基坑開挖對天然地基承載力的影響研究

閆鳳嶼

（河北中色華冠巖土工程有限公司，河北 廊坊065201）

1 引言

在巖土工程施工中，基坑開挖工程的技術(shù)性及安全性變得越來越重要。在建筑工程施工中，由于巖土工程的不確定性，造成土體應(yīng)力變化而變形是不確定的，因此，基坑工程出現(xiàn)事故的概率比主體結(jié)構(gòu)發(fā)生的概率要大。對基坑開挖工程進(jìn)行科學(xué)施工設(shè)計，可以提高地基承載力，進(jìn)而保證巖土工程施工的安全性[1]。

2 地基承載力分析

地基承載力是在巖土工程中地基承受的荷載能力，地基承載力和地基巖土結(jié)構(gòu)的物理性和地基深度都有一定的關(guān)系。地基承載力是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的主要依據(jù)，可以保證地基施工的穩(wěn)定性。在建筑巖土工程施工過程中，地基承載力在承受上部建筑物荷載的作用下，應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生變化。受應(yīng)力的影響地基的土體會發(fā)生變形，這樣建筑物會發(fā)生沉降的情況。如果在土體內(nèi)某一點(diǎn)的剪應(yīng)力和這個點(diǎn)地基土體受到的抗剪強(qiáng)度相等時，那么該點(diǎn)的極限平衡就會失效，這樣就會發(fā)生地基剪切破壞的情況。地基承載力在施工設(shè)計中，變形指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)都要在規(guī)范的允許值內(nèi)，這樣建筑工程的地基承載力才可以發(fā)揮真正的作用[2]。

地基承載力確定的方法，一是通過土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計算；二是通過荷載試驗和貫入試驗等原位試驗對地基承載力進(jìn)行確定；三是通過載荷試驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來確定的查表法。隨著有限元軟件的發(fā)展和在巖土工程施工中的應(yīng)用，在基坑開挖工程中通過有限元來對地基承載力進(jìn)行模擬，這樣可以對基坑開挖過程中地基承載力的變化進(jìn)行有效的研究。

地基承載力主要是根據(jù)對地基土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計算來確定的，地基土強(qiáng)度的影響因素很多，土體的抗剪強(qiáng)度和影響因素之間的關(guān)系可以通過公式（1）進(jìn)行計算：

式中，e為地基巖土土體的孔隙比；φ為土體的摩擦角；C是土體的結(jié)構(gòu)組成；c為土體的黏聚力；H為地基應(yīng)力；T為施工溫度；ε為地基的應(yīng)變力；S為地基結(jié)構(gòu)。

式（1）是普通的表達(dá)式，不能用函數(shù)式來表示，并且每個影響因素都不是相互獨(dú)立的，可以相互疊加。

從式（1）中可以分析出，地基土強(qiáng)度的影響因素主要是土體本身的物理性質(zhì)和外界應(yīng)力的變化，其中，物理性質(zhì)中主要的物理指標(biāo)是摩擦角φ和孔隙比e；應(yīng)力變化主要是地基應(yīng)變力ε。在巖土工程施工中，基坑開挖工程受到內(nèi)因物理性質(zhì)和外因外界應(yīng)力變化的共同作用。

地基破壞的形式包括整體、局部和沖切3 種剪切破壞形式，其中，整體剪切破壞通常發(fā)生在硬黏土地質(zhì)條件的地基工程中，在荷載作用下淺地基發(fā)連續(xù)剪切作用而發(fā)生破壞。局部剪切破壞地基的某個范圍內(nèi)在荷載作用下會發(fā)生剪切破壞造成地基變形。沖切剪切破壞是指在軟土的地質(zhì)條件下，地基在淺基礎(chǔ)荷載作用下土體垂直方向發(fā)生剪切破壞。

3 基坑開挖工程中地基承載力研究

建立基坑模型對基坑開挖工程中基坑內(nèi)部位置的地基承載力進(jìn)行分析，對不同土體地基承載力的變化情況進(jìn)行研究，分析基坑荷載對地基承載力的影響[3]。

3.1 構(gòu)建基坑承載力有限元模型分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇地下連續(xù)墻，基坑開挖的深度設(shè)計為4m，選擇地質(zhì)結(jié)構(gòu)較好的土體，這樣地下連續(xù)墻的深度可以降低到8m，并把墻體的厚度減少到0.4m。本文對基坑施工設(shè)計的參數(shù)是長50m，寬25m，深度4m，基坑周邊的荷載分布的寬度為5m，荷載大小的設(shè)計為25kPa，并且距離基坑邊的距離設(shè)計為0m。有限元模型深度的值的計算根據(jù)應(yīng)力影響范圍進(jìn)行確定，如公式（2）所示：

