復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑深基坑支護(hù)變形響應(yīng)及支護(hù)優(yōu)化研究

0 引言

不同區(qū)域的地質(zhì)條件呈現(xiàn)出顯著的差異性，包括軟土、砂土、巖石等多種類別，且往往伴隨著復(fù)雜的地下水環(huán)境。對于軟土地質(zhì)而言，土體具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高的特性，易致使基坑周邊土體產(chǎn)生較大幅度的變形。砂土地質(zhì)則面臨砂土液化、滲透變形等諸多問題。在巖石地質(zhì)中，巖石所具有的節(jié)理、裂隙等構(gòu)造會對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。與此同時，深基坑周邊通常分布著密集的建筑物以及地下管線等，這使得對基坑變形的控制要求極為嚴(yán)苛[1-2]。支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形過大、失穩(wěn)等狀況，不但會對基坑自身的施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還極有可能引發(fā)周邊建筑物開裂、傾斜，地下管線破裂等不良后果，進(jìn)而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及負(fù)面的社會影響。

深入探究復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑深基坑支護(hù)的變形響應(yīng)機(jī)制，并尋求有效的支護(hù)優(yōu)化策略，對保障深基坑工程安全與周邊環(huán)境穩(wěn)定非常重要[3-4]。朱殷航[5]等采用Plaxis3D軟件與HS-Smal本構(gòu)模型，模擬上海軟土超深基坑開挖。通過此模型得出連續(xù)墻呈紡錘型變形、墻后地表沉降為凹槽型的結(jié)論，且計算與實測結(jié)果吻合良好。歐陽煜[6]等人將環(huán)梁和支護(hù)結(jié)構(gòu)分別等效為彈性圓環(huán)與圓柱薄殼，獲得圓形深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形解析解。研究發(fā)現(xiàn)彈性環(huán)梁支撐內(nèi)力變化小，環(huán)梁參數(shù)主要影響挖掘面以上支護(hù)結(jié)構(gòu)，為圓形基坑設(shè)計提供了理論依據(jù)。李濤[7]等人構(gòu)建AM-CNN-LSTM模型，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)方法研究北京地區(qū)深基坑。研究結(jié)果顯示，該模型預(yù)測支護(hù)樁變形穩(wěn)定性和精度高，且支護(hù)樁最大變形值與多因素關(guān)聯(lián)度高，為變形預(yù)測提供了新途徑。

本研究以恒融商務(wù)中心二期基坑工程為工程背景，通過制定全面且科學(xué)的監(jiān)測方案，對該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及土體穩(wěn)定性進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測與分析。通過詳細(xì)探究水平變形和豎向沉降等關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律，從而系統(tǒng)總結(jié)出建筑深基坑支護(hù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的變形響應(yīng)特性。同時，結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對性地提出切實可行的支護(hù)優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行深入分析，包括應(yīng)力變化情況以及土體穩(wěn)定性的提升效果。

1工程概況

1.1 工程基本情況

恒融商務(wù)中心二期工程位于漢口常青路，地處武漢市江漢區(qū)102號路與常青路交叉區(qū)域。該項目規(guī)劃總用地面積13386.66m，總建筑面積達(dá) 79687.24m² ，涵蓋1棟21層、1棟29層辦公樓及1棟4層裙房，并設(shè)有三層地下室。其基坑總延長約 428.0m ，面積約 8708.6m² ，周邊開挖深度在14.90～16.40m之間，支護(hù)設(shè)計以22.600m作為標(biāo)高基準(zhǔn)。場地地質(zhì)條件相對復(fù)雜，這對基坑支護(hù)和施工帶來較大挑戰(zhàn)。加之該區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，存在較多建筑物和地下管線，因此基坑施工不僅要保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，還需嚴(yán)格控制施工過程中對周邊環(huán)境的影響。

1.2地質(zhì)特性分析

本工程所處區(qū)域地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂以及細(xì)砂等多種土層。由于雜填土結(jié)構(gòu)松散、成分復(fù)雜、均勻性差，對基坑開挖時的邊坡穩(wěn)定性有不利影響。粉質(zhì)黏土具有一定的可塑性和黏聚力，但在長期地下水浸泡或施工擾動下，其強(qiáng)度會有所降低。粉土和粉砂透水性較強(qiáng)，在基坑開挖過程中，易引發(fā)流砂、管涌等滲透變形問題，嚴(yán)重威脅基坑安全。細(xì)砂層則顆粒較細(xì)，承載能力有限，在土體壓力和地下水作用下容易產(chǎn)生較大變形。

同時，該區(qū)域地下水水位較高，主要為上層滯水和承壓水。上層滯水賦存于淺部土層中，受大氣降水和地表徑流補(bǔ)給影響較大，水位變化較為頻繁。承壓水則埋藏于深部砂土層中，水壓較大，若在基坑施工中處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致基坑突涌，破壞基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.3基坑支護(hù)設(shè)計

