摩擦角非平稳性对支撑围护系统性能的影响

为什么在建筑旁边开挖很重要

现代城市不断为地铁、地下室和管线开挖深坑。这些支撑围护开挖必须在拥挤社区中安全进行，常常只离现有建筑几米远。如果土体比预期移动更多，围护结构可能倾斜，街道下沉，附近建筑出现裂缝。本文探讨了一个细微但重要的细节——砂体随深度变强的方式——如何改变我们对地面变形和开挖时损坏概率的预测。

深坑如何被支护

典型的支撑围护开挖采用刚性地下墙和一根或多根水平撑杆来挡住周围土体。设计者主要关心两类行为。首先是强度失效，例如挡土墙弯曲或撑杆过载；其次是服役问题，例如墙体过度倾斜或地面沉降到足以损害附近建筑的程度。实际上，像上海这样的主管部门对墙体位移和地面沉降有严格限制，尤其是在地铁、管线等关键基础设施周边。满足这些限值需要对土体在开挖过程中如何变形做出现实的预测。

土体从来不会真正均匀

工程师知道土的性质因地而异，这与沉积和历时挤压有关。传统数值模型通常把像砂的“摩擦角”这种属性视为随机可变，但在各深度上具有相同的平均值。然而现场资料表明，由于上覆土重引起的增压，砂体通常随深度变得更强。作者称这种情况为非平稳：平均强度随深度上升，而围绕该趋势的随机波动量保持相似。

模拟数千种可能的地面位移

为检验该深度趋势在实际中的影响，研究人员用专用的有限差分软件对一个真实的支撑围护开挖案例建模。模型包括一层砂土、一个深挡土墙和单根撑杆，并真实地考虑了地下水和施工分步施工。他们向模型输入了数百种由计算机生成以模拟自然随机性的土体强度“地图”。在某些系列中，砂的平均强度假定随深度保持恒定；在另一些系列中，平均强度随深度线性增加，同时仍允许局部的随机变异。对于每种情形，他们运行了600次模拟以跟踪关键响应：墙体的最大横向挠度、地表最大沉降以及一个新的指标——建筑墙体扭转倾斜角，该指标衡量由于不均匀沉降引起的建筑墙体扭转。

当深层土更强时会发生什么

结果表明，忽视砂体随深度增强会导致既更悲观又不够现实的预测。当允许平均摩擦角随深度增大时，墙体推进地面的量减小，地表沉降也减小。例如，提高强度梯度将典型的最大墙体挠度从约29毫米降至约18毫米，最大地表沉降从约22毫米降至低至10毫米。墙体弯曲最明显的深度也上移，因为更深、较强的土更牢固地支撑了墙基。同时，地面最大沉降位置的总体几何格局仍然固定——位于邻近建筑远侧边缘附近——但该处沉降的数量随强度趋势显著变化。

重新思考风险和损坏概率

除了平均位移外，研究团队还估算了超出规范限值的频率。他们分析了单个构件（如墙体弯曲或撑杆力超限）和整体体系在基于上海地铁标准的三种防护等级下的失效概率。当土体被处理为深度上平均强度不变时，计算出的超过允许位移的概率远高于使用现实的随深度增强的强度剖面时的结果。对于中等防护等级，一旦纳入深度相关的强度，系统任何部分违反其限值的概率几乎减半。一个关键发现是，差异沉降，通过建筑墙体扭转倾斜来体现，常常主导整体风险：仅看最大沉降似乎安全的设计，仍可能对相邻建筑构成严重危险。

这对城市施工意味着什么

对普通读者而言，结论是我们描述地层时做出的小幅改进可以显著改变对开挖安全性的判断。把砂体视为从上到下具有相同平均强度，会高估墙体倾斜和地面沉降的程度，并可能夸大计算出的损坏风险。更现实的模型——即更深处土体平均更强但仍有变异——给出更低且更有针对性的位移与失效概率估计。重要的是，研究还表明工程师不应仅关注整体地面沉降量，而应关注沉降的不均匀性，因为建筑墙体的扭转可能是损坏的关键驱动因素。这些见解可促成在密集城市环境中更安全、更经济的深基坑设计。

引用: Rafi, K.M., Ering, P. Influence of non-stationarity in friction angle on the performance of the braced excavation system. Sci Rep 16, 5477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35051-1

关键词: 支撑围护开挖, 地面沉降, 土体变异性, 城市隧道施工, 开挖风险