辽宁省建筑设计研究院岩土工程有限责任公司 辽宁沈阳 110005
摘要：改革开放以来，基坑工程建设达到了飞跃式的发展，基坑的规模和深度不断的加大，基坑周边的环境也越发复杂。对于北上广等大中型城市，由于可供开发的土地越发减少，如今可开挖的基坑项目周边往往是建筑物林立，地下管线密集。基坑开挖必定会对天然地基承载力带来影响，处理不当将会带来严重的社会影响。
关键词：基坑开挖；天然地基承载力；影响分析
1工程概况
本文以某项目为例，对某双层地下车库基坑开挖施工对周围天然地基承载力的影响做出分析，本车库基坑开挖深度为为9．3m，面积约3995m2，基坑长度为71．25m，宽度为62．5m。工程项目周边为天然地基，属于未开发状态，因此以本项目为例，做出相关研究。某双层地下车库基坑开挖地位于平原腹地，场地平整。
2基坑开挖对天然地基承载力研究
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。
2.1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：
hr=f（H）=H0.06H+0.2
（2）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PLAXLS3D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。PLAXLS3D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。
2.2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。
3.基坑开挖对天然地基承载力的影响模型建立
3．1几何模型
结合该工程的实际情况，建立模型如下：基坑开挖对土体会造成一定的扰动，参阅相关文献，结合实际经验得知，一般扰动范围的水平向取基坑开挖深度的3～5倍以上，竖直向选取基坑开挖深度的2～4倍以上。综上计算模型的几何尺寸X、Y、Z分别取为180m、180m、55m。
3．2地层模型
根据地质资料，基坑所在地层包含杂填土（4．5m）、砂土状强风化花岗岩（4．8m）、碎石状强风化花岗岩（4．8m）和中风化花岗岩（45．7m）。
在MidasGTSNX中建立矩形实体几何模型，利用GTSNX提供的分割功能，将完整的矩形实体用各地层模型进行分割，从而建立起与实际情况相符的几何模型。
3．3有限元模型
为了实现对基坑开挖整个过程最大程度的准确模拟，对计算模型作如下假定说明：
（1）在基坑开挖过程中忽略土体变形的时间效应。
（2）考虑土体的分层，且各层土体均为各向同性的弹塑性体，其他结构考虑为弹性体。荷载和边界条件计算过程中涉及到的荷载主要包括各土层的自重和近邻建筑物的荷载。其中，邻近建筑物在模型中使用无重力柱和无重力板建立，将建筑物的重量通过集中力的形式分布在建筑物的柱脚来实现，只考虑其刚度影响。其中办公楼每根桩所受集中力为－6187kN，大厦每根桩所受集中力为－1250kN；边界条件为约束有限元模型各侧面的法向位移和底面的法、切向位移。
3.4基坑开挖对天然地基的影响
基坑开挖过程中，ST测线所在的土体在基坑开挖过程中主要发生沿X正方向的侧移和Z正方向的位移，XY测线所在的土体在基坑开挖过程中主要发生沿Y正方向的侧移和Z正方向的位移，由此绘制相应的位移曲线如图1所示。
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图1 ST测线所在土体位移曲线
由曲线图可知：基坑周围土体的侧向位移随基坑开挖深度的增加而减小，上浮值则随基坑开挖深度的增加而增大；ST测线土体X方向的侧移在中间区域基本不受开挖深度影响，只在左右两侧呈现出上述规律；XY测线土体的侧向位移和上浮值曲线有以下规律：在测线左端急剧增大，中间部分小幅上下波动，在接近测线末端时急剧下降。取放坡土体中心的UV测线，绘制该测线X方向的侧向位移曲线，根据曲线图，沿纵深方向土体X方向的侧移随开挖深度的增加而增大，且沿纵深方向X方向的侧移整体表现出“先增后减”的规律，但中间部分存在较大的上下波动。
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图2 放坡土体XY测线位移曲线
结语
综上所述，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，同时对基坑开挖对天然地基承载力影响进行分析，保证岩土工程中地基施工的安全性，促进岩土工程施工技术的发展和应用，提高相关行业可持续发展。
参考文献：
[1]黄宏伟，黄栩，Schweiger，等.基坑开挖对下卧运营盾构隧道影响的数值模拟研究[J].土木工程学报，2012（3）：182-189.