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        挖井基礎(chǔ)空心與實(shí)心豎向承載差異性研究

        2020-05-28 11:27:52
        工程技術(shù)研究 2020年6期
        關(guān)鍵詞:挖井實(shí)心端部

        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)引入了這類環(huán)境中,并且得到了很好效果。由于這類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)按尺寸分類有圓形、矩形以及圓端形,按所處介質(zhì)環(huán)境分類有巖石挖井基礎(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)尺寸類似沉井基礎(chǔ),施工方式類似鉆孔灌注樁,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似,因此承載機(jī)理類似巖石介質(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)稱特點(diǎn)可建立軸對(duì)稱模型,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)

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