新建特大橋對既有供水水源工程影響分析

陳炫地

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)

1 引言

隨著城市建設的不斷發展，新建工程經常需要對已建工程產生擾動，甚至在一些情況下會造成既有建筑物破壞的現象[1-3]。針對這一類工程，在規劃、設計階段需要充分考慮新建工程對既有建筑的影響程度，若影響可控，方可進行下一階段的研究；若擾動較大，則需要考慮重新選址建設等[4-6]。目前，針對新建工程對既有工程影響的研究主要包括定性分析和定量計算兩個方面。結合新建特大橋工程，分析其對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，跨越位置大橋樁號為DK143+880～DK143+913(對應大橋墩號為92#～93#)。跨越位置某供水水源工程的樁號約為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構邊線為5.24 m，93#橋墩樁基距離供水箱涵結構邊線為15.01 m。新建大橋與箱涵關系見圖1。

圖1 特大橋與供水箱涵三維布置圖

3 二維結構安全分析

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，采用旋挖鉆機施工。根據《建筑樁基技術規范》《樁基手冊》可知，對于摩擦樁，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阻力承擔，樁端阻力小到可以忽略的程度。

樁土體系的荷載傳遞機理：當豎向荷載逐步施加于樁頂，樁身混凝土受到壓縮而產生相對于土的向下位移或位移趨勢時，樁側土抵抗樁側表面向下位移的向上摩阻力，即正摩阻力。當樁頂荷載較小時，樁身混凝土的壓縮也在樁的上部，樁側上部土的摩阻力得到逐步發揮，此時樁身中下部樁土相對位移較小或很小，其樁摩阻力發揮很小或尚未開始發揮作用。

隨樁頂荷載增加，樁身壓縮量或樁土相對位移量逐漸增大，樁側下部土層的摩阻力隨之逐步發揮出來，樁底土層也因樁端受力被壓縮而逐漸產生樁端阻力；當荷載進一步增大，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位移，從而使樁側摩阻力進一步發揮出來。由于黏性土樁土相對極限位移一般只有6 mm～12 mm，砂性土為8 mm～15 mm，所以當樁土界面相對位移大于樁土極限位移后，樁身上部土的側阻就發揮到最大值并出現滑移(此時上部樁側土的抗剪強度由峰值強度一般出現跌落為殘余強度)，此時樁身下部土的側阻進一步得到發揮，樁端阻力亦慢慢增大。當樁端持力層產生破壞時，樁頂位移急劇增大，且往往承載力降低，此時表明樁已破壞。樁土體系荷載傳遞示意圖，見圖2。

根據樁土傳遞機理，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 樁基施工擠土效應角度

根據《樁基手冊》，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，對周圍土體基本沒有擾動而形成的樁。擬建特大橋樁基按成樁的工藝分類屬非擠土樁。因此在保證泥漿護壁正常發揮其功效情況下，初步判定樁基施工對供水箱涵的影響是可控的。

3.2 特大橋樁基對水源工程供水管影響定量分析

3.2.1 計算荷載

(1)自重

結構自重按結構實際重量計算。

(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算。作用在單位長度上管頂的垂直均布荷載qt按下式計算：

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；γ土容重，kN/m3。

考慮埋管兩端均有對稱回填土，埋管基本保持靜止不動狀態，側向土壓力按靜止土壓力考慮，靜止土壓力系數為：

qt=KaγHdK0=1-sinφ′

(2)

式中：φ′為墻后填土的有效內摩擦角，(°)。

(3)水壓力

本次計算外水壓力按地下水位位于地表進行考慮。箱涵內水壓力根據設計水壓力線按15 m考慮。

(4)墊層系數k0的取值

根據文克勒理論，假設地基表面任一點的沉降y(x)與該點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，稱為墊層系數或沉陷系數。

根據箱涵基礎處理圖，基礎底部主要為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 計算工況

供水箱涵結構分析計算主要包括承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計。

1)承載能力極限狀態

持久狀況為：

荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力+內水壓力。

短暫狀況為：

檢修期荷載基本組合：自重+外水壓力+土壓力。

承載能力極限狀態設計表達式為：

KS≤R

(4)

式中：K為安全系數，荷載基本組合取1.20，偶然組合取1.0；S為荷載效應組合設計值。

①基本組合

當永久荷載對結構起不利作用時：

S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k

(5)

當永久荷載對結構起有利作用時：

S=0.95SG1k+0.95SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k

(6)

式中：SG1k為自重、設備等永久荷載標準值產生的荷載效應；SG2k為土壓力、淤沙壓力機圍巖壓力等永久荷載標準值產生的荷載效應；SG1k為一般可變荷載標準值產生的荷載效應；SG2k為可控制其不超過規定限制的可變荷載標準值產生的荷載效應；R為結構構件的截面承載力設計值。

②偶然組合

S=1.05SG1k+1.20SG2k+1.20SQ1k+1.10SQ2k+1.0SAK

(7)

式中：Sak為偶然荷載標準值產生的荷載效應。

2)正常使用極限狀態

正常使用極限狀態設計表達式為：

Sk(Gk,Qk,fk,ak)≤c

(8)

式中：Sk(Gk,Qk,fk,ak)為正常使用極限狀態的荷載效應標準組合值函數；c結構構件達到正常使用要求所規定的變形、裂縫寬度或應力等的限值；Gk、Qk分別為永久荷載、可變荷載標準值；fk為材料強度標準值；ak為持久狀況標準組合：自重+外水壓力+土壓力+內水壓力。

輸水箱涵按Ⅱ級建筑物進行結構安全復核，各計算工況根據工程實際運行特點及各荷載同時存在的可能性，考慮計算工況見表1。

表1 計算工況表

3.2.3 計算結果

經計算，在基坑開挖后，箱涵配筋滿足承載力及裂縫驗算要求(裂縫以三類環境0.25 mm控制)，見表2。因此，特大橋承臺基坑開挖對供水箱涵的影響基本可控。

表2 基坑開挖后箱涵內力復核結果

4 結論

以新建特大橋工程為例，分析其建設過程中對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，樁基受力后對箱涵影響較小；樁基開挖采用旋挖成孔，擠土效應不顯著，樁基施工對箱涵影響較小；通過定量計算，不同工況基坑開挖后，箱涵結構安全處于可控范圍內。綜上所述，新建特大橋跨越既有供水工程的設計方案初步可行，可進行下一步優化設計。