凍脹作用對地下連續(xù)墻基坑支護結(jié)構(gòu)影響數(shù)值模擬

孫 超，謝金超

吉林建筑大學 測繪與勘察工程學院,長春 130118

在東北等季節(jié)性凍土區(qū)進行基坑開挖,需要考慮負溫對支擋結(jié)構(gòu)的影響.隨著基坑工程的發(fā)展,其表現(xiàn)為開挖深度大,暴露時間長.在深基坑越冬的過程中,基坑側(cè)壁長時間處在負溫環(huán)境下,坑壁后的凍脹敏感性土體會發(fā)生凍脹作用.產(chǎn)生水平凍脹力后,再按此種理論考慮的土壓力值則偏小,易造成支擋結(jié)構(gòu)破壞[1].管楓年等[2]人認為，水平凍脹力是主動土壓力的幾倍甚至十幾倍.劉守花等[3]人研究結(jié)果表明，受凍脹影響的基坑圍護結(jié)構(gòu)裸露段水平位移增加11.5 %～35.7 %,且圍護結(jié)構(gòu)角隅位置受凍脹影響較大.董建華等[4]人將土體的凍脹位移視為自由凍脹和復合結(jié)構(gòu)約束凍脹兩部分的疊加,推導出凍脹力計算公式.史迪菲[5]對季冬區(qū)基坑無內(nèi)支撐的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的研究表明,對于初始應力,應力值的增長率為 48 %.毛宇飛等[6]人通過地下連續(xù)墻現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了凍脹作用對地下連續(xù)墻變形和支撐軸力的影響.

目前對于地鐵基坑常見的地下連續(xù)墻支護體系,在凍脹作用下其支護結(jié)構(gòu)受力的研究較少.為了進一步分析凍脹作用對于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的影響機理,本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件,建立了數(shù)值模型,模擬降溫過程中的熱-力耦合的過程,分析土體凍脹對圍護結(jié)構(gòu)的影響.

1 地下連續(xù)墻支護體系數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立及參數(shù)選取

本文所模擬的地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻-內(nèi)支撐體系.基坑寬18 m，深17 m,三道內(nèi)支撐距離地面豎直距離分別為1.5 m,6.5 m,11.5 m.考慮基坑橫斷面尺寸對稱且地鐵基坑的長度通常較長,對整個基坑進行熱-力耦合計算的計算量過大，為了縮短計算時間,在基坑的標準段沿長度方向取支撐間的水平間距3 m進行建模.考慮水平方向影響范圍取3～5倍開挖深度,豎直范圍去2倍～3倍開挖深度,最終確定模型尺寸為120 m×40 m×3 m(長×寬×厚),并在地下連續(xù)墻所在位置對網(wǎng)格加密處理.模型的單元與網(wǎng)格劃分如圖1所示.

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

網(wǎng)格的最大尺度為1.0 m,最小尺度為0.5 m,共劃分了9 960個單元,15 981個節(jié)點.根據(jù)經(jīng)驗,土體在凍脹過程中的變形屬于小應變范圍,選取Mohr-cloumb模型能夠較好地模擬土體凍脹過程中的力學變化.地下連續(xù)墻采用線彈性本構(gòu)模型,土體與地下連續(xù)墻采用六面體單元.開挖后在模型厚度 1/2 處(1.5 m)設(shè)置內(nèi)支撐，實際工程中通常選用規(guī)格為609×16 的鋼支撐,為了便于進行分析內(nèi)支撐采用結(jié)構(gòu)單元,利用等抗彎剛度原則確定參數(shù).該模型范圍內(nèi)物理及力學參數(shù)見表1.

表1 力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters

1.2 邊界條件與溫度場參數(shù)

模型的底部與左右邊界為固定邊界,前后兩側(cè)邊界設(shè)置邊界面上的法向速度為0,以便將模型的y方向位移進行約束;模型的頂部設(shè)為自由邊界.在計算過程中墻體與基坑內(nèi)支撐采用剛性連接,不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動與相對位移.該模型范圍內(nèi)熱力學參數(shù)見表2.

