基坑开挖对天然地基承载力的影响研究

闫凤屿

（河北中色华冠岩土工程有限公司，河北 廊坊065201）

1 引言

在岩土工程施工中，基坑开挖工程的技术性及安全性变得越来越重要。在建筑工程施工中，由于岩土工程的不确定性，造成土体应力变化而变形是不确定的，因此，基坑工程出现事故的概率比主体结构发生的概率要大。对基坑开挖工程进行科学施工设计，可以提高地基承载力，进而保证岩土工程施工的安全性[1]。

2 地基承载力分析

地基承载力是在岩土工程中地基承受的荷载能力，地基承载力和地基岩土结构的物理性和地基深度都有一定的关系。地基承载力是建筑工程结构设计和施工的主要依据，可以保证地基施工的稳定性。在建筑岩土工程施工过程中，地基承载力在承受上部建筑物荷载的作用下，应力状态会发生变化。受应力的影响地基的土体会发生变形，这样建筑物会发生沉降的情况。如果在土体内某一点的剪应力和这个点地基土体受到的抗剪强度相等时，那么该点的极限平衡就会失效，这样就会发生地基剪切破坏的情况。地基承载力在施工设计中，变形指标和强度指标都要在规范的允许值内，这样建筑工程的地基承载力才可以发挥真正的作用[2]。

地基承载力确定的方法，一是通过土体抗剪强度进行计算；二是通过荷载试验和贯入试验等原位试验对地基承载力进行确定；三是通过载荷试验对数据进行分析来确定的查表法。随着有限元软件的发展和在岩土工程施工中的应用，在基坑开挖工程中通过有限元来对地基承载力进行模拟，这样可以对基坑开挖过程中地基承载力的变化进行有效的研究。

地基承载力主要是根据对地基土体的抗剪强度进行计算来确定的，地基土强度的影响因素很多，土体的抗剪强度和影响因素之间的关系可以通过公式（1）进行计算：

式中，e为地基岩土土体的孔隙比；φ为土体的摩擦角；C是土体的结构组成；c为土体的黏聚力；H为地基应力；T为施工温度；ε为地基的应变力；S为地基结构。

式（1）是普通的表达式，不能用函数式来表示，并且每个影响因素都不是相互独立的，可以相互叠加。

从式（1）中可以分析出，地基土强度的影响因素主要是土体本身的物理性质和外界应力的变化，其中，物理性质中主要的物理指标是摩擦角φ和孔隙比e；应力变化主要是地基应变力ε。在岩土工程施工中，基坑开挖工程受到内因物理性质和外因外界应力变化的共同作用。

地基破坏的形式包括整体、局部和冲切3 种剪切破坏形式，其中，整体剪切破坏通常发生在硬黏土地质条件的地基工程中，在荷载作用下浅地基发连续剪切作用而发生破坏。局部剪切破坏地基的某个范围内在荷载作用下会发生剪切破坏造成地基变形。冲切剪切破坏是指在软土的地质条件下，地基在浅基础荷载作用下土体垂直方向发生剪切破坏。

3 基坑开挖工程中地基承载力研究

建立基坑模型对基坑开挖工程中基坑内部位置的地基承载力进行分析，对不同土体地基承载力的变化情况进行研究，分析基坑荷载对地基承载力的影响[3]。

3.1 构建基坑承载力有限元模型分析

支护结构的设计选择地下连续墙，基坑开挖的深度设计为4m，选择地质结构较好的土体，这样地下连续墙的深度可以降低到8m，并把墙体的厚度减少到0.4m。本文对基坑施工设计的参数是长50m，宽25m，深度4m，基坑周边的荷载分布的宽度为5m，荷载大小的设计为25kPa，并且距离基坑边的距离设计为0m。有限元模型深度的值的计算根据应力影响范围进行确定，如公式（2）所示：

式中，hr为应力影响的深度；H为基坑开挖的深度。

基坑开挖的深度4m，那么，影响范围在基坑地面10m 左右。为了对基坑开挖造成的回弹变形进行充分的考虑，有限元模型的深度选择为25m。通过PLAXLS 3D 有限元软件对模型进行网格划分，这样，可以提高数值计算的准确度。PLAXLS 3D 有限元软件网格划分过程中，会自动对土体结构和土层以及荷载进行考虑[4]。

3.2 基坑地基承载力有限元分析

本文设计中基坑开挖的深度值为4m，在相同的基坑深度下，基坑内不同点的地基承载力都是不同的，点位置分布从支护结构到基坑中心位置，点的承载力变化是先减小然后增大。通过有限元模型的分析得出，与支护结构之间的距离小于3b/16，地基承载力最大，与支护结构的距离在3b/16 和b/2 之间的时候，地质承载力最小，其中，b是基坑的宽度。原因是由于基坑底部上面的基坑外面土体荷载的反作用，这样距离支护结构近的点的位置地基承载力比较大。

在基坑土体的回弹变形中，基坑开挖进行到4m 的时候，在基坑底部的中心位置土体变形非常明显，在基坑周边的边缘处土体变形的情况比较小。根据布辛奈斯克原理，在基坑底部土体的回弹变形中，基坑底部的中心位置和基坑边缘的变形差值比较小。基坑中间位置的土体受到应力后发生的塑性变形小，基坑边缘土体塑性变形大，主要是由于基坑中心位置的土体受到基坑外部土体的荷载影响小，因此，发生塑性变形程度也比较小。在岩土工程中，根据土体受力的情况进行分析，当地基土体发生塑性变形的时候，那么抗剪能力就会减小，地基承载力降低。基坑中心位置的土体结构发生比较小的塑性变形，那么地基承载力会提高。基坑边缘位置的土体虽然发生较大的塑性变形情况，但是，基坑底部以上的基坑外土体的荷载是均匀的，可以提高地基承载力。基坑坑外土体荷载发生反作用的时候，会对支护结构的地质承载力产生很大的影响，所以，通过分析本文可得出，支护结构具有较大的地基承载力[5]。

3.3 支护结构对地基承载力的作用分析

不同的支护结构，对基坑底部中心店在垂直方向发生的变形具有不同的影响。基坑开挖的深度越深，那么，基坑土体在垂直方向发生的变形情况就越大。主要是因为基坑开挖的深度值越大，卸荷量的值就会变得越大，这就会导致基坑土体在垂直方向发生较大的变形。采用基于放坡方法的基坑开挖方法，基坑坑底产生的变形量会多于采用支护结构的基坑坑底的变形量。主要是因为采用放坡基坑开挖的方式，基坑顶部土体有向坑内部移动的趋势，造成基坑坑底部发生变形。采用支护结构的基坑开挖，支护结构可以对基坑侧面的土体进行阻挡，那么，基坑顶部土体向基坑内部移动的趋势就会减慢，所以，采用支护结构的基坑开挖，基坑底部发生变形的情况比较小。卸荷比的值越小，那么基坑回弹的模量就会增加，基坑发生变形的概率就会变得困难。卸荷比R可以用公式（3）计算：

式中，Pmax为初始荷载值；Pi为卸载后的荷载值；h为基坑的深度；H为基坑土体的点和基坑底部之间的距离。

从公式（3）中可以分析，出基坑土体埋得越深，那么卸荷比的值就会变小，地基承载力变大，那么基坑变形的情况就会减少。

4 结语

本文通过有限元软件对基坑开挖进行模拟，对基坑地基承载力进行了研究，对基坑土体变形和地基承载力之间的关系进行了探究，从而找出了影响基坑变形的因素。本文研究提高了建筑工程的施工质量和水平，保证了岩土工程中地基施工的安全性，促进了岩土工程施工技术的发展和应用。