软土基坑开挖时空效应研究综述

胡子萱，林锦眉，卢集富

（ 广东工业大学华立学院 城建学院，广东 广州 511325 ）

软土强度低，含水量高，渗透性差，具有明显的蠕变性，即强度和变形随着时间逐渐发展。在软土地区开挖基坑会产生较大的附加变形，使基坑紧邻的周边建筑发生沉降、倾斜、开裂甚至倒塌，在城市中心和市政设施密集地区，还会使地下管线发生移位和断裂，所以软土地区基坑工程问题必须引起重视。目前，在基坑设计中，基坑支护体系普遍采用的是弹性理论，将支护结构和坑内被动土体假定为理想弹性体进行计算。许多学者[1-2]发现理想弹性理论计算结果与实际相比，内力偏大变形偏小。造成差异的主要原因是没有考虑基坑开挖过程中的“时空效应”。软土自身的蠕变性使得围护结构和周围地层的位移变形随暴露时间的延长而增长，这种随时间发展的变形即软土基坑开挖“时间效应”，基坑开挖方式及卸荷模式引起的变形即软土基坑开挖“空间效应”。近年来，随着岩土数值软件的发展，可以将理论研究成果应用于基坑开挖数值仿真模拟，结合实际监测数据，既可以验证理论的合理性，也可以优化施工。

1.软土基坑开挖时间效应研究

对基坑时间效应的研究，主要集中在三个方面：一是土体自身蠕变性对基坑支护结构的影响；二是支护结构施作时间对基坑变形的影响；三是基坑开挖时间对支护结构变形的影响。针对软土蠕变性质对基坑开挖时间效应影响，国内许多学者进行大量研究，并取得丰硕的成果。陈乐意[3]采用二维PLAXIS有限元软件对基坑开挖进行模拟，将两个分别考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应的Mohr-Coulomb本构模型算例进行对比分析，发现只有考虑蠕变效应的算例结果才能体现围护结构变形随时间发展 ，与实际监测数据变化规律相似。大量实践证明，二维分析结果较实际数据偏大，因为二维分析没有考虑空间约束对基坑变形的影响。基坑是具有长、宽、高的空间几何形状，属于三维问题，采用三维分析可以得出基坑外侧地下管线，隧道及周边建筑物的变形情况，从而对基坑开挖引起周边环境问题及时有效处理。本构模型选取是三维分析的核心问题。在数值分析中常用的本构模型有Mohr-Coulomb本构模型、修正剑桥模型、Duncan-Chang模型、Drucker-Prager模型、硬化模型，其中修正剑桥模型考虑了应力路径的影响，与实际基坑开挖工程情况更为接近，但参数较多，模型复杂，在工程应用中较为困难。土体的蠕变性与许多因素有关，而且具有明显的地域差异性，于是许多学者对已有的本构模型进行改进和优化，研究更能描述研究土体蠕变特性的本构模型。

黄钰浩[4]等人以宁波某基坑工程为研究对象，选用SSC模型利用PLASIS有限元软件动态模拟基坑开挖过程，计算结果表明地下连续墙、内支撑以及坑周地表沉降会随着时间逐渐增大，坑底隆起随时间变形不明显。

王志鹏[5]等人利用实际基坑工程算例检验流固耦合模型程序的正确性，在此基础上对不同基坑开挖速率下地表沉降、桩顶位移及桩后土体超静空隙水压力进行分析，研究表明，开挖速率越大坑侧土体越早出现剪切破坏。刘畅[6]等人采用PLASIS有限元软件中三维软土模型，结合工程实例，计算了反压土对围护结构内力、变形和土体应力的时间效应，结果表明，缩短工期减少反压土暴露时间，同时对反压土进行一定加固，可减少反压土蠕变变形，增强基坑稳定性。王国粹[7]等人以上海中山医院最为工程算例，采用基于流变效应的有限元模型对逆作法施工的基坑进行模拟，计算表明，考虑流变效应的分析方法能较好地反映逆作法施工时间长对围护结构和坑周土体变形带来的时间效应。冯怀平[8]等人基于比奥固结理论和修正剑桥模型建立流固耦合模型，以车站深基坑为算例，对基坑降水过程中的渗流固结进行模拟，将计算得出的渗流场分布、基坑水土压力、坑周土体沉降、坑底土体隆起以及地下连续墙的变形规律与实际监测数据进行比较，发现考虑流固耦合作用的分析法能较好反映基坑渗流和变形特征。

