深基坑逆作法开挖位移变形及力学性状验算 方法的选择与应用

深基坑逆作法开挖位移变形及力学性状验算方法的选择与应
用
摘要：本文通过着重介绍深基坑逆作法开挖的设计施工原理，详细介绍其位移
变形及土压力复核验算方法的选择与实施，结合工程案例复核验算成果内容介绍，为今后同类工程提供借鉴和参考。

关键词：深基坑；逆作法；开挖；验算；方法
正文
随着我国城市现代化建设水平的不断提高，大型建筑越来越多，建筑规模越来越大。

深
基坑逐渐向大深度﹑大面积方向发展。

近些年，由于基坑开挖深度逐渐加大，加上深基坑开
挖支护技术不成熟等原因，导致了我国深基坑工程出现过一些事故，由此造成的经济损失很大。

深基坑工程支护结构的破坏，分析其原因主要涉及两方面的问题，一是深基坑支护体系
本身失稳，二是深基坑开挖引起周围环境显著变化，使周围建筑设施产生开裂，甚至破坏【1】。

本文通过着重介绍深基坑逆作法开挖的设计施工原理，详细介绍其位移变形及土压
力复核验算方法的选择与实施，为今后同类工程设计与施工提供借鉴和参考。

1 深基坑逆作法开挖概述
1.1顺作法与逆作法的比较
传统的深基坑开挖方法是开敞式，即大开口放坡开挖，或先用支护结构围护后垂直开挖，挖至设计标高后浇筑钢筋混凝土底板，再由下而上逐层施工，待地下结构完成后再进行地上
结构施工，这种施工方法称为顺作法施工。

顺作法施工存在一些优点，如设计和施工经验丰
富等。

但是，随着建筑设计和施工技术的发展，顺作法开挖带来的一些问题也越来越引起各
方的重视。

首先，在带有多层地下室的深基坑开挖中，采用顺作法开挖的地下结构施工工期长，许多高层建筑地下结构施工工期占总工期的四分之一甚至三分之一，支护费用也比较高；其次，围护结构在整个施工过程中只作为临时结构，为地下结构施工提供安全保证，待地下
结构施工完成，其作用随之消失，而为此发生的围护费用却是相当巨大的。

另一方面，在繁
华商业街下面修建地铁车站，或业主要求尽可能短的时间竣工的大厦，顺作法开挖也难以满
足地面交通与商业的要求[3]。

逆作法开挖能够很好地解决基坑周期长，对周围环境影响大，支护费用高的现状，为一
种十分有生命力的深基坑开挖方法。

深基坑支护采用逆作法时，地面以下各层是自上而下施工，借助于地下结构自身的能力对基坑产生支护作用，来保证基坑土方开挖，利用地下各层
钢筋混凝土楼板的水平刚度和抗压强度，使各层楼板成为基坑围护桩墙的水平支撑，并利用
基坑外不同方向的土压力包括被动土压力的自相平衡来抵消对坑壁围护桩墙的不利影响。

在
施工时采用由上而下的逆作法一般先施工层板，再开挖楼板下面的土方，水平层板开挖时作
为水平支撑，同时还作为地下结构层板。

1.2 逆作法开挖工程复核验算的必要性
深基坑逆作法开挖本身也存在许多亟待解决的问题，如施工过程中的差异沉降，地下室
施工阶段上部结构能否施工或施工到几层，相邻立柱桩差异沉降值达多少比较危险，以及施
工开挖过程中土体的短期稳定、结构变形协调控制等问题。

而针对逆作法深基坑开挖中如何
进行准确计算，如何分析围护结构位移、结构板水平应力等问题是很重要的，只有对深基坑
逆作开挖进行很好的分析，才能够有效保证基坑开挖和地下结构施工能安全、顺利进行，并
在基坑和地下结构施工期间不对邻近的建筑物、市政设施等产生危害。

围护结构必须在强度、稳定性和变形等方面都满足要求，如没有足够的强度和稳定性，挡墙会破坏，支撑会压曲，
坑底会产生坑底隆起或管涌，亦会危及周围环境。

因此，通过位移变形及土压力计算分析，
进行深基坑工程逆作法性状分析具有十分重要的意义【2】。

2 复核验算典型工程案例实施步骤
基于某沿海城市交通枢纽工程，采用有限元数值分析软件，针对该地区特有的工程地质
特点，对该深基坑工程逆作法开挖与支护进行全过程的模拟分析，着重分析其不同开挖阶段，不同开挖深度对于围护结构的影响，并将计算结果与工程实测资料进行了对比。

针对工程实
际的需要和目前对基坑逆作法的研究现状，本文作了以下几个方面的关键实施步骤总结：（1）对监测资料的整理分析：
尽可能多地收集交通枢纽深基坑工程的相关资料，包括地质报告、设计和施工图、施工
方案、监测报告等，将资料进行整理分析，绘制出不同工况下的各数值变化曲线，以便于和
模拟计算结果进行对比分析。

