深基坑支護(hù)體系凍脹變形數(shù)值分析

李 闖 劉曉兵 劉文杰 梁 文

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，各地都建立了許多規(guī)模較大的住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)。但是，城市的土地資源是有限的，為了充分利用土地資源，在大型建筑物下構(gòu)建地下商場(chǎng)、停車場(chǎng)已經(jīng)成為城市建筑必不可少的環(huán)節(jié)，并且地下空間利用的深入也在不斷增加，即工程的基坑深度很深［1-2］。此外，我國(guó)的凍土部分區(qū)域十分廣泛，東北、華北、西北地區(qū)均為季節(jié)性凍土區(qū)域，且凍土深度較大［3］。當(dāng)基坑長(zhǎng)期暴露在低溫環(huán)境中，土體凍脹很可能引發(fā)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，甚至造成基坑坍塌。為此，研究土體凍脹條件下的深基坑支護(hù)變形對(duì)于冬季施工安全具有重要意義［4］。

在工程實(shí)踐過(guò)程中，單純依據(jù)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)土體凍脹規(guī)律的方法存在監(jiān)測(cè)效率低、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。并且，受到不同地域自然條件的限制，其分析結(jié)論局限性很大，難以推廣。隨著計(jì)算仿真技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外均已開始利用數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算土體凍脹對(duì)深基坑支護(hù)體系的影響，并取得了很多成果?；又ёo(hù)體系的土體凍脹變形是溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)等多個(gè)場(chǎng)耦合的結(jié)果［5］?；诖?，有限元分析法被廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)的土體凍脹變形模擬。文獻(xiàn)［6］基于有限差分法，建立了防凍脹水泥桿和基坑土層的傳熱耦合模型，模擬的土體凍脹的邊界條件。文獻(xiàn)［7］分析了土體凍脹條件下的排樁凍土墻圍凍脹力及的產(chǎn)生機(jī)理，并提出卸壓孔法以降低排樁水平凍脹力。文獻(xiàn)［6］采用ABAQUS有限元軟件，仿真了土體凍脹條件下的基坑支護(hù)溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)耦合數(shù)值，驗(yàn)證了邊界條件和室內(nèi)試驗(yàn)條件。文獻(xiàn)［8］以具體工程為例，在對(duì)冬季施工過(guò)程中的基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得出了影響樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系凍脹的因素，并提出了預(yù)防土體凍脹影響的具體措施。文獻(xiàn)［9］在對(duì)渠道混凝土凍脹結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，基于有限元分析模型，研究了土體凍脹條件下深基坑混凝土的張拉剪切復(fù)合型裂紋擴(kuò)展問(wèn)題。

為進(jìn)一步分析土體凍脹對(duì)深基坑支護(hù)體系的影響機(jī)理，總結(jié)土體凍脹的影響因素，為冬季基坑設(shè)計(jì)和施工積累數(shù)值分析經(jīng)驗(yàn)，本文以甘肅省某深基坑支護(hù)工程為例，基于有限元分析了土體凍脹對(duì)支護(hù)體系的影響。該基坑周圍建筑較多，且建筑與基坑距離較近，基坑支護(hù)的數(shù)值監(jiān)測(cè)十分重要。本文基于有限元分析方法構(gòu)建了土體凍脹條件下的深基坑支護(hù)熱力耦合模型，模擬了支護(hù)體系的熱應(yīng)力耦合，模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值相符，能夠有效反應(yīng)土體凍脹條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形程度。

1 土體凍脹影響機(jī)理

1.1 土體凍脹機(jī)理

在我國(guó)廣大的季節(jié)性凍土區(qū)域，當(dāng)溫度降低到零度以下時(shí)，基坑中的水就會(huì)凝結(jié)成冰，土體就會(huì)出現(xiàn)凍脹。凍脹后土體的體積會(huì)增加，周圍建筑就會(huì)受到凍脹土體的壓力，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)引發(fā)建筑安全問(wèn)題。

土體的凍脹分可以分為兩類：原位凍脹和分凝凍脹［10］。顧名思義，原位凍脹是指當(dāng)溫度低于零度時(shí)，土體中的水沒有移動(dòng)，就在原來(lái)的位置凝結(jié)成冰，發(fā)生土體凍脹，原位凍脹產(chǎn)生的凍脹量很小，對(duì)基坑支護(hù)的破壞力較小，在基坑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中可以忽略不計(jì)。分凝凍脹是指當(dāng)溫度降低到零度以下，土體出現(xiàn)凍結(jié)，此時(shí)受到溫度梯度的影響，薄膜水就會(huì)自發(fā)地朝著溫度較低的區(qū)域移動(dòng)，最終在凍結(jié)鋒面凝結(jié)成冰透鏡體，分凝凍脹的凍脹量很大，是影響基坑支護(hù)的主要因素。