2.软土基坑开挖空间效应研究

基坑是一个三维空间受力体系，基坑开挖逐步卸除上覆土体，释放基坑周围土体应力，破坏基坑土体原有的平衡状态，随着支护结构支设，使基坑受力达到新的平衡状态，土体与支护结构变形和受力相互影响的性质为“空间效应”。对基坑空间效应的研究最早是国外科学家通过对基坑周边地层监测数据分析，结合力学理论，发现基坑周边地层应力-应变变化与基坑规模、形状密切相关。借鉴前人的研究成果，后来的国内外学者对影响基坑变形的诸多因素进行了研究。随着计算机技术发展，数值分析法如有限元法、边界元法和离散元法等在基坑工程中得到了广泛的应用。目前国内学者对基坑空间效应的研究主要集中在两个方面，一是基坑开挖方式，开挖时间，开挖次序，开挖形状等施工参数对支护结构及基坑周边土体的变形的影响；二是运用数值分析时，对基坑支护结构和土体本构模型选取的研究。

宋梦[9]利用Midas-GTS有限元软件以郑州市地铁一号线桐柏路车站基坑为研究对象，考虑基坑空间尺寸对基坑开挖变形的影响，建立了超挖模型和阶梯开挖模型，分析对比两个模型下支护桩、地表沉降、坑底隆起随开挖工况的变形，发现阶梯型开挖可以减小变形。李博[10]以北京朝阳区某基坑为依托，利用FLAC3D有限元软件对基坑开挖空间效应规律进行研究。首先建立实际开挖工况下的模型，提取相应数据点与实测数据进行对比，验证模型的合理性。然后在此模型基础上，分别研究先撑后挖与先挖后撑、开槽与不开槽、支撑架设位置与时机等四种施工工艺对基坑变形的影响。发现先撑后挖，开槽开挖以及合理布设支撑可减少基坑变形。孙伟[11]利用Midas-GTS有限元软件对基坑支护中桩间距、挡土板厚度、水平支撑竖向位置等施工参数进行模拟研究，研究成果表明，桩间距和挡土板厚度在一定合理范围内可减少桩间土位移。第二道和第三道支撑的下移可改善桩顶水平位移。高宣[12]利用有限元软件ABAQUS建立了基坑开挖三维数值分析模型，研究了支护结构的水平位移和土压力随随空间位置的变化规律以及支护结构的水平位移和土压力随基坑三维尺寸的变化规律，结果表明在基坑角部支护结构变形较小而土压力较大，在基坑中部结构变形较大而土压力较小；在临界长宽比范围内，空间效应对支护结构的影相随基坑长宽比增大，超过临界长宽比，空间效应不明显。

目前对软土基坑空间效应的研究多数是通过有限元软件对施工过程进行反分析计算，确定出与实际施工过程接近的施工参数，然后改变某一施工参数，如水平支撑位置和竖向间距、支撑架设时机、支撑架设与开挖的先后顺序等，对比分析，对基坑施工进行优化。这种方法缺乏精准的理论依据以及施工阶段、工法等方面的考虑。无论是实际工程还是大部分理论研究，基坑理论计算采用的是轴向加荷理论，与基坑实际开挖应力路径不符。所以，有学者开始探讨轴向或侧向卸荷路径下基坑的变形并对基坑开挖卸荷路径参数进行研究。

李俊杰[13]等人以深圳淤泥质软土为研究对象，利用TSZ全自动应力控制三轴仪开展系列KO固结不排水卸荷试验，根据试验数据并以邓肯-张模型为基础，求得不同超静孔隙水压和卸荷比条件下卸荷模量公式，为基坑卸荷数值分析的本构模型选取提供参考。杨涛[14]等人基于明德林解析解和复合辛普森公式进行数值积分求解得出基坑侧壁卸荷与坑底卸荷同时作用下土体内桩体位置处的水平附加应力，然后采用Kerr三参数地基模型建立公路桥梁桩基的挠曲微分方程,结合水平附加应力,利用有限差分数值计算方法得到桩基挠曲微分方程的数学解析矩阵表达式，利用实际工程算例验证模型有效性后，分析桩基轴向荷载大小、基坑与桩基距离及基坑三维尺寸等因素对基坑变形的影响。邓尧[15]采用三轴剪切仪对深圳市海相沉积软土进行卸荷应力路径试验，对比加荷与卸荷路径下的抗剪强度，发现卸荷状态下土体的抗剪强度会降低。根据试验数据采用邓肯-张模型推导思路建立卸荷切线模量公式。利用FLAC3D有限元分析软件建立卸荷参数下的基坑开挖模型，对比实测数据，验证了卸荷模型的合理性。

3.结语

基坑开挖是一项复杂的工程，耗时长、施工环境复杂、基坑变形影响因素多。伴随着深度和规模更大基坑的出现，基坑变形控制需要上升到新的高度。目前许多专家和学者利用数值仿真软件对基坑开挖进行模拟，探讨基坑变形影响因素及控制措施。由于土体具有很强的蠕变和卸荷特性，所以在模拟中，土体本构模型的确定是一项十分困难的选择，有待于今后作进一步研究。