本基坑工程采用了多種支護(hù)措施，以確保施工安全與周邊穩(wěn)定。具體方案如下：一是周邊支護(hù)體選用地下連續(xù)墻，施工時利用成槽設(shè)備挖掘溝槽，吊放鋼筋籠并澆筑混凝土形成連續(xù)墻體，憑借其剛度大、整體性好和正水性能強(qiáng)的優(yōu)勢，有效抵御外側(cè)土體和地下水壓力。二是豎向設(shè)置3道混凝土支撐體系，依據(jù)基坑形狀、大小和受力特點合理布置，利用其剛度大、變形小的特性，為地下連續(xù)墻提供可靠水平支撐，均勻分配土體壓力。三是采用三軸水泥土攪拌法對槽壁和被動區(qū)加固，通過攪拌設(shè)備將水泥漿與土體混合，提升槽壁穩(wěn)定性，增強(qiáng)被動區(qū)土體抗力。四是基坑內(nèi)部通過管井降水，抽出地下水以降低水位，減小浮力和滲透壓力，改善土體工程性質(zhì)，提高其抗剪強(qiáng)度，營造干燥的施工環(huán)境。

2建筑深基坑支護(hù)變形響應(yīng)特性

2.1 監(jiān)測方案設(shè)計

針對恒融商務(wù)中心二期基坑工程，采用全方位、多維度的監(jiān)測方案。

2.1.1支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

在地下連續(xù)墻關(guān)鍵部位預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計，實時監(jiān)測墻體受力狀態(tài)。在混凝土支撐節(jié)點處設(shè)置應(yīng)變片，實時掌握支撐應(yīng)力分布。

2.1.2土體穩(wěn)定性監(jiān)測

通過在基坑周邊不同深度土層內(nèi)埋設(shè)測斜管，運用測斜儀測量土體水平位移，分析水平變形情況；在基坑內(nèi)外布置沉降觀測點，利用水準(zhǔn)儀定期測量豎向沉降，了解土體沉降趨勢。

2.1.3 監(jiān)測頻率

依據(jù)施工進(jìn)度和基坑變形情況，動態(tài)調(diào)整監(jiān)測頻率。在基坑開挖初期，每2～3d監(jiān)測一次；在開挖關(guān)鍵階段，如支撐安裝前后，每天監(jiān)測；當(dāng)出現(xiàn)異常變形時，加密監(jiān)測。同時，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、傳輸與分析，確保及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險。

2.2應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1施工階段的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力值變化曲線如圖1所示。由圖1可知，從施工階段分析，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力值總體隨時間推移而逐漸增加。施工初期，開挖深度較淺，土體側(cè)向壓力較小，土釘墻與混凝土支撐承擔(dān)的荷載有限，因此土釘墻關(guān)鍵點與混凝土支撐點的應(yīng)力值緩慢增長，從初始的0.31MPa與0.21MPa增長至第4周的0.36MPa、0.27MPa。

圖1基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力值變化曲線

施工中期，開挖深度不斷加大，土體壓力持續(xù)增加，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載大幅上升。同時，隨著支撐體系逐步形成，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，導(dǎo)致各部位應(yīng)力值快速增長，到第8周達(dá)到 0.73MPa 與 0.47MPa ，平均每周分別增長 0.09MPa 與 0.05MPa 。之后隨著開挖接近尾聲，施工活動對土體擾動減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間逐漸達(dá)到新的力學(xué)平衡狀態(tài)，應(yīng)力值開始逐漸穩(wěn)定，直至第10周施工結(jié)束時達(dá)到最大值 0.76MPa 與 0.5MPa 0

2.2.2施工完成后的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工完成后，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力值變化曲線進(jìn)行分析。從圖1可知，各部位應(yīng)力值隨時間推移逐漸降低。施工完成初期，土釘墻關(guān)鍵點與混凝土支撐點的應(yīng)力值從原本的最大值0.76MPa、0.5MPa緩慢降至0.73MPa、0.47MPa。

分析認(rèn)為，施工剛結(jié)束時，結(jié)構(gòu)處于自我調(diào)整階段，土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的應(yīng)力在重新分配。隨后，隨著地下結(jié)構(gòu)的逐步加載和土體的固結(jié)，作用在土釘墻和混凝土支撐上的荷載有效減小，導(dǎo)致各部位應(yīng)力值快速下降，到第17周降至 0.52MPa 、 0.32MPa 。此后地下結(jié)構(gòu)與土體的協(xié)同工作體系趨于穩(wěn)定，不再有明顯的荷載變化，各部位應(yīng)力值開始逐漸穩(wěn)定。最終穩(wěn)定在0.48MPa、0.29MPa，此時基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊土體達(dá)到了長期穩(wěn)定的力學(xué)平衡狀態(tài)。

