挖井基礎(chǔ)空心與實(shí)心豎向承載差異性研究

彭 鐘

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400041）

近數(shù)十年來(lái)，我國(guó)交通線路發(fā)展迅速，交通網(wǎng)絡(luò)遍布大江南北，西南地區(qū)自然地形地貌險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程基礎(chǔ)位置往往位于狹窄位置，使用傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)形式存在樁基與承臺(tái)外露的情況。為了在這類(lèi)狹窄地段修建承載力高、抗傾覆強(qiáng)、占地面積小的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員將黃土地區(qū)的挖井基礎(chǔ)引入了這類(lèi)環(huán)境中，并且得到了很好效果。由于這類(lèi)狹窄位置的挖井基礎(chǔ)埋深要遠(yuǎn)大于常規(guī)埋深，造成圬工量巨大，為了減少混凝土的使用量，降低工程成本，出現(xiàn)了內(nèi)部不填充混凝土的空心挖井基礎(chǔ)。挖井基礎(chǔ)內(nèi)部不填充混凝土是否會(huì)影響到豎向承載力也需要進(jìn)行總結(jié)研究。

1 挖井基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

挖井基礎(chǔ)介于明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)之間，其最早應(yīng)用于黃土地區(qū)中，由中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院提出概念，并成功在寶雞-中衛(wèi)鐵路中進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，隨后在黃土地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，并且在西南地區(qū)也逐漸得到了設(shè)計(jì)應(yīng)用。挖井基礎(chǔ)雖然出現(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)，但是國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作稀少，早期有學(xué)者對(duì)實(shí)心挖井基礎(chǔ)與空心挖井基礎(chǔ)的研究也只是局限于黃土介質(zhì)中常規(guī)埋深的情況，在目前西南軟巖介質(zhì)中關(guān)于大埋深的挖井基礎(chǔ)承載性能研究還是一片空白。由于西南地區(qū)挖井基礎(chǔ)埋深的增加，為了減少圬工量，挖井基礎(chǔ)采用空心的形式是最有效的選擇，而空心挖井基礎(chǔ)與實(shí)心挖井基礎(chǔ)在豎向承載特性方面的差異研究更是一片空白。在最新《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中雖然新增了挖井基礎(chǔ)章節(jié)，但對(duì)空心挖井基礎(chǔ)的說(shuō)明還并沒(méi)涉及，需要設(shè)計(jì)者自己把握，這也是研究工作的缺失造成的規(guī)范空白。

2 挖井基礎(chǔ)特點(diǎn)

挖井基礎(chǔ)按尺寸分類(lèi)有圓形、矩形以及圓端形，按所處介質(zhì)環(huán)境分類(lèi)有巖石挖井基礎(chǔ)與非巖石挖井基礎(chǔ)，按內(nèi)部是否填充混凝土又分為空心挖井基礎(chǔ)與實(shí)心挖井基礎(chǔ)。挖井基礎(chǔ)尺寸類(lèi)似沉井基礎(chǔ)，施工方式類(lèi)似鉆孔灌注樁，是明挖基礎(chǔ)的擴(kuò)展，施工方式要求垂直開(kāi)挖，一般在地下水位較深、巖土介質(zhì)璧立性好的環(huán)境中施工，埋深尺寸一般15m 范圍內(nèi)，但在西南地區(qū)的工程中埋深早已超過(guò)了這一尺寸。挖井基礎(chǔ)主要依靠端部承載，但是側(cè)壁也提供側(cè)阻力承載，只是相比端阻而言占比較小。在西南巖石地區(qū)的挖井基礎(chǔ)由于埋深的較大，摩擦性得到了加強(qiáng)，加上施工方式與鉆孔灌注樁類(lèi)似，因此承載機(jī)理類(lèi)似巖石介質(zhì)中的鉆孔灌注樁。

