土体弹塑性变形对基坑外侧土压力的影响

实际监测的基坑支护结构上土压力分布与《建筑基坑支护技术规程》中理论计算的分布结果不一致，这给工程师设计工作带来了困惑，本文探究了造成这种差异的原因，并通过一个例题，证明了GEO5深基坑分析模块中的弹塑性共同变形法能很好地模拟这种情况。

深基坑开挖工程中，锚杆和内支撑是常用的支护形式，随着支护结构的变形，其两侧的土压力分布会发生相应的变化，特别是在锚杆和内支撑直接作用的部位，工程实际监测出的土压力与理论计算的有很大差异。《建筑基坑支护技术规程》中采用平面杆系结构弹性支点法进行基坑支护结构的分析，该方法假设支护结构右边为主动土压力，左边为Winkler弹簧，在整个计算过程中，结构后面的土压力始终是主动土压力，而实际监测显示，在支护结构右边、锚杆或内支撑作用点的附近，土压力要大于主动土压力，甚至随着开挖深度的增加，当施工下一级锚杆或内支撑时，上一级的锚杆和内支撑处监测的土压力反而可能变大。这是由于土体是弹塑性材料而导致的。

理想弹塑性材料的应力——应变关系曲线和回弹曲线如图1所示。加载过程中，弹性应变阶段应力—应变呈直线关系，直线的斜率为材料的弹性模量E；当弹性应变发展到极限，开始出现塑性应变，且随着应变增大，应力不再变化。卸荷过程中，回弹曲线不沿着压缩曲线原路径发展，当σ减小为0时，ε并不为0，如图所示，两条曲线之间的差值即为材料的塑性变形量。

图1

深基坑开挖初期，随开挖深度的增大，土压力符合主动土压力分布规律；当开挖到一定深度，为保证坑壁稳定，需采用锚杆或内支撑（尤其是预应力锚杆）进行支护，支护结构作用于坑壁，使坑壁位移向坑外发展，坑壁位移减小，土压力逐渐趋近于静止土压力；继续开挖至下一级锚杆或内支撑施工，监测发现，此时上一级支护处的土压力反而可能变大，这是因为随着第二级支护的施工，对坑壁位移约束作用更大，坑壁位移可能减小，根据弹塑性材料应力——应变关系图，土体发生再压缩后土压力不按照原先路径变化，而是按照图2所示路径变化。这和实测结果是相符的。

图2

GEO5深基坑支护结构分析软件采用弹塑性共同变形法对围护结构进行分析。该方法的基本假设是结构周围的岩土材料是理想的弹塑性Winkler材料。材料性质由土的水平反力系数 kh和极限弹性变形决定，其中水平反力系数描述了材料在弹性区域的变形行为。当超过极限弹性变形时，材料表现为理想塑性。 同时，该法和弹性支点法的一个最重要的区别在于，该方法可以考虑坑外土压力随结构变形的变化。

下面介绍一个用GEO5软件中的弹塑性共同变形法分析的实例：

如下图所示，对某基坑先开挖3.5m, 通过GEO5深基坑支护结构分析软件得到的土压力分布和结构位移结果如下图所示：

图3

分析结果显示结构右边的土压力并不一定是主动土压力，在结构上部，因为结构位移较大，因此达到了主动土压力，但是随着深度的增加，结构位移的减小，土压力逐渐趋近与静止土压力，这和现场实测的结果是一致的。因此，弹塑性共同变形法计算得到的结果更加真实。

对上述基坑进一步开挖，为保证基坑稳定性，在深度为2.9m处施加一排锚杆，然后继续开挖至5.5m深度处，得到的土压力分布和结构位移结果如下图所示：

图4

这里可以看到，因为锚杆限制了结构上部的位移，再加上锚杆预应力的作用，锚杆上方的结构在该工况阶段的位移朝向坑外（总位移朝向坑内），根据上文提到的土体的弹塑性性质，结构上部的土压力大于主动土压力，这和实测结果也是相符的。GEO5深基坑支护结构分析软件可以很好地模拟本文最初提出的问题。