，93#橋墩樁基距離供水箱涵結(jié)構(gòu)邊線為15.01 m。新建大橋與箱涵關(guān)系見圖1。
圖1 特大橋與供水箱涵三維布置圖
3 二維結(jié)構(gòu)安全分析
3.1 定性分析
3.1.1 樁基承載特性角度
新建特大橋跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩樁基直徑為1.0 m，樁的類型屬摩擦樁，采用旋挖鉆機(jī)施工。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》《樁基手冊(cè)》可知，對(duì)于摩擦樁，其在豎向極限荷載作用下，樁頂荷載全部或絕大部分由樁側(cè)阻力承擔(dān)，樁端阻力小到可以忽略的程度。
樁土體系的荷載傳遞機(jī)理：當(dāng)豎向荷載逐步施加于樁頂，樁身混凝土受到壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土的向下位移或位移趨勢(shì)時(shí)，樁側(cè)土抵抗樁側(cè)表面向下位移的向上摩阻力，即正摩阻力。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁身混凝土的壓縮也在樁的上部，樁側(cè)上部土的摩阻力得到逐步發(fā)揮，此時(shí)樁身中下部樁土相對(duì)位移較小或很小，其樁摩阻力發(fā)揮很小或尚未開始發(fā)揮作用。
隨樁頂荷載增加，樁身壓縮量或樁土相對(duì)位移量逐漸增大，樁側(cè)下部土層的摩阻力隨之逐步發(fā)揮出來(lái)，樁底土層也因樁端受力被壓縮而逐漸產(chǎn)生樁端阻力；當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，樁頂傳遞到樁端的阻力也增大，樁端土層的壓縮也逐漸增大，而樁端土層壓縮和樁身壓縮量加大了樁土相對(duì)位移，從而使樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮出來(lái)。由于黏性土樁土相對(duì)極限位移一般只有6 mm～12 mm，砂性土為8 mm～15 mm，所以當(dāng)樁土界面相對(duì)位移大于樁土極限位移后，樁身上部土的側(cè)阻就發(fā)揮到最大值并出現(xiàn)滑移(此時(shí)上部樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度一般出現(xiàn)跌落為殘余強(qiáng)度)，此時(shí)樁身下部土的側(cè)阻進(jìn)一步得到發(fā)揮，樁端阻力亦慢慢增大。當(dāng)樁端持力層產(chǎn)生破壞時(shí)，樁頂位移急劇增大，且往往承載力降低，此時(shí)表明樁已破壞。樁土體系荷載傳遞示意圖，見圖2。
根據(jù)樁土傳遞機(jī)理，特大橋樁基受力后，傳遞給土的摩擦力主要為豎直向，并不是水平向，且橋樁距離供水箱涵約5 m開外，因此定性分析初步判定大橋完成后，橋樁受力后對(duì)供水箱涵的影響是可控的。
圖2樁土荷載傳遞體系圖
3.1.2 樁基施工擠土效應(yīng)角度
根據(jù)《樁基手冊(cè)》，非擠土樁定義為：采用鉆孔、挖孔將與樁體積相同的土體排出，對(duì)周圍土體基本沒有擾動(dòng)而形成的樁。擬建特大橋樁基按成樁的工藝分類屬非擠土樁。因此在保證泥漿護(hù)壁正常發(fā)揮其功效情況下，初步判定樁基施工對(duì)供水箱涵的影響是可控的。
3.2 特大橋樁基對(duì)水源工程供水管影響定量分析
3.2.1 計(jì)算荷載
(1)自重
結(jié)構(gòu)自重按結(jié)構(gòu)實(shí)際重量計(jì)算。
(2)垂直、水平土壓力
由于箱涵頂部覆土較薄(才1 m厚)，垂直土壓力按全覆土計(jì)算。作用在單位長(zhǎng)度上管頂?shù)拇怪本己奢dqt按下式計(jì)算：
qt=KsγHd
(1)
式中：qt為垂直土壓力均布荷載，kN/m2；Hd為管頂以上填土高度，m；Ks為垂直土壓力系數(shù)；γ土容重，kN/m3。
考慮埋管兩端均有對(duì)稱回填土，埋管基本保持靜止不動(dòng)狀態(tài)，側(cè)向土壓力按靜止土壓力考慮，靜止土壓力系數(shù)為：
qt=KaγHdK0=1-sinφ′
(2)
式中：φ′為墻后填土的有效內(nèi)摩擦角，(°)。
(3)水壓力
本次計(jì)算外水壓力按地下水位位于地表進(jìn)行考慮。箱涵內(nèi)水壓力根據(jù)設(shè)計(jì)水壓力線按15 m考慮。
(4)墊層系數(shù)k0的取值
根據(jù)文克勒理論，假設(shè)地基表面任一點(diǎn)的沉降y(x)與該點(diǎn)單位面積上所受的壓力p(x)成正比，即：
p(x)=k0y(x)
(3)
式中：k0為常數(shù)，稱為墊層系數(shù)或沉陷系數(shù)。
根據(jù)箱涵基礎(chǔ)處理圖，基礎(chǔ)底部主要為10 cm厚C10砼墊層+20 cm厚碎石砂墊層+30 cm塊石墊層，綜合考慮取k0=20×104kN/m3。
3.2.2 計(jì)算工況
