软土基坑变形与稳定分析研究综述

软土基坑变形与稳定分析研究综述

作者：付英 危媛丞 张扬

来源：《科学与财富》2016年第13期

摘 要：文章介绍了软土及软土基坑的工程特点，概述了软土基坑工程研究进展和成果，阐述了边坡稳定性分析方法和理论发展历程，指出了软土基坑变形和稳定性研究的不足和方向。

关键词：软土；基坑变形；边坡稳定引言

随着城乡经济和社会的蓬勃发展，电力供应形势十分严峻，为满足城乡用电发展需求，实现电网规划的优化，变电站作为电网的关键枢纽，其站址的选择具有较大的局限性，加之土地资源紧张、线路走廊及拆迁赔偿等多方面限制因素，地下变电站在电网建设中逐渐成为一种趋势。由于软土具有强度低、含水量和孔隙比高、渗透性差及流变等特性，软土基坑变形及稳定是岩土工程中较复杂的问题，国内外学者就软土基坑变形和稳定问题展开了深入的研究。 1.软土及软土基坑工程特点

我国《岩土工程勘察规范（2009年版）》[1]中规定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土。建设部《软土地区工程地质勘察规范》[2]规定凡符合以下三项特征即为软土：（1）外观以灰色为主的细粘土；（2）天然含水量大于或等于液限；（3）天然孔隙比大于或等于1.0。

总结上述定义，软土应是与土质、工程性质有关的高孔隙比、高含水量、低强度、高压缩性、低渗透性及具流变性的以粘性土为主的软弱土层的通称。 与一般基坑工程相比，软土基坑工程具有如下特征：

（1）基坑边坡自稳能力很低，导致支护体系承受荷载大，工程中常需要高强度的支护结构。

（2）软土基坑工程对控水方案的设计及其施工要求较高。

（3）支护结构侧向位移很大，常达到十几甚至几十厘米，引起严重的环境破坏。 （4）护壁结构的变形具有滞后性，护壁结构破坏的发生较为迅速，具有突变性。

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（5）软土边坡在无支护条件下，既不取圆弧破坏模式，也不取平面破坏模式或其他破坏模式。因此建立在刚体转动假设基础上的圆弧破坏模式和稳定分析方法并不适用于无支护条件下的软土边坡。

2.软土基坑工程研究进展

我国在二十世纪九十年代开始了基坑施工的变形控制研究，其基本思想是要求支护结构在满足强度及结构稳定的前提下，尚需满足控制变形的使用要求。

曾国熙等[3]分析了板桩作为支挡结构的软粘土地区的基坑开挖问题，利用有限元程序对影响基坑性状及工程经济效益的几个重要因素（板桩的插入深度、板桩的刚度以及土质条件等）进行了研究。

蒋洪胜、刘国彬[4]基于时空效应理论研究了软土地区深基坑支撑轴力变化规律，指出在深大基坑工程中目前惯用的按弹性或弹塑性理论的设计方法具有很大局限性，无法考虑时空效应的影响。

胡展飞等[5]利用土力学中的极限平衡理论，详细论述并推导出一种定量分析深基坑基底软土稳定性的计算方法，可合理地考虑各种土体加固对基底软土稳定安全系数Ks增值的效应，探索了Ks的变化规律。

范益群[6]在“时空效应”基础上，提出基于时空效应理论的软土深基坑工程的现代设计概念，即软土深基坑设计应设计成闭环系统，包含初始标称设计、监测方案设计和控制方案设计三个部分。

在大量的基坑工程实践中基坑开挖土体的空间尺寸和开挖所处的深度对墙体变形的影响相当显著[7]。

对地下工程施工变形的主要研究方法有安全系数法，经验公式法，数值法，地层损失法，系统分析方法，经历了从较早的土压力理论和板桩分析理论到二维、三维有限元分析到反分析再到系统和控制论的各个阶段，鉴于岩土工程的不确定性，许多新理论、新方法也被引入到基坑施工变形的控制研究中，这些新理论新方法包括灰色理论，时间序列分析，分数维理论，混沌理论，随机有限元理论以及人工神经网络。在上述理论和方法中，反分析理论和人工神经网络方法在基坑施工变形控制研究中具有较强的适应性和广阔的应用前景[8]。 3.基坑稳定性分析研究进展

