偏压荷载作用下内撑式基坑变形机理及控制优化:以金华水厂基坑工程为例

张洪伟; 王述红; 王邺; 杨世稳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503705

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (16) :7019-7030 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503705

建筑科学

偏压荷载作用下内撑式基坑变形机理及控制优化:以金华水厂基坑工程为例

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Deformation Mechanism and Control Optimization for Internally Braced Excavation Subjected to Eccentric Loading: Jinhua Water Plant Excavation

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摘要

为深入探究偏压效应对内撑式基坑工程的不利影响,降低施工风险,对其变形特征及作用机理进行详细分析对于提升基坑工程的安全性与经济性具有重要意义。为量化偏压荷载对基坑的影响程度提出偏压系数,利用数值模拟手段系统探讨不同偏压系数下基坑的变形的主要规律与影响机理。针对偏压工况,提出了一种基于偏压基坑变形特征设计的坑底土体梯度加固方法。结果表明:偏压系数直接影响基坑支护体系的受力与变形模式,当偏压系数等于0.15时,偏压侧支护桩最大变形增大90.5%,非偏压侧支护桩出现朝坑外的变形。梯度加固方案在偏压基坑变形控制中表现出了技术与经济效益的双重优势,在变形控制方面与传统满堂加固方案基本相同,但材料成本降低了28%。可见梯度加固方案优势显著,研究成果可为相似基坑工程的支护结构前期设计和施工阶段的基坑变形控制方案等方面提供指导和参考。

Abstract

In order to investigate the adverse effects of eccentric loads on internally braced excavation pits and mitigate construction risks, a detailed analysis of deformation characteristics and underlying mechanisms is crucial for improving both the safety and cost-effectiveness of excavation projects. To quantify the influence of eccentric loading, an eccentricity coefficient was proposed. Numerical simulations were employed to systematically investigate the deformation patterns and mechanisms of excavation under various eccentricity coefficients. Furthermore, a gradient reinforcement method for the pit bottom soil was developed, specifically tailored to the deformation characteristics observed in eccentric conditions. The results show that the eccentricity coefficient directly governs the stress and deformation mode of the support system. When the coefficient reaches 0.15, the maximum deformation of the support piles on the loaded side increases by 90.5%, while the piles on the opposite side deforms outward. The proposed gradient reinforcement method demonstrates both technical and economic advantages for deformation control. Its effectiveness is comparable to the conventional full-area reinforcement method, yet it achieves a 28% reduction in material costs. It can be concluded that the gradient reinforcement scheme demonstrates notable advantages. The research results can serve as a valuable reference for the preliminary design of support structures in similar excavation projects, as well as for the control of overall excavation deformation during the construction phase.

Graphical abstract

关键词

基坑工程 / 偏压作用 / 非对称变形 / 变形机理 / 土体加固

Key words

excavation engineering / lateral pressure effect / asymmetric deformation / deformation mechanism / soil reinforcement

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张洪伟, 王述红, 王邺, 杨世稳. 偏压荷载作用下内撑式基坑变形机理及控制优化:以金华水厂基坑工程为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(16): 7019-7030 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503705

ZHANG Hong-wei, WANG Shu-hong, WANG Ye, YANG Shi-wen. Deformation Mechanism and Control Optimization for Internally Braced Excavation Subjected to Eccentric Loading: Jinhua Water Plant Excavation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(16): 7019-7030 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503705

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自中国推进城市化以来,基础设施建设日益完善,城市建筑密度不断增加^[1]。基坑工程常位于现有建筑、地下管线和地上堆载附近,受到自身重力和上覆荷载的共同影响,导致基坑两侧受到非对称荷载的作用^[2]。在基坑开挖过程中,支护结构和坑底土体会因土体的应力变化发生不同程度的变形,而偏压作用则会加剧这种变形。内撑式基坑由于支撑的存在,非对称荷载的影响更加显著^[3]。当偏压荷载过大时,基坑会出现非常规变形,甚至导致坑底土体失稳,威胁到基坑工程的安全。综上所述,非对称荷载作用下的基坑已经引起了工程界的广泛关注,成为诸多学者研究的重点。

