彭 鐘

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400041）

近數(shù)十年來，我國交通線路發(fā)展迅速，交通網(wǎng)絡遍布大江南北，西南地區(qū)自然地形地貌險峻，地質(zhì)條件復雜，工程基礎位置往往位于狹窄位置，使用傳統(tǒng)樁基礎形式存在樁基與承臺外露的情況。為了在這類狹窄地段修建承載力高、抗傾覆強、占地面積小的基礎，設計人員將黃土地區(qū)的挖井基礎引入了這類環(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埋深要遠大于常規(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。挖井基礎內(nèi)部不填充混凝土是否會影響到豎向承載力也需要進行總結研究。

1 挖井基礎研究現(xiàn)狀

挖井基礎介于明挖基礎和樁基礎之間，其最早應用于黃土地區(qū)中，由中鐵第一勘察設計院提出概念，并成功在寶雞-中衛(wèi)鐵路中進行開發(fā)應用，隨后在黃土地區(qū)得到了廣泛應用，并且在西南地區(qū)也逐漸得到了設計應用。挖井基礎雖然出現(xiàn)時間長，但是國內(nèi)相關研究工作稀少，早期有學者對實心挖井基礎與空心挖井基礎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)中關于大埋深的挖井基礎承載性能研究還是一片空白。由于西南地區(qū)挖井基礎埋深的增加，為了減少圬工量，挖井基礎采用空心的形式是最有效的選擇，而空心挖井基礎與實心挖井基礎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設計規(guī)范》中雖然新增了挖井基礎章節(jié)，但對空心挖井基礎的說明還并沒涉及，需要設計者自己把握，這也是研究工作的缺失造成的規(guī)范空白。

2 挖井基礎特點

挖井基礎按尺寸分類有圓形、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與非巖石挖井基礎，按內(nèi)部是否填充混凝土又分為空心挖井基礎與實心挖井基礎。挖井基礎尺寸類似沉井基礎，施工方式類似鉆孔灌注樁，是明挖基礎的擴展，施工方式要求垂直開挖，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了這一尺寸。挖井基礎主要依靠端部承載，但是側壁也提供側阻力承載，只是相比端阻而言占比較小。在西南巖石地區(qū)的挖井基礎由于埋深的較大，摩擦性得到了加強，加上施工方式與鉆孔灌注樁類似，因此承載機理類似巖石介質(zhì)中的鉆孔灌注樁。

3 挖井基礎有限元模擬

3.1 模擬思路

為研究挖井基礎內(nèi)部是否填充混凝土對豎向承載力的影響，實心挖井基礎與空心挖井基礎埋深都為20m，空心挖井基礎直徑4m，側壁和頂板厚1m，其余部分不填充混凝土，實心挖井基礎直徑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 倍基礎直徑，豎向取2 倍基礎埋深；基礎頂面施加合力為60MN 的均布荷載，分析步分為地應力平衡與加載分析步，地應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；由于其對稱特點可建立軸對稱模型，可顯著提高運算速度。

3.2 模擬結果云圖及分析

模型地應力平衡效果如圖1、圖2 所示。

圖1 空心挖井基礎地應力平衡效果云圖

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

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 實心挖井基礎地應力平衡效果

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 可知空心挖井基礎端部接觸巖體塑性應變較大，分布范圍也較廣，這是由于空心挖井基礎端部承載面積小，端部接觸面壓強高，產(chǎn)生的塑性變形更嚴重，影響范圍也更廣。由圖4 可知空心挖井基礎豎向沉降要高于實心挖井基礎，這也是由于端部接觸面積沒有實心挖井基礎大，造成端部沉降更大，導致基礎整體沉降高。

3.3 影響機理分析

空心挖井基礎與實心挖井基礎側面積同為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阻力發(fā)揮差異性不大，軸力傳遞也就沒區(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)濟性比較

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

5 結束語

挖井基礎內(nèi)部是否填充混凝土對基礎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，空心挖井基礎豎向承載力較弱，沉降較快，在對沉降不敏感的工程中使用挖井基礎可以顯著降低造價