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基坑是一种特殊的临时性边坡，其稳定分析理论源于边坡稳定分析理论，并且随着土坡稳定分析理论的发展而发展。从上世纪初至今，边坡稳定性分析研究发展历程可分为三个阶段：定性研究阶段、定量研究阶段、非确定性研究阶段。 3.1定性分析方法研究

定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。常用的方法主要有自然历史分析法、工程类比法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统法、图解法和SMR法等。 3.2定量分析方法研究

定量分析方法中最常用的是极限平衡分析法、塑性极限分析法和数值分析法。

极限平衡分析法假定土体为理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按极限平衡的原则进行力的分析，完全不考虑土体本身的应力——应变关系，而土坡的稳定分析问题是一个高次超静定问题，无法求解。一般有两个可能的途径：一种是引进土体的本构关系，但这会使问题变得非常复杂；另一种就是作出各种简化假设以减少未知量或增加方程数。基于后者，对多余变量作出假定的不同则会得到不同的计算方法。

塑性极限分析[9-12]考虑完全塑性应力——应变关系，最早由德鲁克（Drucker）和普拉格（Prager）于1952年提出。在求解边坡稳定问题时，运用了塑性力学中的上、下限定理。极限分析上限法通常需要假设一个滑裂面，并将土体视作刚塑性体，构造一个协调位移场；极限分析下限法在计算过程中需要构造一个合适的静力许可的应力分布，可用应力柱法或者应力不连续法等来求得问题的下限解，其解偏于安全，可以实用。但下限定理的应用非常有限，大多数情况下采用上限定理。

随着人们对岩土体本构关系及边坡破坏机理认识的不断深入，人们越来越认识到极限平衡法的局限性[13-15]，并提出了许多新理论和新方法[16， 17]。计算机的出现是计算方法发展的一个里程碑，它为边坡稳定分析提供了强大的计算处理支持，为了更好的反映边坡岩土体的应力——应变关系，各种数值计算方法在边坡工程中得到了广泛应用，数值分析方法己成为目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。 3.3非确定性分析方法研究

由于边坡工程是一个复杂的开放系统，影响因素众多，并且带有相当的随机性、模糊性和不确定性，造成稳定性评价困难。近几年很多学者另辟蹊径，从非相关专业引入新的思想从而形成一种新的非确定性评价方法，如边坡稳定可靠性分析方法[18]、随机过程方法、模糊数学

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方法、灰色系统预测滑坡失稳分析方法[19]、人工智能计算法（神经网络、模糊逻辑、遗传算法[20]）等等，评价结果仍然需要用工程实践去证明、修正，并且很多判断方法需要结合计算机编程才能得以实现，但这充分体现了边坡研究方法逐步迈向新的阶段。 4.结语

基坑工程既是土力学基础工程中一个古老的传统课题，又是一个综合性的新型岩土工程问题，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及到水、土与支护结构的共同作用问题，目前在理论上和实践上已取得重大成果，但软土基坑工程尚有很多不确定影响因素，因此在如何选定合理的边坡稳定评价体系、寻找精确的最危险滑裂面和基坑变形机理方面还有待进一步深入研究。 参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准. GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S]. 北京， 2009. [2] 中华人民共和国行业标准. JGJ83-91软土地区工程勘察规范[S]. 北京， 1992.

[3] 曾国熙，潘秋元，胡一峰. 软粘土地基基坑开挖性状的研究[J]. 岩土工程学报， 1988， 10（3）： 13-22.

[4] 蒋洪胜，刘国彬. 软土基坑支撑轴力的时空效应变化规律研究[J]. 岩土工程学报. 1998： 105-107.

[5] 胡展飞，周健，杨林德. 深基坑基底软土稳定性研究[J]. 土木工程学报. 2001. [6] 范益群. 软土基坑考虑时空效应的三维动态设计与过程控制[M]. 上海： 上海科学普及出版社， 2005： 9-10.

[7] 吴泳川，陈琦. 深基坑工程中现场监测的回顾与展望[J]. 天津城市建设学院学报， 2001， 7（2）： 2-3.

[8] 高夕良. 软土地区基坑工程变形分析及围护结构设计探讨[D]. 西南交通大学， 2003. [9] 潘家铮. 建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M]. 北京： 水利出版社， 1980.

[10] 陈祖煜，汪小刚，邢义川. 边坡稳定分析最大原理的理论分析和试验验证[J]. 岩土工程学报， 2005， 27（5）： 495-499.