挖井基础空心与实心竖向承载差异性研究

2020-05-28彭钟

工程技术研究 2020年6期

彭钟

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400041）

近数十年来，我国交通线路发展迅速，交通网络遍布大江南北，西南地区自然地形地貌险峻，地质条件复杂，工程基础位置往往位于狭窄位置，使用传统桩基础形式存在桩基与承台外露的情况。为了在这类狭窄地段修建承载力高、抗倾覆强、占地面积小的基础，设计人员将黄土地区的挖井基础引入了这类环境中，并且得到了很好效果。由于这类狭窄位置的挖井基础埋深要远大于常规埋深，造成圬工量巨大，为了减少混凝土的使用量，降低工程成本，出现了内部不填充混凝土的空心挖井基础。挖井基础内部不填充混凝土是否会影响到竖向承载力也需要进行总结研究。

1 挖井基础研究现状

挖井基础介于明挖基础和桩基础之间，其最早应用于黄土地区中，由中铁第一勘察设计院提出概念，并成功在宝鸡-中卫铁路中进行开发应用，随后在黄土地区得到了广泛应用，并且在西南地区也逐渐得到了设计应用。挖井基础虽然出现时间长，但是国内相关研究工作稀少，早期有学者对实心挖井基础与空心挖井基础的研究也只是局限于黄土介质中常规埋深的情况，在目前西南软岩介质中关于大埋深的挖井基础承载性能研究还是一片空白。由于西南地区挖井基础埋深的增加，为了减少圬工量，挖井基础采用空心的形式是最有效的选择，而空心挖井基础与实心挖井基础在竖向承载特性方面的差异研究更是一片空白。在最新《铁路桥涵地基和基础设计规范》中虽然新增了挖井基础章节，但对空心挖井基础的说明还并没涉及，需要设计者自己把握，这也是研究工作的缺失造成的规范空白。

2 挖井基础特点

挖井基础按尺寸分类有圆形、矩形以及圆端形，按所处介质环境分类有岩石挖井基础与非岩石挖井基础，按内部是否填充混凝土又分为空心挖井基础与实心挖井基础。挖井基础尺寸类似沉井基础，施工方式类似钻孔灌注桩，是明挖基础的扩展，施工方式要求垂直开挖，一般在地下水位较深、岩土介质璧立性好的环境中施工，埋深尺寸一般15m 范围内，但在西南地区的工程中埋深早已超过了这一尺寸。挖井基础主要依靠端部承载，但是侧壁也提供侧阻力承载，只是相比端阻而言占比较小。在西南岩石地区的挖井基础由于埋深的较大，摩擦性得到了加强，加上施工方式与钻孔灌注桩类似，因此承载机理类似岩石介质中的钻孔灌注桩。

3 挖井基础有限元模拟

3.1 模拟思路

为研究挖井基础内部是否填充混凝土对竖向承载力的影响，实心挖井基础与空心挖井基础埋深都为20m，空心挖井基础直径4m，侧壁和顶板厚1m，其余部分不填充混凝土，实心挖井基础直径4m，内部填充完全，混凝土材料都采用C30，弹性模量30GPa，采用弹性模型；岩体介质材料选用同一参数的软岩，采用弹塑性模型，塑性部分采用Mohr-Coulombm 模型，粘聚力180kPa，内摩擦角25°，弹性模量1000MPa，剪胀角10°，岩体范围横向取10 倍基础直径，竖向取2 倍基础埋深；基础顶面施加合力为60MN 的均布荷载，分析步分为地应力平衡与加载分析步，地应力平衡分析步接触采用光滑接触，加载分析步采用摩擦系数0.5 的摩擦接触；岩体重度取22kN/m3，混凝土重度取24kN/m3；由于其对称特点可建立轴对称模型，可显著提高运算速度。