近年来,中外学者通过数值模拟、现场实测、室内模型实验等手段对偏压基坑展开了较为系统的研究。朱湘旭等^[4]基于数值模拟结合现场监测对某硬质地层中的偏压基坑进行研究,总结出偏压侧桩体变形性状为“开口形”非偏压侧桩体变形呈“鼓肚形”的变形特征。刘波等^[5]以某开挖深度差异显著的偏压基坑工程为例,发现坑底隆起和地表沉降表现出明显的空间效应。石钰锋等^[6]通过现场监测手段研究了偏压对基坑位移和受力模式的影响,并提出在设计时应分别考虑两侧墙体的设计思路。朱怀龙等^[7]和王子琪等^[8]通过数值模拟研究了坑周偏压荷载的距离、荷载大小、荷载分布宽度和开挖深度等因素对支护结构力学特性变化的影响,计算得出了各因素的影响大小以及建议取值。孙志浩等^[3]以一综合管廊基坑为例,研究了基坑两侧荷载距基坑不同的情况下,支撑轴力和坑外地表沉降的变化规律。高亿文等^[9]通过建立围护结构两侧嵌固深度不同的数值分析模型,发现超载侧的嵌固深度增加能有效约束近侧的水平位移和挠度,但远侧嵌固深度对挠度的影响相对较小。Ou等^[10]对某偏压地铁车站深基坑进行了分析,运用有限元方法提出了基坑开挖过程中的优化方案。曹程明等^[11]研究了水平不对称荷载作用下基坑开挖过程中的水平和竖向变形,为类似基坑开挖的支护结构选型提供了一定的指导。Fan等^[12]和葛帆等^[13]通过建立室内模型实验研究分析不同非对称荷载程度下两侧支护结构受力与变形的影响规律。徐长节等^[14]和金亚兵等^[15]探讨了非对称荷载条件下深基坑内支撑式支护结构的设计计算方法。Xu等^[16]基于数值模拟与现场监测手段,提出“考虑最大地表沉降的平面应变比”来表征不对称基坑的空间效应。

当前,诸多学者对于偏压基坑的研究已经取得了丰硕的成果。然而,现有研究大多集中于偏压荷载条件下支护结构的变形特性,对于偏压作用下基坑的变形机理和变形控制方法的研究相对较少。鉴于此,现结合金华市某水厂的偏压基坑工程案例,通过理论分析和FLAC^3D有限差分数值模拟,深入探讨了偏压作用下基坑的变形机理。同时基于偏压基坑的变形特征与加固参数的敏感性分析提出坑底土体梯度加固变形控制方案。为相关偏压基坑工程的控制方案提供理论支持和科学依据。

1 工程概况与数值模型

1.1 工程概况

如图1所示,某水厂位于金华市婺城区金村南侧。在水厂的建设过程中,需要进行大量基坑的开挖以安装各类大型设备,如泵站、碳滤池、沉淀池及储水罐等。其碳滤池基坑平面呈矩形布置,基坑平面尺寸长20 m,宽15 m,基坑深度为13 m。基坑南侧10 m处存在高约为5 m的山体边坡,根据现场勘测,山体边坡对临近边坡一侧基坑产生约120 kPa的竖向荷载,使基坑呈现非对称受力状态。

基坑典型支护剖面如图2所示,基坑采用明挖顺作法施工,其围护结构主要采用混凝灌注桩(直径800 mm)。基坑开挖分为4个步骤,第一次开挖深度为2 m,第二次和第三次均为4 m,第四次为3 m。开挖过程设置3道水平内支撑,其中第一道内支撑为混凝土支撑,深度为1 m。第二道、第三道内支撑为钢支撑,深度分别为5 m、9 m。混凝土支撑使用C30混凝土,截面尺寸为600 mm×600 mm。钢支撑材料采用Q235钢,截面尺寸为Φ609 mm×16 mm。混凝土支撑沿深基坑延伸方向的间距为4 m,钢支撑沿深基坑延伸方向的间距为3 m。整体开挖深度介于0~13 m。基坑开挖范围内穿越地层依次为:素填土、砂土、含砾粉质黏土。为减小山体边坡荷载对基坑变形的影响,在基坑底部设有3 m厚水泥土加固区。

