关于深基坑岩土工程地基承载力特征值估算方法研究

刘高喜，吴凤珍

（河南应用技术职业学院，河南 郑州 450000）

在很多施工项目具体施工的过程中，需要涉及深基坑的挖掘。为了确保工程整体的安全性，就需要对深基坑的施工质量进行把控。在深基坑施工的过程中，因为具有一定的挖掘深度，需要综合土方挖掘、支护、降水防护等诸多具体施工步骤，进而能够确保在深基坑挖掘的过程中有着更高质量的挖掘效果。特别是深基坑挖掘过程中的支护技术，在进行深基坑挖掘支护的过程中，有着很大的风险，这些风险大多数是由于地基压力值不稳定导致的。因此，在进行深基坑挖掘的过程中，就需要更加精准地估算地基承载力特征值。但是，由于深基坑挖掘深度较大，在很大程度上深基坑的地基会受到地下水的影响，导致地基压力值出现大范围波动，给实际估算带来较大阻碍。如果地基承载力特征值估算错误，则会直接影响深基坑支护效果，更是会给深基坑的施工和使用带来巨大的安全隐患。因此，在针对深基坑地基承载力值具体估算的过程中，需要结合地下水给深基坑地基带来的承载力变化影响，需要对深基坑工程的承载力特征值进行准确的估算。

1 深基坑岩土工程地基承载力特征值估算方法研究

针对深基坑岩土工程的地基承载力特征值进行估算的时候，一定要采取科学的估算手段进行估算，这样才能够更加准确地计算出深基坑地基的承载力。并且，在进行特征值估算的过程中，需要结合施工现场的地下水情况展开估算，要考虑到地下水给深基坑地基带来的影响。在此基础上进行深基坑支护，才能够更加确保支护效果相对安全，能够保障深基坑正常施工与使用。同时，在进行承载力特征值估算的过程中，还需要利用一个节点三维单元处理方式对所有数值进行处理，通过计算三维坐标中的位移量的方式最终对承载力特征进行估算。

1.1 估算地下水对岩土工程地基压力值

深基坑在挖掘的过程中，会受到来自地下水压力的影响，导致深基坑地基的承载力发生变化。特别是随着深基坑挖掘深度不断变化，地下水给地基的压力值也会不断发生变化。在深基坑具体挖掘的过程中，需要考虑到挖掘深度与地下水对地基压力值变化产生的影响。因此，在进行深基坑挖掘的过程中，就需要结合规范的公式，估算地下水给深基坑地基的压力值，通过科学计算压力值的方式，能够优化支护技术，确保深基坑施工安全。

在进行具体估算的过程中，需要保证轴心荷载，并且在此基础上，地基底面的压力应该满足Pr≤fa。在这个关系式中，fa代表的是修正之后的地基承载力的具体系数，而Pr表示的是相应的荷载效应标准组合。在结合两组系数进行地基压力承载力估算的过程中，需要满足关系式：pr=（fr·Gr）/S。在这个计算公式中，fr代表的是深基坑地基所承受的垂直关系的竖直力值；Gr代表的是地基的自身重量和土层的重量；S代表的是深基坑地基的实际面积。在进行具体计算的过程中，需要结合地基受到的地下水给的压力，并以地下水压力作为评估对象。在估算的过程中，首先设定深基坑地基的主体结构的宽度是地下水宽度的2倍，并且需要把超出载重部分折算到地基土层厚度确保有效力完整。同时，在计算的过程中，还需要考虑到地下水与深基坑的2种存在方式，在不同存在方式下估算的结果会有着很大的差异性。

（1）地下水与深基坑的第一种位置关系：地下水在深基坑地基的下面，且地下水与深基坑地基还有着很大距离，地下水对深基坑地基不产生浮力作用。在进行深基坑地基承载力计算的过程中，需要用到的公式为：Pr=（fr·Gr）/S-γH。在这个公式中γ所代表的是地下水的具体容量。通过对地下水容量的测量，并结合上述公式进行计算，是非常有必要的，其能够结合地下水给地基的实际浮力，对于后期深基坑支护强度设计有着很大的帮助；另外，H表示的是地下水的深度。水的浮力与其深度有着直接的关系，结合地下水的总量γ进在与H相乘，就能够算得更加准确的地下水给地基产生的浮力，在此基础上，能够具有更加详细的支护强度数据，对于提高深基坑的安全性有着很大的帮助。在：Pr=（fr·Gr）/S-γH公式的运用中，深基坑的地基没有受到地下水的浮力，一般情况下，只需要对土体给地基带来压力进行计算即可，计算出来的反方向力，就是深基坑的实际支护强度。