式中，hr為應(yīng)力影響的深度；H為基坑開挖的深度。

基坑開挖的深度4m，那么，影響范圍在基坑地面10m 左右。為了對基坑開挖造成的回彈變形進(jìn)行充分的考慮，有限元模型的深度選擇為25m。通過PLAXLS 3D 有限元軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣，可以提高數(shù)值計算的準(zhǔn)確度。PLAXLS 3D 有限元軟件網(wǎng)格劃分過程中，會自動對土體結(jié)構(gòu)和土層以及荷載進(jìn)行考慮[4]。

3.2 基坑地基承載力有限元分析

本文設(shè)計中基坑開挖的深度值為4m，在相同的基坑深度下，基坑內(nèi)不同點(diǎn)的地基承載力都是不同的，點(diǎn)位置分布從支護(hù)結(jié)構(gòu)到基坑中心位置，點(diǎn)的承載力變化是先減小然后增大。通過有限元模型的分析得出，與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的距離小于3b/16，地基承載力最大，與支護(hù)結(jié)構(gòu)的距離在3b/16 和b/2 之間的時候，地質(zhì)承載力最小，其中，b是基坑的寬度。原因是由于基坑底部上面的基坑外面土體荷載的反作用，這樣距離支護(hù)結(jié)構(gòu)近的點(diǎn)的位置地基承載力比較大。

在基坑土體的回彈變形中，基坑開挖進(jìn)行到4m 的時候，在基坑底部的中心位置土體變形非常明顯，在基坑周邊的邊緣處土體變形的情況比較小。根據(jù)布辛奈斯克原理，在基坑底部土體的回彈變形中，基坑底部的中心位置和基坑邊緣的變形差值比較小。基坑中間位置的土體受到應(yīng)力后發(fā)生的塑性變形小，基坑邊緣土體塑性變形大，主要是由于基坑中心位置的土體受到基坑外部土體的荷載影響小，因此，發(fā)生塑性變形程度也比較小。在巖土工程中，根據(jù)土體受力的情況進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)鼗馏w發(fā)生塑性變形的時候，那么抗剪能力就會減小，地基承載力降低。基坑中心位置的土體結(jié)構(gòu)發(fā)生比較小的塑性變形，那么地基承載力會提高。基坑邊緣位置的土體雖然發(fā)生較大的塑性變形情況，但是，基坑底部以上的基坑外土體的荷載是均勻的，可以提高地基承載力。基坑坑外土體荷載發(fā)生反作用的時候，會對支護(hù)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)承載力產(chǎn)生很大的影響，所以，通過分析本文可得出，支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的地基承載力[5]。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)對地基承載力的作用分析

不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)，對基坑底部中心店在垂直方向發(fā)生的變形具有不同的影響。基坑開挖的深度越深，那么，基坑土體在垂直方向發(fā)生的變形情況就越大。主要是因為基坑開挖的深度值越大，卸荷量的值就會變得越大，這就會導(dǎo)致基坑土體在垂直方向發(fā)生較大的變形。采用基于放坡方法的基坑開挖方法，基坑坑底產(chǎn)生的變形量會多于采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑坑底的變形量。主要是因為采用放坡基坑開挖的方式，基坑頂部土體有向坑內(nèi)部移動的趨勢，造成基坑坑底部發(fā)生變形。采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以對基坑側(cè)面的土體進(jìn)行阻擋，那么，基坑頂部土體向基坑內(nèi)部移動的趨勢就會減慢，所以，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開挖，基坑底部發(fā)生變形的情況比較小。卸荷比的值越小，那么基坑回彈的模量就會增加，基坑發(fā)生變形的概率就會變得困難。卸荷比R可以用公式（3）計算：

式中，Pmax為初始荷載值；Pi為卸載后的荷載值；h為基坑的深度；H為基坑土體的點(diǎn)和基坑底部之間的距離。

從公式（3）中可以分析，出基坑土體埋得越深，那么卸荷比的值就會變小，地基承載力變大，那么基坑變形的情況就會減少。

4 結(jié)語

本文通過有限元軟件對基坑開挖進(jìn)行模擬，對基坑地基承載力進(jìn)行了研究，對基坑土體變形和地基承載力之間的關(guān)系進(jìn)行了探究，從而找出了影響基坑變形的因素。本文研究提高了建筑工程的施工質(zhì)量和水平，保證了巖土工程中地基施工的安全性，促進(jìn)了巖土工程施工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。