此外，土體中的水分凝結(jié)成冰的過(guò)程是一個(gè)熱量釋放的過(guò)程。而出現(xiàn)凍脹的水分越多，釋放出的熱量也就越多。土體凍脹釋放的熱量會(huì)直接阻礙凍結(jié)鋒面的向下推進(jìn)速度，加大基坑的土體凍脹量［5］。

1.2 土體凍力分布

當(dāng)溫度降到零度以下，基坑中的土體就會(huì)凍脹，凍脹對(duì)支護(hù)體系的影響主要體現(xiàn)在土體凍脹力上。當(dāng)前，對(duì)于基坑土體凍脹力的分類還沒有達(dá)成共識(shí)，認(rèn)可度較高的分類方法是基于凍脹力的位置和作用方向?qū)⑼馏w凍脹力分為三類：切向凍脹力、法向凍脹力和水平凍脹力［11］。各類凍脹力與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 凍脹力分類示意圖

切向凍脹力垂直于土體凍脹鋒面，平行于支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)表面。切向凍脹力的出現(xiàn)遲于土體凍脹，其大小與土體溫度和凍結(jié)深度有關(guān)。切向凍脹力會(huì)影響凍土與支護(hù)結(jié)構(gòu)之前的強(qiáng)度，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向上的位移。法向凍脹力既垂直于土體凍脹鋒面，又垂直于支護(hù)結(jié)構(gòu)的底面。與切向凍脹力一樣，法向凍脹力也是滯后于土體凍脹出現(xiàn)的。法向凍脹力是一種將支護(hù)結(jié)構(gòu)向上推的力。切向凍脹力和法向凍脹力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，影響較大的是水平凍脹力。

水平凍脹力垂直于支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)表面，會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平方向的推力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平位移。并且，水平位移對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響非常大，是出現(xiàn)基坑安全事故的重要因素。冬季土體凍脹的水平凍脹力會(huì)導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、剪斷和彎曲等變形問(wèn)題。因此，水平凍脹力是冬季基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工中需要考慮重點(diǎn)問(wèn)題。水平凍脹力受到多種因素影響，例如溫度變化、土質(zhì)、地下水高低、土體含水量以及排水條件等。

發(fā)布于2011年的新版《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 118—2011）中，依據(jù)土體的凍脹特性，給出了土體水平凍脹力的設(shè)計(jì)值，具體如表1所示。

表1 水平凍脹力設(shè)計(jì)值

1.3 土體凍脹影響因素

影響基坑支護(hù)體系土體凍脹的主要因素包括三個(gè)方面：土體構(gòu)成、含水量和溫度。

在土體構(gòu)成中，土體顆粒、土體礦物成分和土體密度對(duì)土體凍脹的影響較大。通常情況下，土體顆粒的粒徑越小，土體與水相互作用就越強(qiáng)，土體的凍脹性就越強(qiáng)。大量研究表明，土體顆粒對(duì)凍脹影響可以參照下面排序：砂礫石＜粗砂＜砂石土＜黏土＜粉質(zhì)黏土＜砂粉土。土體礦物成分對(duì)土體凍脹也有影響，主要表現(xiàn)為不同的礦物成分具有不同的表面活化能，因此具有不同的水分子作用能力。資料表明，單質(zhì)黏土凍脹性排序?yàn)椋好擅撏粒家晾粒几邘X土。土體密度決定著土體的孔隙水含量，影響著土體的滲透性，間接對(duì)土體凍脹產(chǎn)生影響。土體密度越大，凍脹越不明顯，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)土體密度大于1.6 g/cm3時(shí)，土體基本不存在凍脹。

土體含水量是影響土體凍脹的最直接因素。土體含水量越高，土體凍脹越明顯。但是，并不是所有含水的土體都會(huì)產(chǎn)生凍脹，存在一個(gè)起始凍脹含水量。起始凍脹含水量是指在溫度穩(wěn)定的條件下，土體凍脹率為零的土體含水量。若土體含水量超過(guò)起始凍脹含水量，土體就會(huì)出現(xiàn)凍脹。一般情況下，當(dāng)土體的凍脹率小于1%時(shí)，認(rèn)為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的，因此，凍脹率1%的含水量成為安全含水量。在封閉的系統(tǒng)中，土體凍脹主要取決于含水量。在開放的系統(tǒng)中，土體凍脹還會(huì)受到補(bǔ)給水的影響。表2給出了四種典型土體的起始凍脹含水量和安全凍脹含水量。