（2）地下水与深基坑的第二种位置关系：地下水水位超过了深基坑地基。在这种情况下，深基坑的地基所承受的力就会更加复杂，其中主要包括了地下水的浮力、周围土体的压力、支护设备等增强体的压力。在这种情况下，进行地基承载力特征值计算的过程中，就需要考虑到很多因素。首先，需要考虑到地基深入地下水水位的高度，这个高度值越大，地下水给地基带来的浮力也就越大。其次，还需要考虑深基坑增强体和支护设备给地基的压力。增强体和支护设备的压力，与两者的重量有着直接的关系，而增强体和支护设备的重量，又与地下水给深基坑地基的浮力有着直接的关系。因此，在这种情况下计算地基承载力特征值，就需要考虑非常多的因素。并且，地下水有着较大的不稳定性，在这个过程中，地基所承载的力也是不稳定的，所以在计算特征值的时候又会有着很大量的计算过程。

在地下水与地基的第二种位置关系下，为了确保特征值估算结果更加准确，一般情况下需要用到两个公式，分别是：fr=m（R/S）+β（1-m）ft和fr=m（R/S）+（1-m）fα。在这两个公式中，其中fr所代表的是进行修正之后的地基承载力系数。进行修正的内容主要包括了地下水给地基带来的浮力、地基周围增强体的压力、深基坑内支护设备给地基的压力等。另外，m所代表的是面积置换率，R代表的是地基桩之间的承载力系数。深基坑内会有很多地基桩，这些地基桩所承载的力，也会随着深基坑的深度变化而发生变化。再次，公式中的α表示的是土强度系数。随着深基坑挖掘不断深入，周围土体给深基坑带来的压力也会不断增强，进而土强度系数会随着深基坑挖掘深度的增加而提高。最后，公式当中的β代表的是桩间图强度折减系数。深基坑内的地基桩，会给其周围土体的强度带来变化，这与地基桩的埋入深度有着直接的关系。在fr=m（R/S）+β（1-m）fs和ft=m（R/S）+（1-m）fα公式具体应用的过程中，需要综合考虑到地基内的地下水深埋宽度。一般情况下，当深埋宽度＞3 m的时候，就需要对公式中的m数值进行修正，以确保对承载力特征值估算结果的相对准确性。

1.2 确定深基坑荷载系数

在对深基坑地基承载力特征值进行估算的过程中，还需要确定深基坑的荷载系数。地基的荷载系数，也就是地基所能够承受的最大的力。地基在深基坑内，需要承受深基坑基础力和上部结构的力。这些力都会直接作用到地基上，因此，需要确定深基坑的荷载系数大小。深基坑的荷载系数，与地基和上部结构两个方面有关系，所设计的结构科学性会直接影响到深基坑地基的荷载系数。在进行地基设在系数确定的实践中，需要应用到应力扩散法。该方法的应用，是将深基坑内的土层看作等效复合土层，并和下卧层共同组成两层地基。在进行荷载系数确定的过程中，需要充分考虑到地下水的作用，并在此基础上对承载力验算区域的荷载系数进行确定。承载力验算区域，主要包括有两个，也就是上述的等效复合土层，即加固区，另一个结构就是下卧层。

在进行深基坑地基荷载系数确定的过程中，还需要结合两种荷载类型进行系数的具体确定。这两种荷载类型分别为长方形基础与条形基础。在此基础上，进行系数确定的实践中，还需要用到公式：P2=Bdpf/（B+2Dtanθ）（d+2Dtanθ）。在该公式中，其中的B所代表的是荷载长度，d代表的是荷载宽度。上文论述到两种荷载类型，其中一种是长方形。所以，在进行长方形荷载类型系数计算的过程中，就需要用到B和d两个值。其次，公式中的Pf所代表的是深基坑地基上的作用荷载，也就是在地基上的加固区给地基施加的荷载力。另外，公式中的D所代表的是深基坑的加固深度。深基坑的加固深度会直接影响到地基荷载系数，在一定程度上，需要对D值进行精确计算与统计。最后，θ代表的是应力扩角度。在深基坑内，应力扩散是有角度的，所以，在进行荷载系数确定的时候，一定要对θ角进行科学的判定。