表2 熱力學參數(shù)Table 2 Thermal parameters

土體深部的溫度較為恒定,大致為當?shù)啬昶骄鶜鉁?故選取土體內(nèi)部的初始溫度為5 ℃,并在底面以熱力學邊界條件的形式施加溫度為5 ℃的熱源,左右側(cè)和前后兩側(cè)均為絕熱邊界.開挖完成后,在模型頂面與基坑側(cè)壁及基坑底板施加預設(shè)的負溫.

按照FLAC3D內(nèi)置的土體熱-力耦合功能,計算過程分為4 步:① 設(shè)置初始溫度場為5 ℃并進行初始地應力平衡；② 模擬安裝地下連續(xù)墻并再次地應力平衡,將自重應變清零；③ 逐步分層開挖土體并架設(shè)內(nèi)支撐直至澆筑底板；④ 凍脹過程模擬,施加零下25 ℃的負溫并持續(xù)30 d,監(jiān)測支擋結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力變化.

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

初始溫度場為 5 ℃,在不考氣溫突變的情況下,通過熱力學與機械力學耦合計算,可獲得模型初始溫度場分布狀況,如圖2所示,在負溫作用下,模型上地表處土體的溫度呈層狀分布,凍深為1.59 m.在基坑的頂部附近的土體由于受到雙向凍結(jié)作用的影響,其凍結(jié)深度較大,達到了1.96 m.基坑底板中部下的土體凍結(jié)深度為1.51 m,略小于地表處的土體,而底板與地下連續(xù)墻連接處后方土體由于雙向凍結(jié)其凍深達到了1.75 m.這說明,在基坑頂部附近的土體受地表與基坑側(cè)壁處負溫的共同作用,此時土體處于雙向凍結(jié)狀態(tài),會產(chǎn)生更大的凍脹力.

圖2 凍結(jié)后溫度場Fig.2 Temperature field after freezing

2.2 地下連續(xù)墻受力分析

在地下連續(xù)墻背部一定范圍內(nèi)的土體發(fā)生不同程度的凍脹,可使基坑支護體系的受力超出設(shè)計值或超出變形控制范圍.圖3所示為基坑開挖后地下連續(xù)墻內(nèi)力云圖,其最大內(nèi)力為1 705.6 kPa,且在內(nèi)支撐設(shè)置處應力較大,這與實際相符.

圖3 開挖前地下連續(xù)墻內(nèi)力Fig.3 Internal force of wall before freezing

在施加了負溫后,計算結(jié)果如圖4所示,地下連續(xù)墻的內(nèi)力最大值達到了13 756 kPa,是開挖前的8.06倍,這表明凍脹作用會使地下連續(xù)墻受力大幅增加.

圖4 開挖后地下連續(xù)墻內(nèi)力Fig.4 Internal force ofwall after freezing

在基坑上部第一道支撐位置附近墻體的內(nèi)力由凍結(jié)前的83.9 kPa增加到800 kPa,并可見第一道與第二道支撐位置附近出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象.第二道與第三道內(nèi)支撐位置處墻體的力分別達到凍結(jié)前的2.36倍與1.53倍.可以得出結(jié)論,在地下連續(xù)墻-內(nèi)支撐體系中,由于內(nèi)支撐的存在,墻后土體在降溫凍結(jié)過程中,會在內(nèi)支撐位置附近產(chǎn)生一定的應力集中,支撐附近的墻體會承受較大的凍脹力與支反力,對支撐體系存在不利影響,因此,在越冬基坑設(shè)計時應予以考慮.