1.2 有限差分模型建立

为模拟偏压荷载对基坑开挖过程中的变形影响,采用有限差分软件 FLAC^3D建立数值模型。构建大尺寸模型以减少边界条件对数值计算结果的影响,模型的边界条件为:左右两侧边界水平方向约束,垂直方向自由;模型底部边界水平方向和垂直方向均约束,模型顶部边界水平方向和垂直方向均自由。

如图3所示,基坑的三维数值模型尺寸为长80 m、宽60 m、高50 m。为简化计算,做出如下假设:土层按水平层状分布考虑,施工前及施工期间持续采用坑内疏干井等措施来降低地下水水位,因此本研究未考虑地下水对基坑开挖的影响。由于边坡坡率较缓,山体边坡的梯形荷载等效为均布荷载施加在距离基坑边缘10~20 m的范围内。混凝土灌注桩、混凝土支撑和钢支撑均视为线弹性材料,其中内支撑和混凝土支护桩在FLAC^3D中使用Beam和Pile结构单元进行模拟。支护结构的材料参数如表1所示。

土体本构模型的合理选择对于基坑开挖模拟的准确性至关重要。基于传统的硬化土模型(HS模型)开发的小应变硬化模型(HSS模型)有效结合了剪切模量在小应变范围内衰减的特点,能够模拟小应变条件下土体刚度的非线性演变。HSS模型基于三轴和固结试验数据,结合了小应变刚度衰减和双硬化机制,精准刻画了基坑开挖过程中土体的微小变形和复杂力学行为,尤其在低应变阶段表现出优异的预测精度^[17]。

大量工程案例证明,HSS模型在模拟土体的剪切硬化和体积硬化、基坑围护变形和不均匀沉降方面具有良好的适用性和准确性^[18-20],相关土体参数如表2所示。

2 偏压基坑支护变形机理分析

2.1 支护结构变形分析

为分析偏压基坑的变形机理,建立不同偏压工况下的基坑计算模型,共设置6组工况,工况1为无偏压荷载的对照组,工况2~工况6为存在偏压荷载的实验组。为便于描述不同大小的偏压荷载条件对基坑及支护结构变形的影响程度,定义偏压系数(λ_p)描述偏压荷载的大小。该系数通过将偏压荷载引起的侧向土压力(σ_a)与原始侧向土压力(σ₀)的值相除,在考虑偏压荷载的大小的同时考虑土体参数的影响,从而更精确地描述非对称荷载对基坑的影响程度,λ_p的表达式为

(1)$ \lambda_{\mathrm{p}}=\frac{\sigma_{\mathrm{a}}}{\sigma_{0}}$

式(1)中:σ_a为由偏压荷载引起的附加侧向土压力,kPa;σ₀为无偏压工况下的原始侧向土压力,kPa。

由条形荷载引起的附加侧向土压力的计算公式为^[21]

(2)$ \sigma_{\mathrm{a}}=K_{\mathrm{a}} \Delta q$

式(2)中:K_a为主动土压力系数;Δq为偏压荷载大小,kPa。

(3)$ \sigma_{0}=\frac{1}{2} \gamma H^{2} k_{\mathrm{a}}+\left(\Delta q k_{\mathrm{a}}-2 c \sqrt{k_{\mathrm{a}}}\right) H$

式(3)中:γ为土的重度,kN/m³;H为基坑深度,m;k_a为朗肯主动土压力系数;c为土体黏聚力,kPa。

(4)$ K_{\mathrm{a}}=\frac{1}{\pi}\left(K_{\mathrm{a} 1}-K_{\mathrm{a} 2}\right) \tan \left(45^{\circ}-\frac{\varphi}{2}\right)^{2}$

(5)$ K_{\mathrm{a} 1}=\arctan \left(\frac{m}{n}+\frac{m n}{m^{2}+n^{2}}\right)$

(6)$ K_{\mathrm{a} 2}=\arctan \left[\frac{m-1}{n}+\frac{n(m-1)}{n^{2}+(M-1)^{2}}\right]$

式中:m=x/B,n=z/B,其中x、z为任意点N的坐标,m;B为条形荷载的宽度,m;ϕ为土体内摩擦角,(°)。

附加侧向压力计算简图如图4所示。当偏压系数λ_p=0时,基坑左右两侧的荷载均为0;当时λ_p>0,左侧荷载每级增加30 kPa,而右侧荷载始终保持为0。偏压侧荷载的提升以每Δq=30 kPa为增量。依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)中对支护结构最大水平位移的允许值,当附加荷载导致支护结构的最大位移超过开挖深度的0.002 5倍时,加载停止,各模拟工况如表3所示。