3 挖井基礎(chǔ)有限元模擬

3.1 模擬思路

為研究挖井基礎(chǔ)內(nèi)部是否填充混凝土對(duì)豎向承載力的影響，實(shí)心挖井基礎(chǔ)與空心挖井基礎(chǔ)埋深都為20m，空心挖井基礎(chǔ)直徑4m，側(cè)壁和頂板厚1m，其余部分不填充混凝土，實(shí)心挖井基礎(chǔ)直徑4m，內(nèi)部填充完全，混凝土材料都采用C30，彈性模量30GPa，采用彈性模型；巖體介質(zhì)材料選用同一參數(shù)的軟巖，采用彈塑性模型，塑性部分采用Mohr-Coulombm 模型，粘聚力180kPa，內(nèi)摩擦角25°，彈性模量1000MPa，剪脹角10°，巖體范圍橫向取10 倍基礎(chǔ)直徑，豎向取2 倍基礎(chǔ)埋深；基礎(chǔ)頂面施加合力為60MN 的均布荷載，分析步分為地應(yīng)力平衡與加載分析步，地應(yīng)力平衡分析步接觸采用光滑接觸，加載分析步采用摩擦系數(shù)0.5 的摩擦接觸；巖體重度取22kN/m3，混凝土重度取24kN/m3；由于其對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)可建立軸對(duì)稱(chēng)模型，可顯著提高運(yùn)算速度。

3.2 模擬結(jié)果云圖及分析

模型地應(yīng)力平衡效果如圖1、圖2 所示。

圖1 空心挖井基礎(chǔ)地應(yīng)力平衡效果云圖

由圖1、圖2 可知，兩個(gè)模型地應(yīng)力平衡最大位移量分別達(dá)到了10-4 和10-5 數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為對(duì)后續(xù)加載沒(méi)有影響，豎向應(yīng)力分布也沿深度成線性分布，地應(yīng)力平衡成功。

60MN 作用下端部巖體塑性區(qū)如圖3 所示，模型沉降如圖4 所示。

圖2 實(shí)心挖井基礎(chǔ)地應(yīng)力平衡效果

圖3 60MN 作用下端部巖體塑性區(qū)

圖4 60MN 作用下模型豎向沉降

由圖3 可知空心挖井基礎(chǔ)端部接觸巖體塑性應(yīng)變較大，分布范圍也較廣，這是由于空心挖井基礎(chǔ)端部承載面積小，端部接觸面壓強(qiáng)高，產(chǎn)生的塑性變形更嚴(yán)重，影響范圍也更廣。由圖4 可知空心挖井基礎(chǔ)豎向沉降要高于實(shí)心挖井基礎(chǔ)，這也是由于端部接觸面積沒(méi)有實(shí)心挖井基礎(chǔ)大，造成端部沉降更大，導(dǎo)致基礎(chǔ)整體沉降高。

3.3 影響機(jī)理分析

空心挖井基礎(chǔ)與實(shí)心挖井基礎(chǔ)側(cè)面積同為251.2m2，而底面積分別為9.42m2和12.56m2，在工況條件相同的情況下側(cè)阻力發(fā)揮差異性不大，軸力傳遞也就沒(méi)區(qū)別不高，主要的影響體現(xiàn)在P-S 曲線上，具體如圖5 所示。由曲線可知空心挖井幾乎P-S 曲線更陡，在豎向荷載作用下沉降更快。

圖5 P-S 曲線

4 工程經(jīng)濟(jì)性比較

文中空心挖井基礎(chǔ)混凝土用量為191.54m3，實(shí)心挖井基礎(chǔ)混凝土用量為251.2m3，空心挖井基礎(chǔ)要節(jié)省將近60m3的混凝土，在60MN 作用下的沉降只多2mm 不到，說(shuō)明軟巖環(huán)境中的空心挖井基礎(chǔ)確實(shí)可以有效降低工程造價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

挖井基礎(chǔ)內(nèi)部是否填充混凝土對(duì)基礎(chǔ)摩阻力與軸力傳遞影響不大，主要影響端部承載處巖土介質(zhì)的塑性變形程度與分布，空心挖井基礎(chǔ)豎向承載力較弱，沉降較快，在對(duì)沉降不敏感的工程中使用挖井基礎(chǔ)可以顯著降低造價(jià)