2.3 支撐軸力分析

監(jiān)測得到的支撐的軸力如圖5所示,當開挖完成后,最大軸力出現(xiàn)在第二道內(nèi)支撐.在施加負溫后,隨著在凍結(jié)的初始階段支撐的軸力大致呈線性增加,且一道支撐軸力增加的速度最快.在凍結(jié)面深入土層后軸力的增加速度逐漸放緩并最終趨于穩(wěn)定.降溫后支撐的軸力為2 627.39 kN,3 361.46 kN,1 426.30 kN,三者在-25 ℃條件下監(jiān)測軸力比5 ℃條件軸力分別高出2 342.44 kN,2 347.99 kN和1 017.15 kN.可見支撐的軸力因結(jié)構(gòu)受到凍脹作用而顯著增大,第一道與第二道支撐軸力數(shù)值已超過了軸力控制值,凍脹作用對內(nèi)支撐的軸力產(chǎn)生了較大的影響.靠近基坑頂部的第一道支撐受凍脹力的相對影響較大,其支撐內(nèi)力為施加負溫前的9.2倍.而由于地下連續(xù)墻與土體的協(xié)調(diào)變形所限制,第一道與第二道內(nèi)支撐因土體凍脹所增加的軸力大致相同.另外,第三道支撐的軸力在初始階段存在增速較慢的現(xiàn)象,這是由于底板附近土體的應力狀態(tài)較為復雜,且底板與地下連續(xù)墻連接處剛度較大,形成了一個理想 ‘鉸’.底板因下方土體的凍脹發(fā)生向上的翹曲導致墻體與底板連接處產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，使底板以下附近的地下連續(xù)墻向基坑外側(cè)產(chǎn)生位移,釋放了一部分凍脹力,對第三道支撐的軸力增加起到了抑制作用.隨著底板下方土體的凍結(jié)深度不斷增加,這種作用也不斷增大,坑底附近地下連續(xù)墻外側(cè)與底板處土體凍脹力達到平衡,第三道內(nèi)支撐的軸力不再增加.

圖5 支撐軸力變化Fig.5 History of strut axial forces

2.4 地下連續(xù)墻位移分析

圖6為該基坑的地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移圖.在開挖完成后墻身的水平位移模式為弓形,其水平位移的最大值出現(xiàn)在距地表13 m處,為 5.38 mm.在凍結(jié)后,地下連續(xù)墻的最大水平位移位置出現(xiàn)了一定的上移,在距地表10 m處,其水平位移最大值為8.95 mm.在基坑頂部,地下連續(xù)墻因土體凍脹產(chǎn)生的的水平位移為2.58 mm.可見,地下連續(xù)墻因凍脹產(chǎn)生的位移主要在第一道與第二道內(nèi)支撐范圍內(nèi).在基坑底板附近連續(xù)墻的水平位移產(chǎn)生了部分突變,在此處地下連續(xù)墻的變形為‘S’形,驗證了之前的猜想,可進一步推測出此處墻體變形與最下面一道支撐的軸力大小、坑底處土體的凍脹特性及底板的剛度密切相關(guān).

圖6 墻體位移Fig.6 Displacement of wall

3 結(jié)語

本文以某地鐵車站基坑為例,基于FLAC3D有限差分軟件的熱力耦合模塊,對地下連續(xù)墻-內(nèi)支撐體系支護的越冬期進行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明:

(1) 土體的凍脹作用對越冬基坑存在重要影響,當土體發(fā)生凍脹后,在支撐附近的墻體會產(chǎn)生應力集中；墻體最大水平位移達到了凍脹前的1.67倍,且最大水平位移的位置會出現(xiàn)一定的上移；對于以控制變形為主的基坑需要考慮越冬期間內(nèi)土體凍脹帶來的不利影響.

(2) 在施加了負溫后,內(nèi)支撐的軸力隨著凍結(jié)深度的增加而變大，鋼支撐的軸力可增長到凍結(jié)前的2倍～9倍,第一道支撐處因土體處于雙向凍結(jié)狀態(tài)其軸力增長最為明顯；對于澆筑了底板的基坑,其最下面一道支撐的軸力存在一個上限,這對支撐的軸力控制有利.

(3) 土體凍脹會影響到基坑的安全性,對于高緯度地區(qū)的基坑在越冬的過程中應采取措施，減小凍脹帶來的危害,在冬季暫停施工期間應加強監(jiān)測.