2.3土體穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1施工階段的土體穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑周圍土體的變形量與沉降值變化曲線如圖2所示。由圖2可知，在施工階段，土體變形量與沉降值均隨時間推移而逐漸增加。施工初期，基坑開挖深度較淺，對土體的擾動范圍和程度有限，土體內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整較為緩慢，周邊土體的力學(xué)平衡尚未被大規(guī)模打破。因此，該階段基坑周邊土體相對穩(wěn)定，變形量與沉降值分別僅增長了1.6mm與1.5mm。

隨著施工進(jìn)入中期，開挖深度持續(xù)加大，土體被大量移除，土體原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著改變，側(cè)向土壓力和垂直土壓力重新分布，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大變形。同時，隨著支撐結(jié)構(gòu)的逐步施加，也會對土體產(chǎn)生一定的擠壓作用，共同促使基坑周邊土體的變形量與沉降值快速上升，到第8周分別達(dá)到 13.2mm 、6.5mm。之后，隨著施工接近尾聲，開挖活動停止，土體的應(yīng)力調(diào)整逐漸完成，新的力學(xué)平衡逐漸建立，土體的變形量與沉降值開始逐漸穩(wěn)定，最終在施工完成時分別穩(wěn)定在14.4mm、7.2mm。

2.3.2施工完成后的土體穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從圖2可知，施工完成后，基坑周邊土體的變形量與沉降值隨時間推移繼續(xù)增加。施工完成初期，基坑周邊土體雖已歷經(jīng)施工階段的應(yīng)力調(diào)整，但由于土體自身存在蠕變特性，在持續(xù)的自重作用下，土體顆粒會緩慢重新排列，導(dǎo)致變形量與沉降值從原本的 14.4mm.7.2mm 緩慢增加至 15.7mm.7.6mm 隨后，隨著地下水位的波動，尤其是地下水位上升時，土體的有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度降低，使得周邊土體的變形量與沉降值開始快速上升，直至第17周分別達(dá)到 20.5mm 、9.5mm。之后隨著時間推移，土體逐漸適應(yīng)新的受力環(huán)境，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新穩(wěn)定，同時周邊環(huán)境因素也趨于穩(wěn)定，基坑周邊土體的變形量與沉降值開始逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在 21.1mm ， 9.9mm 。

圖2基坑周圍土體的變形量與沉降值變化曲線

3支護(hù)優(yōu)化研究

3.1支護(hù)優(yōu)化方案

基于恒融商務(wù)中心二期基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，從以下幾方面進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化。 ① 在支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，針對地下連續(xù)墻的應(yīng)力集中區(qū)域，增加鋼筋配置，提高墻體的抗彎和抗剪能力，增強(qiáng)其承載性能。 ② 對于混凝土支撐體系，在其關(guān)鍵節(jié)點增設(shè)鋼支撐進(jìn)行輔助加固，利用鋼材的高強(qiáng)度和高韌性分擔(dān)混凝土支撐的壓力，有效減小支撐變形。 ③ 在土體加固方面，在原三軸水泥土攪拌法加固的基礎(chǔ)上，對重點變形區(qū)域采用高壓旋噴樁進(jìn)行二次加固。通過高壓噴射水泥漿與土體充分混合，形成高強(qiáng)度加固體，進(jìn)一步提高土體穩(wěn)定性和承載力。 ④ 在地下水控制方面，通過加密管井布置，特別是在地下水豐富且滲透系數(shù)大的區(qū)域。通過此方法，確保降水效果更均勻，減少因地下水導(dǎo)致的土體軟化和浮力問題，全面提升基坑支護(hù)的安全性和穩(wěn)定性。

3.2優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1應(yīng)力變化情況分析

優(yōu)化前后基坑支護(hù)體系各部位的應(yīng)力值變化曲線如圖3所示。從圖3可知，優(yōu)化后各部位應(yīng)力變化值隨時間推移呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在施工前期，盡管采取了優(yōu)化措施，但隨著基坑開挖深度增加，土體壓力逐步施加于支護(hù)體系，應(yīng)力值依舊上升。不過與未優(yōu)化情況相比，上升幅度得到有效控制。這是因為優(yōu)化后的支護(hù)體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用以及加固方式上進(jìn)行了改進(jìn)，如增加關(guān)鍵部位的支撐強(qiáng)度、采用更優(yōu)質(zhì)的材料等，使得支護(hù)體系能夠更合理地分擔(dān)荷載，降低各部位承受的壓力。

基坑施工完成時，土釘墻關(guān)鍵點與混凝土支撐點的應(yīng)力值從優(yōu)化前的0.76MPa、0.5MPa降至0.48MPa、 0.33MPa ，降幅達(dá)36.8% 、 34% 。施工完成后，隨著土體與支護(hù)體系進(jìn)一步磨合達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力值持續(xù)下降，最終穩(wěn)定在0.3MPa、0.19MPa，降幅達(dá) 60.5% 和 62% ，這進(jìn)一步體現(xiàn)了優(yōu)化措施在長期穩(wěn)定性上的積極作用。

