新建特大桥对既有供水水源工程影响分析

陈炫地

(深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518036)

1 引言

随着城市建设的不断发展，新建工程经常需要对已建工程产生扰动，甚至在一些情况下会造成既有建筑物破坏的现象[1-3]。针对这一类工程，在规划、设计阶段需要充分考虑新建工程对既有建筑的影响程度，若影响可控，方可进行下一阶段的研究；若扰动较大，则需要考虑重新选址建设等[4-6]。目前，针对新建工程对既有工程影响的研究主要包括定性分析和定量计算两个方面。结合新建特大桥工程，分析其对既有水源工程箱涵的影响。

2 工程概况

某特大桥以桥跨方式跨越某供水水源工程，跨越位置大桥桩号为DK143+880～DK143+913(对应大桥墩号为92#～93#)。跨越位置某供水水源工程的桩号约为21+280。特大桥中心线与水源工程供水箱涵中心线夹角约为89°，大桥92#桥墩桩基距离供水箱涵结构边线为5.24 m，93#桥墩桩基距离供水箱涵结构边线为15.01 m。新建大桥与箱涵关系见图1。

图1 特大桥与供水箱涵三维布置图

3 二维结构安全分析

3.1 定性分析

3.1.1 桩基承载特性角度

新建特大桥跨越水源工程供水箱涵的92#、93#墩桩基直径为1.0 m，桩的类型属摩擦桩，采用旋挖钻机施工。根据《建筑桩基技术规范》《桩基手册》可知，对于摩擦桩，其在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或绝大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力小到可以忽略的程度。

桩土体系的荷载传递机理：当竖向荷载逐步施加于桩顶，桩身混凝土受到压缩而产生相对于土的向下位移或位移趋势时，桩侧土抵抗桩侧表面向下位移的向上摩阻力，即正摩阻力。当桩顶荷载较小时，桩身混凝土的压缩也在桩的上部，桩侧上部土的摩阻力得到逐步发挥，此时桩身中下部桩土相对位移较小或很小，其桩摩阻力发挥很小或尚未开始发挥作用。

随桩顶荷载增加，桩身压缩量或桩土相对位移量逐渐增大，桩侧下部土层的摩阻力随之逐步发挥出来，桩底土层也因桩端受力被压缩而逐渐产生桩端阻力；当荷载进一步增大，桩顶传递到桩端的阻力也增大，桩端土层的压缩也逐渐增大，而桩端土层压缩和桩身压缩量加大了桩土相对位移，从而使桩侧摩阻力进一步发挥出来。由于黏性土桩土相对极限位移一般只有6 mm～12 mm，砂性土为8 mm～15 mm，所以当桩土界面相对位移大于桩土极限位移后，桩身上部土的侧阻就发挥到最大值并出现滑移(此时上部桩侧土的抗剪强度由峰值强度一般出现跌落为残余强度)，此时桩身下部土的侧阻进一步得到发挥，桩端阻力亦慢慢增大。当桩端持力层产生破坏时，桩顶位移急剧增大，且往往承载力降低，此时表明桩已破坏。桩土体系荷载传递示意图，见图2。

根据桩土传递机理，特大桥桩基受力后，传递给土的摩擦力主要为竖直向，并不是水平向，且桥桩距离供水箱涵约5 m开外，因此定性分析初步判定大桥完成后，桥桩受力后对供水箱涵的影响是可控的。

图2桩土荷载传递体系图

3.1.2 桩基施工挤土效应角度

根据《桩基手册》，非挤土桩定义为：采用钻孔、挖孔将与桩体积相同的土体排出，对周围土体基本没有扰动而形成的桩。拟建特大桥桩基按成桩的工艺分类属非挤土桩。因此在保证泥浆护壁正常发挥其功效情况下，初步判定桩基施工对供水箱涵的影响是可控的。

3.2 特大桥桩基对水源工程供水管影响定量分析

3.2.1 计算荷载

(1)自重

结构自重按结构实际重量计算。

(2)垂直、水平土压力

由于箱涵顶部覆土较薄(才1 m厚)，垂直土压力按全覆土计算。作用在单位长度上管顶的垂直均布荷载qt按下式计算：

qt=KsγHd

(1)

式中：qt为垂直土压力均布荷载，kN/m2；Hd为管顶以上填土高度，m；Ks为垂直土压力系数；γ土容重，kN/m3。

考虑埋管两端均有对称回填土，埋管基本保持静止不动状态，侧向土压力按静止土压力考虑，静止土压力系数为：

qt=KaγHdK0=1-sinφ′

(2)

式中：φ′为墙后填土的有效内摩擦角，(°)。

(3)水压力

本次计算外水压力按地下水位位于地表进行考虑。箱涵内水压力根据设计水压力线按15 m考虑。

(4)垫层系数k0的取值

根据文克勒理论，假设地基表面任一点的沉降y(x)与该点单位面积上所受的压力p(x)成正比，即：

p(x)=k0y(x)

(3)

式中：k0为常数，称为垫层系数或沉陷系数。

根据箱涵基础处理图，基础底部主要为10 cm厚C10砼垫层+20 cm厚碎石砂垫层+30 cm块石垫层，综合考虑取k0=20×104kN/m3。

3.2.2 计算工况

供水箱涵结构分析计算主要包括承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

1)承载能力极限状态

持久状况为：

荷载基本组合：自重+外水压力+土压力+内水压力。

短暂状况为：

检修期荷载基本组合：自重+外水压力+土压力。

承载能力极限状态设计表达式为：

KS≤R

(4)

式中：K为安全系数，荷载基本组合取1.20，偶然组合取1.0；S为荷载效应组合设计值。

①基本组合

当永久荷载对结构起不利作用时：

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

(5)

当永久荷载对结构起有利作用时：

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

(6)

式中：SG1k为自重、设备等永久荷载标准值产生的荷载效应；SG2k为土压力、淤沙压力机围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；SG1k为一般可变荷载标准值产生的荷载效应；SG2k为可控制其不超过规定限制的可变荷载标准值产生的荷载效应；R为结构构件的截面承载力设计值。

②偶然组合

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

(7)

式中：Sak为偶然荷载标准值产生的荷载效应。

2)正常使用极限状态

正常使用极限状态设计表达式为：

Sk(Gk,Qk,fk,ak)≤c

(8)

式中：Sk(Gk,Qk,fk,ak)为正常使用极限状态的荷载效应标准组合值函数；c结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度或应力等的限值；Gk、Qk分别为永久荷载、可变荷载标准值；fk为材料强度标准值；ak为持久状况标准组合：自重+外水压力+土压力+内水压力。

输水箱涵按Ⅱ级建筑物进行结构安全复核，各计算工况根据工程实际运行特点及各荷载同时存在的可能性，考虑计算工况见表1。

表1 计算工况表

3.2.3 计算结果

经计算，在基坑开挖后，箱涵配筋满足承载力及裂缝验算要求(裂缝以三类环境0.25 mm控制)，见表2。因此，特大桥承台基坑开挖对供水箱涵的影响基本可控。

表2 基坑开挖后箱涵内力复核结果

4 结论

以新建特大桥工程为例，分析其建设过程中对既有供水工程箱涵的影响。通过定性分析，新建大桥采用摩擦桩，桩基受力后对箱涵影响较小；桩基开挖采用旋挖成孔，挤土效应不显著，桩基施工对箱涵影响较小；通过定量计算，不同工况基坑开挖后，箱涵结构安全处于可控范围内。综上所述，新建特大桥跨越既有供水工程的设计方案初步可行，可进行下一步优化设计。