基于二阶功原理的软土地区超深基坑开挖稳定性分析.pdfVIP

第２４卷第２期石家庄铁路职业技术学院学报Ｖｏｌ２４Ｎｏ２

２０２５年６月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＲＡＩＬＷＡＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｎ２０２５

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基于二阶功原理的软土地区超深基坑

开挖稳定性分析

仲志武

（中铁建交通运营集团有限公司，天津市，３００１１０）

摘要：针对天津地铁８号线下瓦房站的基坑工程，采用ＨＳＳ小应变本构模型对软土地区超深基坑开

挖过程进行三维有限元数值模拟，基于Ｈｉｌｌ二阶功原理分析基坑开挖扰动下土体失稳的空间效应和整体

稳定性特征。结果表明，在基坑开挖的卸荷扰动下，坑外土体的稳定性呈现空间局部化分布特征。在沿

基坑长边选取的截面上，二阶功为负的节点在空间上集中于局部失稳区域内，而在沿基坑短边选取的截

面上，二阶功为负的节点连接形成局部失稳边界。考虑二阶功在各个方向上的６个分量，ｘ和ｚ方向的扰

动对局部失稳起到促发作用，而ｙ方向上分量对局部失稳起到抑制作用。此外，三个剪切分量上的局部

负二阶功分量的分布明显增多，说明在基坑开挖过程中，剪切作用更易引起土体的局部失稳。针对截面

整体二阶功，模型的整体稳定性在第５和第９施工阶段最弱。在该阶段施做的支护位移显著增大，未达到

较好的支护效果，进而引起该阶段的未开挖土体的稳定性减弱。

关键词：Ｈｉｌｌ二阶功；稳定性；超深基坑；软土；小应变模型；有限元模拟

中图分类号：ＴＵ４７３２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３１８１６（２０２５）０２０００７０６

０引言

随着我国“新基建”的稳步实施，地下轨道交通建设成为缓解地上建筑密集所造成的交通拥堵的重要

举措。沿海地区城市如上海、天津、海口等作为港口枢纽，其现代化城市建设对地下空间开发需求更大，

但该地区的工程地质和水文地质条件较差，软土地层较厚，进而为超深基坑工程的建设带来了难度。

岩土是典型的非相关材料，在达到莫尔—库伦塑性破坏标准之前就可能发生不同模式的破坏［１－３］，

［４］

采用常规有限元法预测岩土材料稳定性可能存在偏差。Ｈｉｌｌ所提出的二阶功准则是判别岩土材料失稳

的开创性工作。二阶功失稳准则是指，在小应变连续介质力学框架下，材料点在给定加载历史后达到一

个平衡状态（，），在受到应力增量ｄ扰动下的应变响应为ｄ，二者相关联的二阶功为：

σεσε

Ｗ＝ｄ∶ｄ＝ｄｄ（１）

σεσσ

２ｉｊｉｊ

如果存在至少一个应力增量ｄ，使得Ｗ＜０，则该材料点是不稳定的。随着二阶功理论框架的逐渐形

σ２

［５－６］［５］

成，国内外学者以此为判别方法对岩土材料的失稳破坏问题开展了一系列的研究。如王立忠等人根

据Ｈｉｌｌ失稳条件计算了地基极限承载力理论解，并较好预测了地基潜在失稳区域。由此可见，基于Ｈｉｌｌ二阶

功准则预测基坑开挖扰动下土体潜在失稳区域，将为基坑开挖风险评估提供有力的理论基础。

大量研究表明，在基础、基坑和隧道等工程的施工过程中，除了其周边少数区域发生明显塑性变形以

［７］

外，大部分区域则处于小应变状态。在土体硬化模型ＨＳ的基础上，Ｂｅｎｚ发展了一个可以考虑小应变范