供水箱涵結(jié)構(gòu)分析計(jì)算主要包括承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。
1)承載能力極限狀態(tài)
持久狀況為：
荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力+內(nèi)水壓力。
短暫狀況為：
檢修期荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力。
承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：
KS≤R
(4)
式中：K為安全系數(shù)，荷載基本組合取1.20，偶然組合取1.0；S為荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。
①基本組合
當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起不利作用時(shí)：
S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k
(5)
當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起有利作用時(shí)：
S=0.95SG1k+0.95SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k
(6)
式中：SG1k為自重、設(shè)備等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG2k為土壓力、淤沙壓力機(jī)圍巖壓力等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG1k為一般可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SG2k為可控制其不超過規(guī)定限制的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計(jì)值。
②偶然組合
S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k+1.0SAK
(7)
式中：Sak為偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。
2)正常使用極限狀態(tài)
正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：
Sk(Gk,Qk,fk,ak)≤c
(8)
式中：Sk(Gk,Qk,fk,ak)為正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值函數(shù)；c結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的變形、裂縫寬度或應(yīng)力等的限值；Gk、Qk分別為永久荷載、可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值；fk為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ak為持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合：自重+外水壓力+土壓力+內(nèi)水壓力。
輸水箱涵按Ⅱ級(jí)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，各計(jì)算工況根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)及各荷載同時(shí)存在的可能性，考慮計(jì)算工況見表1。
表1 計(jì)算工況表
3.2.3 計(jì)算結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，在基坑開挖后，箱涵配筋滿足承載力及裂縫驗(yàn)算要求(裂縫以三類環(huán)境0.25 mm控制)，見表2。因此，特大橋承臺(tái)基坑開挖對(duì)供水箱涵的影響基本可控。
表2 基坑開挖后箱涵內(nèi)力復(fù)核結(jié)果
4 結(jié)論
以新建特大橋工程為例，分析其建設(shè)過程中對(duì)既有供水工程箱涵的影響。通過定性分析，新建大橋采用摩擦樁，樁基受力后對(duì)箱涵影響較??；樁基開挖采用旋挖成孔，擠土效應(yīng)不顯著，樁基施工對(duì)箱涵影響較??；通過定量計(jì)算，不同工況基坑開挖后，箱涵結(jié)構(gòu)安全處于可控范圍內(nèi)。綜上所述，新建特大橋跨越既有供水工程的設(shè)計(jì)方案初步可行，可進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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