表2 典型土體的凍脹與含水量關(guān)系 %

溫度是影響土體凍脹的主要因素，也是機(jī)理較為復(fù)雜的影響因素。土體溫度的變化會(huì)直接影響土體的凍脹量。溫度越低，凍脹量越大。此外，土體的溫度還受到土體含水量和土體結(jié)構(gòu)的影響。例如，土體含水量越高，土體的凍結(jié)溫度越高；土體含鹽量越高，土體凍結(jié)溫度反而會(huì)降低。當(dāng)土體溫度降低到起始凍結(jié)溫度時(shí)，雖然凍脹已經(jīng)開始，但是土體的體積不會(huì)立即膨脹，而是隨溫度降低而體積收縮。只有當(dāng)溫度繼續(xù)降低到一定程度后，土體體積才開始出現(xiàn)膨脹。不同地質(zhì)條件下，土體溫度對(duì)基坑凍脹的影響不同。溫度對(duì)土體凍脹的影響是深基坑支護(hù)體系凍脹研究的熱難點(diǎn)問(wèn)題。

在影響深基坑土體凍脹的主要因素中，土體構(gòu)成和土體含水量對(duì)基坑土體凍脹的影響雖然十分顯著，但相對(duì)較為固定；而土體溫度對(duì)深基坑土體凍脹的影響較為復(fù)雜，且極具地域性和個(gè)體性。為此，本文以土體溫度為主要研究對(duì)象，結(jié)合具體工程實(shí)例，分析深基坑支護(hù)工程中的土體凍脹變形數(shù)值。

2 深基坑支護(hù)模型

2.1 工程概況

該深基坑支護(hù)工程位于甘肅省蘭州市，總建筑面積約為70000 m2，結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑的基坑尺寸為：長(zhǎng)度和寬度分別為82 m和78 m，開挖深度約為15.2 m?；又車卸鄺澖ㄖ?xùn)|南角底口線距一棟3層磚混建筑非常近，距離約為2.7 m，基坑西南角底口線距一棟10層混凝土住宅樓的距離約為6.4 m，其余各邊也均有建筑，但距離較遠(yuǎn)。

該工程的規(guī)模較大，工期較長(zhǎng)，需要跨冬季施工。2017年10月11日開始對(duì)該基坑工程的深層水平位移、地下水水位以及錨索內(nèi)力等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便于及時(shí)了解基坑支護(hù)受到土體凍脹力的影響。

2.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

施工場(chǎng)地的地下類型為潛水，補(bǔ)給來(lái)源主要為自然降水和側(cè)向補(bǔ)水。經(jīng)過(guò)鉆孔觀測(cè)，穩(wěn)定水位在地面下13.7～16.9 m之間。本次勘測(cè)恰逢枯水期，預(yù)計(jì)豐水期的水位會(huì)抬升約2～3 m，地下水的總體趨勢(shì)為由北向南。

施工場(chǎng)地地勢(shì)平坦，根據(jù)物理力學(xué)性質(zhì)將場(chǎng)區(qū)土劃分4層：①雜填土層，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，厚度約為0.5～2.4 m；②黃土狀土層，組成主要為粉粒為主，含粉砂，厚度約為0.7～2.3 m；③卵石層，主要成分為變質(zhì)巖，含有零星漂石，厚度約為2.8～4.2 m；④泥巖強(qiáng)風(fēng)化層，結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，厚度約為12.4～14.2 m。

場(chǎng)區(qū)的最大凍深約為2.31 m，屬于典型的季節(jié)性凍土，土層凍脹等級(jí)為強(qiáng)凍脹。

2.3 基坑支護(hù)方案

基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力和樁錨聯(lián)合支護(hù)，上部5.3 m為預(yù)應(yīng)力錨桿鋼管樁復(fù)合土釘墻，下部為樁錨支護(hù)，共設(shè)計(jì)了5個(gè)剖面。

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)：基坑最上部的2 m按照1∶0.5的標(biāo)準(zhǔn)放置掛網(wǎng)護(hù)面，2 m以下垂直開挖，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。在坑深2.6 m處設(shè)置鋼管樁，采用無(wú)砂混凝土灌注。在坑深4.3 m處設(shè)置一道長(zhǎng)度為16 m的預(yù)應(yīng)力錨桿。錨桿水平間距值為1.6 m，拉力設(shè)計(jì)值為330 k N，鎖定值為220 k N。