圖4優(yōu)化前后基坑周邊土體的變形量與沉降值變化曲線

3.2.2土體穩(wěn)定性分析

優(yōu)化前后基坑周邊土體的變形量與沉降值變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在施工階段，優(yōu)化后的變形量與沉降值呈現(xiàn)“緩慢增長 $$ 快速上升 $$ 逐漸穩(wěn)定”趨勢。施工初期，由于基坑開挖面積小、深度淺，土體自身的抗變形能力尚可維持穩(wěn)定，所以變形量與沉降值緩慢增加。

隨著施工推進(jìn)，開挖規(guī)模擴(kuò)大，土體應(yīng)力平衡被打破，即便經(jīng)過優(yōu)化，在較大的土體壓力下，變形量與沉降值仍快速增長。但優(yōu)化后的支護(hù)體系通過改善土體受力分布，如增加土體加固范圍、優(yōu)化支撐布局，使得土體變形得到有效控制。施工完成時，變形量與沉降值從未優(yōu)化時的 14.4mm. ， 7.2mm 降低至6mm、 3.3mm ，降幅達(dá)58.3% 一 54.2% 。

施工完成后進(jìn)入穩(wěn)定階段，土體在長期的自重和周邊環(huán)境作用下，變形本應(yīng)持續(xù)發(fā)展，但優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)揮作用，限制了土體的進(jìn)一步變形，使得變形量與沉降值從21.1mm、 9.9mm 降低至9mm、4.6mm，降幅達(dá) 57.3% ， 53.5% ，充分體現(xiàn)了優(yōu)化措施對控制基坑周邊土體變形的顯著效果。

4結(jié)論

本文以武漢市恒融商務(wù)中心二期基坑工程為研究對象，針對復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)特性開展系統(tǒng)研究。得到如下結(jié)論：

1）施工階段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈“緩慢增長-快速上升-逐漸穩(wěn)定”趨勢，土釘墻關(guān)鍵點與混凝土支撐點的應(yīng)力最大值分別達(dá) 0.76MPa 和 0.5MPa ；土體變形量與沉降值隨開挖深度增加而顯著增大，最終分別達(dá) 14.4mm 和 7.2mm. 號

2）基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，從支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體加固、地下水控制等方面提出系統(tǒng)性優(yōu)化方案。具體措施包括：在地下連續(xù)墻的應(yīng)力集中區(qū)域增加鋼筋配置，提升墻體抗彎和抗剪能力；在混凝土支撐體系關(guān)鍵節(jié)點增設(shè)鋼支撐進(jìn)行輔助加固，利用鋼材特性分擔(dān)壓力，減小支撐變形；土體加固方面，在原三軸水泥土攪拌法的基礎(chǔ)上，對重點變形區(qū)域采用高壓旋噴樁進(jìn)行二次加固；地下水控制方面，加密管井布置，尤其在地下水豐富且滲透系數(shù)大的區(qū)域，確保降水效果均勻，提升基坑支護(hù)的安全性和穩(wěn)定性。

3）優(yōu)化后，施工完成時土釘墻關(guān)鍵點與混凝土支撐點應(yīng)力值分別降至0.48MPa和 0.33MPa ，降幅達(dá) 36.8% 和 34% ；土體變形量與沉降值分別降至6mm和 3.3mm ，降幅達(dá) 58.3% 和 54.2% 。這充分表明所提優(yōu)化措施有效提升了基坑穩(wěn)定性，為復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑支護(hù)工程提供了寶貴的實踐經(jīng)驗與理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李濤，任東偉，劉學(xué)成，等.考慮深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的鄰近管線變形解析方法[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2023，52（1）：86-97.

[2]黃生根，張義，霍昊，等.軟土地區(qū)深基坑支護(hù)工程格構(gòu)柱變形規(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，2023，44（S1）：533-538.

[3]李濤，楊依偉，周予啟，等.深基坑內(nèi)支撐拆除時支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2022，41（S1）：3021-3032.

[4]張向東，劉洋.土體參數(shù)對于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（5）：794-798.

[5]朱殷航，徐中華，王衛(wèi)東，等.軟土地層超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性三維分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2023，19（S2）：767-777.

[6]歐陽煜，高云飛，任凱凱.彈性環(huán)梁支撐下圓形深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形解析解[J].上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，30（1）：128-139.

[7]李濤，舒佳軍，王彥龍，等.基于模態(tài)分解方法的深基坑支護(hù)樁水平變形預(yù)測[J].巖土力學(xué)，2024，45（S1）：496-506.