图5展示了偏压侧与非偏压侧支护桩在不同偏压荷载和开挖深度下的变形特性。通过对支护结构偏压侧与非偏压侧的模拟数据分析,能够总结出偏压基坑开挖过程中偏压侧支护桩的变形演化规律:在首层土方开挖阶段(H=0~2 m),由于未施加内支撑,支护桩呈现出典型的“悬臂式”变形模式。随着开挖深度增加至6 m并完成首道混凝土支撑的施作,支护体系的刚度重新分布,导致支护桩的变形模式发生变化。偏压侧支护桩的变形逐渐演变为“鼓肚式”形态。

随着开挖深度的增加,最大位移点随开挖深度向下迁移。当开挖达到最终坑底标高(H=13 m)时,被动土压力区的塑性发展使得位移峰值下移至开挖面上方2.1 m。此现象与荷载对称基坑的变形规律表现出一致性,即围护结构的水平位移随着开挖深度的增大而增加,最大水平位移值通常位于坑底的开挖面附近。

在工况2~工况6中,随着偏压系数的增加,在内支撑施工完成后,支护桩的桩顶出现位移持续增大的现象。与工况1相比,工况2~工况6的桩身整体变形显著增加。这一现象主要是由于偏压荷载所产生的附加侧向土压力逐渐增大,导致内支撑对变形的限制减弱。由此可见,在偏压条件下,随着附加侧向土压力的增加,内支撑不动点向非偏压侧的位移增加,削弱了对支护桩的变形限制导致桩身变形加剧。

对于非偏压侧支护桩,随着开挖深度的增加及混凝土内支撑的施工完成,偏压荷载的增大导致支护桩逐渐出现向坑外的水平位移特征。尤其在偏压大小达到90 kPa及以上、开挖深度达到13 m时,支护桩顶部及中段的水平位移显著变化,工况5、工况6中非偏压侧支护桩上部出现了朝向坑外的变形,与文献[22]监测到的现象一致。这是因为偏压侧主动土压力通过内支撑部分传递至非偏压侧,使非偏压侧承受较大水平推力,支护桩的刚度不足以平衡内支撑传递的水平推力,进一步诱发非偏压侧支护桩顶部位置出现向外水平位移。

工况2~工况4随着开挖的进行,桩顶呈现位移减小的趋势,但未出现朝向坑外的变形。表明偏压条件下,内支撑将限制支护桩的变形,这种限制作用受到非对称程度的影响。当偏压系数较小时,偏压侧与非偏压侧支护桩桩顶位移都能得到有限控制,但当偏压系数过大时,非偏压侧支护结构可能出现朝向坑外的变形,这将导致基坑的坑外主动区出现被动状态的土压力,引起基坑受力与支护桩变形形式上的突变。

如图6所示,对比分析工况5有无内支撑条件下开挖至坑底时基坑水平变形云图,可知内支撑结构能够有效减小基坑水平变形,最大水平位移从5.94 cm减至2.53 cm,降低57.4%,同时当存在内支撑结构时,非偏压侧出现土体向坑外移动的现象,这是因为支撑传递的水平推力抵消了非偏压侧支护桩承受主动土压力,非偏压侧土体因抗力不足产生反方向位移。此现象表明内支撑体系的设置虽然能够有效限制基坑整体变形,但其对土压力以及支护结构受力的再分配均能导致非偏压侧支护桩产生朝基坑外的变形。

如图7所示,两种因素表现为非线性增长特性,(坑外位移为有无偏压条件下非偏压侧支护桩桩顶位移差)根据偏压系数的影响程度划分为弱影响区、中影响区和强影响区。在弱影响区内(λ_p<0.06),坑外位移增长较缓,表明此时偏压荷载的影响有限;进入中影响区(λ_p为0.06~0.09),朝坑外位移增长开始加速,土压力重分布和桩体变形效应逐渐显现;在强影响区(λ_p>0.09),偏压荷载对非偏压侧支护桩的变形作用达到显著水平,朝基坑外位移快速非线性增长。此变化趋势反映了非偏压侧支护桩变形受土体应力重分布、塑性变形扩展的共同影响。