樁錨支護(hù)：從坑深4.7 m開始設(shè)置支護(hù)樁，長(zhǎng)度14.21 m，直徑830 mm，樁身混凝土強(qiáng)度為C25，主筋和加強(qiáng)箍筋均為HRB335鋼筋，支護(hù)樁嵌固深度為3.1 m。分別在坑深7.3 m和10.5 m處設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿水平間距值為1.7 m，第一道錨桿的長(zhǎng)度、拉力設(shè)計(jì)值和鎖定值分別為25 m、544 k N和420 k N，第二道錨桿的長(zhǎng)度、拉力設(shè)計(jì)值和鎖定值分別為24 m、566 k N和440 k N。

3 凍脹條件下基坑熱力耦合分析

3.1 前提條件

在構(gòu)建土體凍脹條件下的基坑支護(hù)熱力耦合模型時(shí)，完全模擬實(shí)際施工情況是不現(xiàn)實(shí)的。這是因?yàn)橥耆M不但計(jì)算量繁重、難以實(shí)現(xiàn)，而且也不具有普遍性，無(wú)法獲得應(yīng)用強(qiáng)的規(guī)律。因此，必須忽略一些對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小的因素，以簡(jiǎn)化分析模型，提升計(jì)算效率，提高研究成果的通用性。為此，綜合分析各個(gè)影響因素對(duì)模型影響程度的基礎(chǔ)上，提出下面5點(diǎn)假設(shè)。

1）熱力耦合分析過(guò)程中，只模擬土體中水分凝結(jié)成冰的過(guò)程中引起的凍脹；

2）計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)土體各向同性，且均勻連續(xù)的；

3）忽略外部載荷對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，且只計(jì)算熱傳遞效應(yīng)；

4）熱力耦合過(guò)程只考慮水分的液態(tài)傳遞，忽略冰晶遷移。

3.2 基本方程

根據(jù)物理學(xué)原理，基坑中土體的熱量的傳導(dǎo)方式有三種：熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)。對(duì)于冬季基坑中出現(xiàn)凍脹的土體而言，幾乎不存在熱對(duì)流形式的熱傳遞，模擬過(guò)程中可以忽略。因此，在模擬計(jì)算基坑凍脹土體熱傳導(dǎo)過(guò)程中，只考慮熱傳導(dǎo)引發(fā)的熱量傳遞。此時(shí)，基坑凍脹土體溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)為

溫度邊界條件和初始條件分別為

式中：c為土體比熱；t為基坑土體溫度；L為相變潛熱；λ為基坑土體的導(dǎo)熱系數(shù)；x為土體深度；τ為事件；θi和ρi分別為土體的含冰量和冰密度。

冬季基坑土體的凍脹模型可以轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)力模型。應(yīng)力模型的平衡微分方程為

其中

應(yīng)力模型的物理方程為

式中：ε為總體應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；［］D為剛度矩陣。

應(yīng)力模型的幾何方程為

式中：u表示外部載荷導(dǎo)致的位移量。應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件分別為

3.3 分析過(guò)程

ANSYS有限元分析軟件中有間接耦合和直接耦合兩種熱應(yīng)力耦合模型。通過(guò)對(duì)兩種熱應(yīng)力耦合模型的性能進(jìn)行分析，結(jié)合冬季基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受到土體凍脹影響的實(shí)際問(wèn)題，本文選擇直接耦合模型。直接耦合模型的基本思路為，將溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)加載到模型上，一次計(jì)算得出耦合結(jié)構(gòu)，特別適用于非線性問(wèn)題的求解。選取ANSYS有限元分析軟件中的PLANE13單元模擬土體凍脹條件下的基坑支護(hù)熱應(yīng)力模型。PLANE13單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度均為4。

混凝土是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要材料，因此在利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析時(shí)，可以利用混凝土參數(shù)定義基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)?；炷梁透鱾€(gè)土層的熱性能參數(shù)如表3所示。

表3 基坑支護(hù)材料熱性能參數(shù)

此外，在模擬應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，還需要定義基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)土層的力學(xué)參數(shù)，具體圖表4所示。

表4 基坑支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

求解過(guò)程如下，首先定義基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，然后向模型施加溫度載荷和應(yīng)力載荷，并且給定初始條件和邊界條件，最后導(dǎo)入到ANSYS有限元分析的求解器，即可得出結(jié)果。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)分析

基坑工程的監(jiān)測(cè)是指利用專業(yè)的儀器和設(shè)備，對(duì)涉及基坑工程安全的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)采集與分析，確保能夠及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證基坑及周邊建筑的安全。并且，基坑工程的監(jiān)測(cè)的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，始于基坑未開挖，止于基坑回填結(jié)束。

