长江经济带建设覆盖长江11省市,沿线城市轨道交通、隧道和商业综合体工程之地下空间大量涌现,与此同时,沿江城市地下工程施工事故与灾害也随其发展规模同步增长。一级阶地分布于长江两岸地区,武汉位于长江中游,长江水连通的承压水、粉质黏土与粉砂地基广泛存在,基坑工程有着突出的难度,施工易诱发环境变形与透水引发塌陷灾害事故。例如,不同颗粒组分及互层比(粉质黏土与粉砂)结构存在不同渗流特征,长江水位涨落对一级阶地土层的影响,深厚粉细砂受到承压水作用产生地基渗透变形破坏等。此外,现阶段对近江一级阶地粉质黏土渗流变形微细观机理,粉砂地基渗透变形破坏过程未完全揭示,特别是在此复杂水文地质环境下,近江嵌岩围护结构基坑开挖对周边环境影响与变形控制问题。鉴于此,本文采用现场地质调查取样、原位测试、微观结构表征、物理力学试验、离心模型试验、宏微观渗流分析、多种数值模拟计算、理论力学分析、实测数据统计等综合研究方法,获得一级阶地复杂水文地质条件下基坑开挖平面变形、空间效应与影响因素,结合应用分析提出基坑变形控制措施,可为近江基坑工程设计与施工提供参考,目前取得主要研究成果如下:(1)通过对一级阶地的地质环境调查,结合区内地质勘察报告,归纳武汉长江一级阶地工程地质特征,查明了一级阶地工程地质和水文地质条件、区域地形地貌、地质构造、岩层分布、土体结构特征、地下水类型、承压水运动特点;在此基础上,结合多种手段的物理力学试验得到适用于场区基坑模拟的本构(摩尔库仑、修正剑桥与硬化模型)参数,并提出近江基坑工程关键工程问题。(2)从宏观与微细观层面研究一级阶地粉质黏性土渗透变形机理,以水土作用与孔隙连通方面出发,采取离心物理试验、物性分析及微细观结构试验(X射线衍射矿物分析、黏土比表面积试验、压汞试验、离心低熔点金属侵入、扫描电子显微镜、图像处理)等综合技术,分析土体“宏微观变形规律与机理、孔隙连通对渗流场影响、微细观孔隙结构特征”的三个方面。获得承压水作用下土体沉降变形、水土压力与位移场的变化规律;揭示了原状土、压缩土与不同含砂率的粉质黏土的矿物组成、微观结构数据及形貌特征;在此基础上,通过2D格子波尔兹曼方法(LBM)研究孔隙渗透性,定量地揭示粉质黏土渗透性和孔隙连通关系,揭示不同粉质黏土的概率流速与渗透率标准差规律,获得影响微观结构渗透的图像处理技术参数。通过BSE成像获得清晰的纳米级分辨率孔隙剖面图像,基于圆度与(9关系的逆幂关联,对Washburn’s方程进行了修正,更准确地反映汞侵入孔隙度与渗透率的测量结果,揭示孔隙尺寸的再分布和孔隙度的变化规律,清晰观测到微观结构变形过程中的两个阶段:径向压实和孔隙分离。(3)粉砂土地基渗透变形破坏机理研究,从“均质土不同含砂颗粒组分与不同互层比土层渗透特性、粉砂地基土渗透变形破坏、上覆土层坍塌破坏力学机理”三个方面,研究特征土体的渗透性质与粉砂土地基渗透变形破坏机理。通过渗透系数、启动比降、临界比降、破坏比降、渗透破坏过程线的分析,揭示土体颗粒组成与互层比(砂土与粉质黏土)结构对宏观渗流特征的影响,及其不同的渗流特征、渗透比降与渗流关系;开展不同裂隙宽度下变水头粉砂地基渗透物理模型试验,通过渗流场动态过程、水压力动态过程、排水速率与上游水位关系、排泥砂量过程等,揭示不同裂隙宽度下变水头粉砂地基渗透发展演化阶段与破坏模式。采用三维FLAC数值模拟计算,分析承压水头作用下渗流场与应力场变化特征,通过流速矢量、有效应力变化趋势预测渗透试验产生的楔形渗透变形破坏模式,在此基础上引入“拱”力学模型阐释渗透致上覆盖土层坍塌力学机理。(4)嵌岩围护长大深基坑水平支撑结构的选型分析,从“地连墙围护结构力学特征、最深开挖段基坑三维数值模拟、水平支撑结构优化、深基坑结构的施工措施”四个方面,研究不同开挖深度基坑的内力与变形,验证了基坑的结构选型方案。主要通过嵌岩围护渗透引起土层沉降变形预测、开挖引起地连墙围护段内力与变形分析,确定地连墙的止水与围护的问题;以FLAC3D精细三维建模分析深基坑最深开挖区域,通过地表沉降变形、地连墙位移、深层土体位移、水平支撑受力与立柱位移等,揭示不同支撑结构的嵌岩围护基坑的变形及其影响,提出拟采取的逆作基坑施工措施。(5)深基坑在不同施工措施下的平面变形特征与空间效应研究,通过离心物理模型试验与数值模拟分析,从“二维基坑平面变形、三维基坑空间效应、基坑变形影响因素”三个方面展开,获得近江深基坑不同施工措施下的变形特征。开展无支撑开挖、有内支撑、放坡开挖条件下的二维基坑离心模型试验,获得地表与地连墙变形、土压力与孔隙压力发展时程曲线,通过地面沉降、土压力、地连墙弯矩、地基剖面位移场等揭示基坑在不同措施下的平面变形特性;在此基础上,开展三维离心物理模型与数值模拟分析得到地连墙位移与坑外地表沉降关系,揭示基坑长度、面积、深度、承压水等因素对空间效应的影响,通过PSR(平面应变比)变化反应基坑空间效应的变化特征,为近江深基坑不同土方开挖与水平支撑结构优化施工提供相应理论基础。(6)在上述研究基础上,结合工程类比、实例统计和数值模拟的研究结果提出近江长大深基坑变形控制方案与优化措施。对土方开挖措施采用ABAQUS三维数值模拟预测整体开挖对周边环境影响,通过ANSYS预测水平支撑结构变形;根据深基坑空间效应特征,以平面上分期、分段、分区进行土方开挖与结构逆作施工相结合,通过PLAXIS二维数值模拟地下盆式开挖对周边建筑(构)物影响分析;最后,证明本文提出的选型方案与优化措施对基坑变形控制、施工效率提高是可行的,相关施工工艺参数建议值是合理的。