懸臂樁樁徑變化對(duì)基坑抗凍脹性能分析

姜 廣 州

(張家口市鼎力巖土治理有限公司,河北 張家口 075000)

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)不斷向著城市化聚集方向發(fā)展，然而為了解決人口數(shù)量不斷增加帶來的住房問題，城市新建造樓房不斷加高，同時(shí)配套設(shè)施也在不斷的利用地面空間與地下空間擴(kuò)展，因此建筑基坑深度也在不斷增加，隨之而來的是基坑開挖過程中的安全問題.目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)深基坑的加固處理方式已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的研究，早期國外學(xué)者通過理論計(jì)算分析土體承受剪切破壞時(shí)能夠承受的最大荷載與基坑底部隆起現(xiàn)象[1,2].隨著時(shí)代發(fā)展，計(jì)算機(jī)能夠代替人類進(jìn)行模擬計(jì)算[3,4]，我國學(xué)者在進(jìn)行了已有的研究后做出了對(duì)比判斷，發(fā)現(xiàn)FLAC3D軟件對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算與沉降計(jì)算相對(duì)理正軟件更加精確[5]，隨后我國在基坑支護(hù)模擬方面有了更加精進(jìn)的研究，采用有限元軟件模擬基坑開挖與支護(hù)并逐漸頻繁的運(yùn)用到工程實(shí)際中[6-8].而結(jié)合我國疆域遼闊的特點(diǎn)，相當(dāng)一部分地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，同時(shí)由于施工周期長，不可避免的會(huì)遇到冬季施工的難題，因此對(duì)于季凍區(qū)的基坑支護(hù)研究仍有重要的意義，通過多年的發(fā)展，關(guān)于土體的凍脹性能研究也相對(duì)成熟.本文以懸臂樁的樁徑變化作為主要的研究對(duì)象進(jìn)行基坑抗凍脹性能分析.

1 凍脹機(jī)理

土體顆粒間的孔隙水在負(fù)溫環(huán)境下會(huì)不斷析出冰透鏡體，并且由于水結(jié)冰后體積會(huì)變大，因此在負(fù)溫條件下孔隙水結(jié)冰后對(duì)土顆粒骨架的擠壓效果外在表現(xiàn)為土體體積膨脹[9].由此帶來的土體體積變化會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生巨大影響，因此產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的凍脹理論.Eveertt[10]首先對(duì)凍脹量進(jìn)行解釋說明，形成了第一凍脹理論，并提出了自由水在多孔介質(zhì)中的熱力平衡方程，同時(shí)發(fā)現(xiàn)土體凍脹的函數(shù)關(guān)系式與多個(gè)因素有關(guān).然而在研究中發(fā)現(xiàn)，第一凍脹理論所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較大的差距，因此在此基礎(chǔ)上學(xué)者們又提出第二凍脹理論.第二凍脹理論研究發(fā)現(xiàn)在已結(jié)冰孔隙水與未結(jié)冰孔隙水之間存在一個(gè)極薄的緩沖區(qū)域，稱之為凍結(jié)緣.結(jié)合水分遷移理論可知土體中水分的結(jié)冰過程也是凍結(jié)緣不斷移動(dòng)的過程.

2 有限元分析與建造模型

本研究使用有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析.有限元數(shù)值模擬軟件可以通過離散化單元體的形式進(jìn)行網(wǎng)格分離，對(duì)離散后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果然后通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果疊加到與之相鄰的節(jié)點(diǎn)取得疊加后的結(jié)果[11].

本研究建立地基模型大小為60 m(長度)×1 m(寬度)×30 m(高度)，在其中開挖基坑大小為20 m(長度)×1 m(寬度)×11 m(深度)，模型每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)單元格，建模結(jié)果如圖1所示.

圖1 基本模型建立示意圖

由于假定地基土為粉質(zhì)粘土，故采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型作為數(shù)值模擬的本構(gòu)模型能夠達(dá)到最精確的模擬效果.建模完成后需要對(duì)各個(gè)材料進(jìn)行屬性賦值，各部分材料屬性如表1、表2所示.

表1 土體參數(shù)與樁體材料參數(shù)

表2 各材料熱力學(xué)屬性

3 試驗(yàn)分析

表3 懸臂樁樁徑變化工況表

懸臂樁作為一種基坑支護(hù)常用的支護(hù)方式，因其造價(jià)較低成本可控得以在實(shí)際工程中應(yīng)用.本文主要研究懸臂樁樁徑變化對(duì)基坑凍脹性的影響，具體試驗(yàn)方案如表3所示.

分析各個(gè)工況的水平位移，其直觀表現(xiàn)如圖2所示.

由圖2可知，凍結(jié)情況下樁體水平位移遠(yuǎn)大于未凍結(jié)情況，因此對(duì)季凍區(qū)基坑的抗凍脹分析研究是具有重要意義的.采用懸臂樁作為支護(hù)方式時(shí)，深度較淺時(shí)基坑水平位移較大，隨著基坑深度增加，樁側(cè)水平位移逐漸減小.分析工況2-工況6，凍結(jié)情況下樁體水平位移隨著樁徑增大而減小，說明樁徑增大對(duì)凍結(jié)基坑的變形具有抑制作用.

由計(jì)算結(jié)果分析不同工況下樁側(cè)凍脹力，可得到凍脹力曲線如圖3所示.

由圖3可知，隨著基坑開挖深度增加，樁側(cè)凍脹力不斷增加.基坑凍結(jié)后樁側(cè)凍脹力遠(yuǎn)大于基坑未凍結(jié)時(shí)樁側(cè)土壓力，由此可見，對(duì)于季凍區(qū)基坑需要更加嚴(yán)格的支護(hù).在已凍結(jié)情況下，基坑開挖時(shí)隨著深度增加樁側(cè)凍脹力不斷增大，在3-8 m深度范圍內(nèi)，樁側(cè)凍脹力趨于穩(wěn)定，而在8 m以下范圍內(nèi)樁側(cè)凍脹力突增，主要是由于臨近進(jìn)坑底部，受到土壓力約束從而產(chǎn)生一個(gè)剪切力導(dǎo)致.

圖2 樁體水平位移

圖3 凍脹力曲線圖

4 結(jié) 論

本研究基于有限元數(shù)值模擬軟件，分析了懸臂樁樁徑變化對(duì)凍結(jié)土體基坑的影響，在本研究條件下，得到以下結(jié)論：

(1)已凍結(jié)土體中基坑在受到凍脹力的作用下其樁側(cè)水平位移是未凍結(jié)土體的四倍之多.

(2)隨著懸臂樁樁徑增加，樁側(cè)水平位移減小，峰值減少36.2%.

(3)隨著懸臂樁樁徑增加，樁側(cè)凍脹力增大，峰值增大78.4%