本工程周邊建筑物較多且距離較近，工程場(chǎng)地安放了多型檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)涌颖诘奈灰?、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、周邊建筑的沉降和變形等重要指標(biāo)進(jìn)行不間斷的檢測(cè)與分析。具體的監(jiān)測(cè)符合《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（GB 50497—2009）。

4.1 溫度變化監(jiān)測(cè)與模擬分析

圖2給出了基坑場(chǎng)地溫度監(jiān)測(cè)曲線與模擬曲線。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，自11月開始，基坑場(chǎng)地的溫度平緩下降，平均氣溫均在零度以下，實(shí)地觀察表明基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的表層土體已經(jīng)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。12月11日至1月8日基坑場(chǎng)地氣溫下降明顯，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)地觀察表明基坑支護(hù)的土體已經(jīng)開始深度凍結(jié)。自2月10日開始，日均氣溫達(dá)到零度以上，實(shí)地觀察表明基坑支護(hù)土體開始解凍。

圖2 溫度-時(shí)間關(guān)系曲線

在基坑底部、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑后側(cè)土體處分別取3個(gè)點(diǎn)，模擬溫度隨時(shí)間的變化曲線。模擬結(jié)果表明，三個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)相同，曲線重疊在一起。與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比可知，溫度場(chǎng)模擬結(jié)果基本符合實(shí)際情況，曲線的最低點(diǎn)、最高點(diǎn)和變化趨勢(shì)與溫度實(shí)測(cè)結(jié)果基本保持一致。

4.2 錨桿軸力變化監(jiān)測(cè)與模擬分析

圖3給出了錨桿軸力的監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果。其中監(jiān)測(cè)結(jié)果是安裝在第3道錨桿監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的錨桿軸力隨著時(shí)間的變化曲線。對(duì)比圖2的溫度變化曲線可知，當(dāng)溫度開始下降到零度以下后，錨桿的軸力隨之增加。當(dāng)溫度降到最低時(shí)，錨桿軸力基本增加至峰值。之后隨著氣溫的回升，錨桿軸力逐漸減小。這是因?yàn)殡S著溫度的下降，土體凍脹力增加，錨桿軸力就會(huì)隨之增加，溫度升高，土體凍脹力減小，錨桿軸力也隨之減小。

圖3 錨桿軸力-時(shí)間關(guān)系曲線

對(duì)比模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，二者之間存在以下幾點(diǎn)區(qū)別。首先，模擬曲線的錨桿軸力值在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)均大于監(jiān)測(cè)結(jié)果。這是因?yàn)樵趯?shí)際施工過(guò)程中，存在應(yīng)力損失，而模擬過(guò)程中忽略了該損失，因此模擬的錨桿軸力值會(huì)偏大。其次，模擬曲線顯示錨桿軸力達(dá)到最高后，下降迅速，對(duì)溫度較為敏感，而監(jiān)測(cè)曲線下降緩慢。這說(shuō)明實(shí)際施工中，當(dāng)溫度升高后，錨桿軸力的變化存在相對(duì)滯后的現(xiàn)象。

4.3 樁身水平位移監(jiān)測(cè)與模擬分析

圖4給出了樁身水平位移變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果。其中監(jiān)測(cè)結(jié)果為安裝在不同樁身的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的樁身水平位移隨著時(shí)間的變化曲線。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，樁身水平位移隨著深度的增加而減小，9 m以下的樁身水平位移已經(jīng)非常小了。對(duì)比圖2的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，樁身水平位移的最大值基本對(duì)應(yīng)溫度最低的時(shí)間。

圖4 樁身水平位移-時(shí)間關(guān)系曲線

對(duì)比模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，模擬曲線中樁身水平位移的變化大于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。這可能是由于模擬計(jì)算時(shí)定義的土層參數(shù)相比實(shí)際基坑場(chǎng)地土層存在偏差，模擬凍脹力偏大，導(dǎo)致樁身水平位移模擬值偏大。模擬曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線的總體變化趨勢(shì)相同，但監(jiān)測(cè)曲線總體上稍微滯后于模擬曲線。這同樣說(shuō)明，當(dāng)溫度變化后，土體凍脹力不會(huì)馬上變化，二是存在一定的滯后性。

5 結(jié)論

受工程量和工程進(jìn)度所限，部分凍土區(qū)的基坑工程會(huì)經(jīng)歷過(guò)冬，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)受到土體凍脹的影響。本文在分析土體凍脹對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)例，利用有限元分析軟件模擬了土體凍脹條件下的深基坑支護(hù)熱力耦合過(guò)程。結(jié)果表明，錨桿軸力和樁身水平位移的模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，并分析了存在差異的原因。研究成果對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)域深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工具有一定的參考和借鑒意義。

收稿日期：2018-10-17