（2）深基坑开挖过程有限元模拟：
采用有限元分析软件，按照实际的基坑断面结构建立有限元深基坑模型，采用合理的为
土体材料笨狗模型，根据实际工程中逆作法开挖步骤进行有限元模型工况设置。

其中对地下
连续墙侧向变形，土压力等重要数据进行整理。

建模过程中，根据已知的基坑材料性质，设定材料单元和参数，考虑基坑开挖过程中降
水引起的水位变化以及对支护结构的影响，站台荷载值增加等实际因素，重点分析基坑侧向
变形的有限元值和监测值，进而分析地连墙随基坑开挖的进行而产生的影响。

（3）土压力计算分析：
在大型深基坑开挖过程中，能准确估计土压力对于确保支护结构的稳定，工程的顺利施
工具有十分重要的意义。

基坑中的地下水对于土压力有很大的影响，常用的计算方法有水土
分算和水土合算，分析中将对这两种计算进行比较。

本文以交通枢纽基坑工程的设计施工资
料为依托，对监测资料，规范方法计算，有限元计算得出的土压力结果进行对比分析，总结
深基坑逆作开挖中土压力的分布规律和特点。

（4）计算结果对比分析
通过监测资料与数值模拟计算结果的对比，分析基坑开挖支护过程中内力、变形等性状，得到有益于深基坑逆作法开挖施工的结论和规律，为工程实际施工提供数据支持以确保基坑
稳定以及危险情况预警。

3 位移变形及土压力计算的关键—本构模型
3.1 本构关系
本构关系是指材料的应力—应变关系。

虎克定律是最基本也是最简单的一种本构关系，
土力学中常用的计算地基应力和地面沉降的公式，都依据了这一假定，然而，土是散粒体，
其本构关系比其它材料复杂得多。

有许多仪器可以用来进行土体的应力—应变关系试验，如
压缩仪，普通三轴仪，平面应变仪、扭剪仪、真三轴仪等，但试验有一定的局限性，试验总
是在某种简化条件下进行的，即使真三轴仪能考虑三维受力状态，试验也只能按某种应力状
态﹑某种加荷方式进行，也存在选择，固结方式和程序等差别很难达到一致。

在深基坑开挖
的实际问题中，土体各点的应力状况、变形历史，是千变万化的，无法在试验中模拟所有这
些变化，因此有必要在试验的基础上提出某种数学模型，这种数学模型称为本构模型。

3.2本构模型
本构模型是用数学手段来体现试验中所发现的土体变形特性，土体的变形特性是建立本
构模型的根据，也是检验本构模型理论的客观标准。

因此，在讨论土体本构模型之前，讨论
土体变形特性是很有必要的。

概括起来，土体变形主要有以下几个特性：
1、土体变形有十分明显的非线性特性；
2、土体不仅有显著的塑性体积变形，而且剪应力会引起塑性体积变形，即剪胀性；
3、土体的应力—应变关系曲线有硬化和软化两种型式。

所谓硬化就是变形随应力而不断增加；所谓软化就是应力—应变曲线存在着峰值，过了峪值以后，应力虽然减小，变形仍在
增加。

例如松砂和正常固结粘土呈硬化型，而紧密砂土和超固结粘土则呈软化型；
4、应力路径、应力历史、主应力和固结压力等，对变形均有显著影响；
5、土体的变形是各向异性的，不仅存在原生的由土体结构的各向异性所带来的变形各
向异性，而且对于结构上各向同性的重塑土，在各向受力不同时，也会产生新的变形各向异性。

以上从五个方面概括了土体变形的基本特性，影响土体变形的因素还有很多，如土的种类、结构等。

土体的变形规律十分复杂，要在本构关系模型中全部反映这些特性是也是不必
要的，应该抓住影响变形的主要特性去建立本构模型。

在基坑开挖的研究中，建立反映土体
变形特性的本构关系是至关重要的。

4 复核验算实施案例情况总结
本文基于某沿海城市逆作法开挖工程实施案例，在逆作开挖有限元模型的基础上，建立
顺作法开挖基坑模型，进行两种基坑开挖方式的变形性状对比，得到：
1、同一深基坑，在开挖不是太深时，虽然逆作变形小于顺作，但两者之间差别不大，
但在基坑开挖较深以后，逆作开挖仍然能够保证结构体系的稳定性，但顺作基坑变形明显增加，稳定性低于逆作。

2、对于开挖不是很深的基坑而言，从项目工程造价、施工进度和难度等各方面综合考虑，采用顺作开挖比较好；对于开挖相对较深的大型基坑而言，综合考虑各方面因素，采用
逆作施工可能更加合适。

3、较深大型基坑如采用顺作施工应加强对于基坑变形的监测，在变形相对较大位置增
加临时支撑，以加强基坑的稳定性。

参考文献：
[1]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.5
[2]年延凯，孙旻. 深基坑支护设计与施工新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，
2016.11
作者简介：张阳，1983年生，高级工程师，工学硕士，研究生学历，主要从事工程设计、工程质量管理、房屋鉴定的相关工作。