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基坑支护结构侧向土压力计算的理论、方法与实践探索

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速，城市建设规模不断扩大，地下空间的开发利用日益广泛，如地下停车场、地铁站、地下商场等。在这些地下工程建设中，基坑开挖是关键环节，而基坑支护则是确保基坑开挖顺利进行以及周边环境安全的重要保障。基坑支护结构的作用是抵抗土体的侧向压力，防止土体坍塌，保护周边建筑物、地下管线等设施免受基坑开挖的影响。

在基坑支护结构的设计与分析中，侧向土压力的计算是核心问题之一。侧向土压力的大小和分布直接影响着支护结构的内力、变形以及稳定性。准确计算侧向土压力，对于合理设计支护结构、确保其安全性和可靠性至关重要。如果侧向土压力计算不准确，可能导致支护结构设计过强或过弱。设计过强会增加工程成本，造成资源浪费；设计过弱则可能引发基坑坍塌等工程事故，危及人员生命安全，给社会和经济带来巨大损失。

此外，基坑支护工程的成本在整个地下工程建设成本中占有相当大的比例。通过准确计算侧向土压力，优化支护结构设计，可以在保证工程安全的前提下，有效降低工程成本，提高工程的经济效益。同时，合理的基坑支护设计还能减少对周边环境的影响，具有重要的环境效益和社会效益。因此，深入研究基坑支护结构侧向土压力的计算方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

土压力理论的研究最早可追溯到18世纪。1773年，法国的库伦（Coulomb）基于极限平衡理论提出了库伦土压力理论，通过假设土体滑动面为平面，考虑了土体的抗剪强度和墙背与土体之间的摩擦力，推导出主动土压力和被动土压力的计算公式。这一理论在工程实践中得到了广泛应用，为基坑支护结构的设计提供了重要的理论基础。然而，库伦土压力理论存在一定的局限性，其假设滑动面为平面与实际情况存在偏差，尤其是在复杂的地质条件和土体特性下，计算结果与实际土压力存在较大误差。

1857年，英国的朗肯（Rankine）提出了朗肯土压力理论。该理论基于半无限弹性土体的应力状态，假设土体处于极限平衡状态，且墙背直立、光滑，土体表面水平。朗肯土压力理论计算相对简单，在一定程度上弥补了库伦土压力理论的不足，在工程设计中也被广泛采用。但同样，朗肯土压力理论的假设条件较为理想化，实际工程中的基坑支护结构很难完全满足这些条件，导致计算结果与实际情况存在差异。

随着计算机技术和数值分析方法的发展，数值模拟法在基坑支护结构侧向土压力计算中得到了广泛应用。有限元法（FEM）是目前应用最为广泛的数值模拟方法之一，它能够考虑土体的非线性特性、复杂的边界条件以及支护结构与土体的相互作用。通过建立合理的有限元模型，可以较为准确地模拟基坑开挖过程中土体的应力应变状态和侧向土压力的分布规律。例如，学者们利用有限元软件对不同地质条件、支护形式和开挖方式下的基坑进行模拟分析，研究了土体参数、支护结构刚度、开挖顺序等因素对侧向土压力的影响。除有限元法外，有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）、离散元法（DEM）等数值方法也在基坑工程中得到了应用，这些方法各有特点，为基坑支护结构的分析提供了更多的选择。

在国内，随着城市建设的快速发展，基坑工程日益增多，对基坑支护结构侧向土压力的研究也取得了丰硕成果。许多学者通过现场实测、模型试验和数值模拟等方法，对不同类型的基坑支护结构进行了深入研究。例如，通过现场监测获取了大量的土压力数据，分析了实际工程中侧向土压力的分布规律和变化特征，并与传统理论计算结果进行对比，验证了理论的适用性和局限性。同时，针对传统土压力理论的不足，国内学者提出了一些改进方法和新的计算模型。有的学者考虑了土体的应力路径、变形特性以及支护结构与土体的相互作用等因素，对朗肯和库伦土压力理论进行修正；还有的学者基于室内试验和现场实测数据，建立了考虑多种因素的土压力计算模型，提高了土压力计算的准确性。

尽管国内外在基坑支护结构侧向土压力计算方面取得了众多成果，但仍存在一些不足之处。传统的库伦和朗肯土压力理论基于理想假设，难以准确反映复杂地质条件、土体非线性特性以及支护结构与土体相互作用等因素对侧向土压力的影响。在实际工程中，地质条件往往复杂多变，土体的力学性质存在较大差异，且基坑支护结构的形式和施工过程也各不相同，这些因素都增加了侧向土压力计算的难度。数值模拟方法虽然能够考虑多种因素，但模型的建立和参数选取对计算结果影响较大，且计算过程较为复杂，需要耗费大量的时间和计算资源。目前，对于一些特殊地质条件下的基坑，如软土地基、黄土地区、岩溶地区等，缺乏针对性强、准确性高的侧向土压力计算方法。此外，基坑开挖过程中的时空效应、地下水渗流等因素对侧向土压力的影响研究还不够深入，有待进一步加强。未来的研究可以朝着考虑更多实际因素、完善计算模型、结合现场监测数据进