如图8所示,偏压侧的最大侧移随着偏压系数的增大呈线性增加,线性拟合公式为y=64.69x+12.22,R=0.998,拟合曲线与模拟数据点高度吻合,表明偏压系数与偏压侧最大侧移之间具有良好的线性正相关关系,当偏压系数达到0.368时,最大侧移达到36 mm,此时基坑偏压侧支护桩易出现倾覆破坏。本文结果与文献[7-8,20]的研究结果展现出相同趋势,证明偏压系数具有适用性,拟合模型可用于预测偏压条件下基坑支护桩的变形行为,可为相似工程支护桩的变形破坏预警提供数学模型。

2.2 基坑坑底隆起分析

图9展示了开挖至坑底时基坑底部隆起高度在水平方向的分布规律及不同偏压系数对隆起高度的影响。当λ_p小于0.06时,坑底隆起在中间区域达到最大值;当λ_p大于0.06时,最大位移逐渐向偏压侧移动,且基坑整体隆起变形沿水平方向在最高隆起高度后呈梯度下降。随着偏压系数从0增至0.15,中心区域隆起高度增加约9.39 mm,整体增长幅度为38.84%。这种现象归因于偏压效应对支护结构及坑底土体的影响。在未施加偏压或偏压系数小于0.06时,土体变形主要源于自重应力释放,导致坑底隆起对称分布;而当λ_p大于0.06时,偏压侧荷载显著增加,非对称的侧向土压力引发中性点偏移,使最大位移向偏压侧转移,整体变形由对称分布转变为偏压主导的梯度式下降。

如图10所示,当偏压系数为0.12时基坑的最大剪切应力云图呈现明显的非对称分布,剪应力集中区域主要位于偏压侧基坑侧壁的中上部,并沿弧形向内扩展至深层土体。偏压效应导致基坑土体应力的不均匀重分布,基坑开挖引发的应力释放加剧了局部剪应力的集中现象。这种剪切应力集中效应将会导致局部剪切破坏、土体滑移、偏压侧支护体系的变形失效以及深层土体的滑移等风险。

2.3 偏压基坑变形机理分析

偏压基坑变形机理如图11所示。根据上述分析,偏压基坑变形机制的关键在于偏压荷载通过内支撑将附加侧向土压力传递至非偏压侧。偏压侧由于附加荷载作用,产生较大的附加侧向土压力,此力通过内支撑传递到非偏压侧,当偏压系数过大时,其传递的推力大于非偏压侧基坑上部土体的主动土压力导致其出现被动土压力区。在这一力学过程中,内支撑充当了关键的附加侧向土压力的传递媒介,传递的附加水平推力大于原土压力是产生土体反方向位移的主要原因。与此同时,偏压荷载的存在导致了坑角土体显著的剪应力集中现象。偏压侧的土体由于应力释放而产生隆起,进一步加剧了基坑底部与支护系统的变形不均。这种支护结构的非对称变形和不均匀隆起现象对基坑的整体稳定性提出了更高的要求。

3 变形控制分析

3.1 坑底土体加固模拟

分析可知,随着偏压系数不断增大,基坑变形形态出现明显变化。当偏压系数λ_p>0.06时,偏压侧支护桩位移大幅度增加;非偏压侧支护桩出现朝坑外偏移的现象,同时偏压侧基坑底部出现高剪应力区,非偏压侧桩顶出现被动土压力区。为了扭转围护结构和坑底隆起的非常规变形,工程中常用的施工处理是坑底土体加固改良,许多偏压基坑工程已经证明了此方法具有良好的效果^[23]。本文数值模型采用与工程现场相同的坑底加固措施,以模拟计算围护结构的变形和坑底隆起,模拟结果如图12所示,相关加固参数如表4所示。

图12展示了加固前后的基坑隆起情况,结果表明整体隆起高度得到了有效控制,偏压侧的隆起高度显著减小,加固措施有效控制了偏压侧的不均匀变形。通过模拟值与监测值的对比分析,数值模拟准确性较高,能够准确反映偏压荷载作用下变形趋势,模拟结果与监测值在移峰值大小及其分布规律上高度一致,误差较小,具有较高的准确性。个别波动点和误差的产生与部分土体参数的不确定性、实际施工过程中的扰动等因素有关。