在上述公式的应用中，主要针对的是长方形基础荷载类型进行的计算。如果是针对长条形基础荷载类型进行计算，只需要将D与d排除在外即可，这样就能够对长条形荷载类型的荷载系数进行确定。

1.3 完成承载力特征值的估算

在结合上述公式与相关数据的基础上，需要对深基坑岩土地基承载力特征值进行估算，在实际估算的过程中，为了提高估算结果的准确性，一般情况下会运用到限元分析法。通过对公式中某个元进行限制，分类讨论的方式，能够在不同数值下对深基坑地基承载力特征值进行估算。这种估算方式虽然较为复杂，但是能够将诸多因素考虑在内，大幅度提高了估算结果的准确性。在实际应用的过程中，还可以将深基坑看做一个三维结构，在此基础上能够减少估算量，并且可以不影响到后期的估算结果。

2 实验检验

2.1 实验环境

实验选择了一个深度10 m、宽度为22 m的深基坑作为实验对象。在具体实验的过程中，确定了该深基坑采用的支护技术为土钉结构，并对该深基坑的岩土情况进行基础测量。在实验具体实施的过程中，需要选择深基坑内不同深度作为测试点，结合不同数值的应用做估算实验。

在具体操作中，确定好各个试验点之后，需要在试验点上安装电子位移计、压力机等测量数据的基础设备。

安装完成后，就可以对试验点进行处理，通过不断调整加载级别的方式，对试验点上的数值进行统计并用作实验分析。实验中，主要使用到了三种估算方法，分别是复合地基桩间土承载力特征值估算法、基础地基承载力数值估算法和深基坑岩土工程地基承载力特征值估算法。在进行估算的过程中，结合试验点统计到的数据进行特征值的估算。并且在估算的过程中还需要使用到有限元模型尺，对工程的实际情况与周围环境进行确定，并利用信息系统建立起有限元模型。

研究中，通过设计深基坑不同深度的试验点，可以有效模拟深基坑在实际挖掘中所承受的力。特别是能够在不同深度试验点的设计中，可以模拟地下水给深基坑带来的压力，并模拟深基坑支护强度。同时，在实验中，还针对三种不同估算方法进行特征值的估算，具有明显的对比意义，使研究结果更加完善。

2.2 实验结果分析

在上述实验准备的基础上，通过相关仪器测量到的不同深度的试验点数值作为本次实验的主要数据，并分别通过三种估算方式进行特征值的估算，最终对比哪种估算方法估算的结果准确率最高，且估算过程相对便捷。

由实验结果可知，以测量仪器得到的承载力数值为标准对比值，传统估算方法1得到的承载力数值与标准值相差最大，相差的沉降量数值平均在105 N左右；传统估算方法2得到的承载力数值与标准承载力值相差较大，与标准值相差60 N左右；而文中研究的特征值估算方法得到的测试点承载力数值与标准数值基本一致，误差在5 N左右。与两种估算方法相比，文中估算方法估算出的深基坑承载力数值更加准确，适合在实际估算中使用。因此，在现阶段下，进行深基坑地基承载力值进行估算的过程中，运用深基坑岩土工程地基承载力特征值估算法有着明显的优势，能够大幅度提高估算准确率。同时，在使用该估算法进行估算的过程中，需要重点结合地下水给深基坑地基带来的影响，进而确保估算结果更加准确。

3 总结

深基坑施工在当前诸多施工中都有涉及，特别是随着我国施工技术不断发展与进步，对深基坑施工质量要求也在不断提高。在此基础上，为了提高深基坑挖掘安全性与支护效果，就需要对深基坑地基承载力进行估算。在进行估算的过程中，采用深基坑岩土工程地基承载力特征值估算法应用效果最好，估算的结果除了更加准确以外，还具有估算步骤简单的优势。但是，该方法实际应用的过程中，还需要注意地下水给地基带来的浮力影响，需要综合考虑深基坑施工环节与要素进行估算。