对比分析加固前后的隆起图(图13、图14)可知,加固后的基坑底部隆起表现出显著的差异性和改善趋势。加固前,偏压侧土体隆起峰值达到3.90 mm,隆起范围较大且分布不均,偏压侧土体隆起高度集中,非偏压侧隆起高度快速衰减,整体表现出明显的空间衰减和局部集中特征。加固后偏压侧的隆起峰值降至25.20 mm,局部隆起范围明显缩小,偏压侧与非偏压侧的隆起高度的差距显著减弱。此原因在于加固措施显著提高了土体的刚度与抗剪强度,减弱了偏压荷载作用下的剪应力集中效应,土体竖向变形受到良好控制。此外,坑底土体加固减小了支护桩体的变形,提高了内支撑的协调变形作用,优化了偏压荷载在基坑整体的力学分布,有效地控制了坑底的不均匀隆起,提高了支护结构变形的整体性。

3.2 加固参数敏感性分析

坑底土体加固设计中,需明确各加固因素对基坑变形的相对影响。因此考虑加固体弹性模量与加固深度两项主要因素,模拟方案选取加固体的弹性模量为1.2E、1.4E和1.6E(E为加固体原弹性模量);加固深度为0.3H、0.4H和0.5H(H为基坑开挖深度)。对3×3=9种工况进行数值模拟,对支护桩的最大侧向位移和坑底的最大隆起高度的模拟结果进行极差分析,明确加固体弹性模量与加固深度对基坑变形的贡献程度。

极差分析法包括计算和分析两个主要步骤,其中,K_j为第j个因素在不同水平下的计算结果之和,${\stackrel{-}{K}}_{j}$为第j个因素在水平下的计算结果的平均值,j=1,2,…,m。通过极差分析可以判断因素的最佳水平和各因素之间的水平组合^[24]。

极差定义为

(7)$\begin{aligned}R_{j}= & \max \left(\bar{K}_{1}, \bar{K}_{2}, \cdots, \bar{K}_{m}\right)- \\& \min \left(\bar{K}_{1}, \bar{K}_{2}, \cdots, \bar{K}_{m}\right)\end{aligned}$

极差R_j反映了某因素水平变化时试验结果的波动幅度。R_j越大,表明该因素对试验结果的影响越显著,因此选择此方法来判定各因素的贡献程度,采用FLAC^3D有限差分软件进行数值模拟,计算结果如表5所示,结果分析如表6所示。

对于偏压侧支护桩最大位移计算分析结果,加固深度的极差0.08远小于弹性模量的0.62,表明弹性模量对该偏压侧支护桩最大位移占主导影响,当弹性模量增大时,偏压侧支护桩最大位移呈减小趋势。对坑底隆起高度来说加固深度对应的极差为1.75,而弹性模量的极差高达3.83,由此可知,弹性模量在控制坑底隆起方面同样起决定作用。综上所述,各响应指标的极差分析结果均表明:弹性模量在控制偏压基坑变形时为主导因素。加固体弹性模量对支护结构的变形与坑底隆起高度均有显著的调控作用,加固深度(H)较加固体弹性模量(E)相比影响较弱。

3.3 坑底土体加固方案的优化分析

本工程原变形控制方案中采用满堂加固方法,通过使用大面积和均质的加固措施以确保整体受力安全,但这种做法也带来了材料利用效率低、施工成本高^[25],以及局部应力分布不均等一系列问题。

为此,针对偏压基坑坑底隆起的特征,提出一种坑底土体梯度加固的新方案。该方案通过对基坑变形特性及加固参数的敏感性进行分析,将加固区域划分为核心区、次级区和边缘区,根据各区域的受力和变形特点,采用不同弹性模量的加固材料进行分区加固。对核心区使用高弹性模量的加固材料以提高承载力和刚度,次级区则选用中等弹性模量的材料,而边缘区则采用较低弹性模量的材料。通过合理配置加固施工方案,确保各区域之间的刚度平滑过渡。

对不同加固方式进行对比分析,具体设计方案如图15所示,对比结果如表7所示,梯度加固的综合表现显著优于其他方案,其坑底最大隆起控制为25.76 mm,接近满堂加固的25.20 mm,相比抽条加固29.38 mm降低12.32%;偏压侧支护桩最大侧移仅为16.16 mm,优于满堂加固(17.19 mm)和抽条加固(18.24 mm)。同时,梯度加固方案两侧支护桩的变形较其他两种方案的整体性显著提高,非偏压侧支护桩最大侧移为9.58 mm,较偏压侧最大侧移差仅为6.58 mm,梯度加固方案材料用量和成本则明显减少,其成本指数为0.72,较满堂加固(1.00)降低28%,仅高于抽条加固的0.14个成本指数。

综上所述,梯度加固方案通过精准划分加固区域显著提高了对坑底土体隆起的控制,增强了支护结构整体变形的协调性,展现出在复杂工程条件下的适用性与经济性。此加固方案已应用于本水厂工程取水泵房等其他偏压基坑并安全施工,节省工期约20 d、减少成本约30万元。

该案例证明基于基坑的变形特点来设计变形控制方案至关重要,此设计思路直接关系到基坑工程的安全性与经济性,准确分析变形特征能够有效优化加固方案,降低成本的同时确保施工安全,可为相关基坑工程加固方案提供有效的科学指导。

4 结论

通过提出偏压系数以量化偏压荷载对基坑变形的影响,使用FLAC^3D软件系统分析不同偏压系数条件下基坑的变形响应,并基于偏压基坑的变形特征和加固参数敏感性分析,设计一种新的坑底土体梯度加固方案,可为相关基坑工程提供更加合理的技术参考。得出如下结论。

(1)偏压系数直接影响基坑支护体系的受力与变形模式,当偏压系数小于0.09时,内支撑对桩身变形尚有较好抑制作用,当偏压系数大于0.09时,非偏压侧支护桩乃至周边土体受力条件发生转变,非偏压侧支护桩出现朝坑外变形的现象。通过明确偏压系数的临界阈值与受力变形规律,为偏压基坑工程提供了从风险预判、设计优化到施工管控的全流程科学指导。

(2)所提出的偏压系数具有良好的适用性,偏压系数与支护桩最大位移呈现明显的线性关系,通过线性拟合方程可预测偏压条件下支护桩的最大位移,该方法无需依赖复杂数值模拟或大型试验设备,仅需通过现场地质勘察获取核心参数,即可计算出支护桩的理论变形值,解决了传统偏压工程中变形预测计算复杂,耗时久的问题。

(3)偏压基坑变形机制归因于偏压荷载通过内支撑将附加侧向应力传递至非偏压侧。偏压侧产生附加推力使非偏压侧支护桩承受过大的水平推力,进而导致非偏压侧出现被动土压力区。偏压荷载引发的剪应力集中和土体非对称隆起现象加剧了基坑与支护系统的变形不协调性。

(4)偏压系数大于0.09时,坑底土体出现显著的“非对称性上拱”现象,坑底土体加固使土体竖向变形和支护桩位移得到良好控制,通过极差分析可知,加固深度(H)的极差(0.08)远小于加固模量(E)的极差(0.62),表明加固体弹性模量E在控制基坑变形决定作用,可为相关基坑工程的加固参数提供参考。

(5)梯度加固方案在基坑变形控制中展现出显著的性能与经济优势。该方案在坑底最大隆起(仅相差0.56 mm)和支护桩位移控制方面,效果不仅达到甚至优于满堂加固,而且较抽条加固分别提升了5.93%和11.40%。在成本控制方面,较满堂加固降低了28%。在降低成本的同时提高了支护结构变形的整体性。

综上所述,研究成果为偏压基坑工程的设计、施工与安全管控提供了理论支撑与工程实用性的科学指导,其核心应用价值体现在以下三方面:通过定义偏压系数并确定其临界阈值,建立基于线性拟合的变形预测数学模型,形成可直接应用的量化风险判据,为复杂地质条件下基坑工程的风险规避提供了可直接落地的技术方案;提出的梯度加固技术,有效缓解了传统加固方案中变形控制与成本优化难以兼顾的问题;明确了加固模量对基坑变形控制的核心主导作用,通过优化加固方案参数,减少了建材冗余消耗,同时降低了偏压荷载对基坑稳定性的不利影响,在实现工程成本精准控制的基础上,为基坑工程践行绿色施工理念、助力建筑行业“双碳”目标达成提供了切实可行的技术路径。

参考文献

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