嚴(yán)寒地區(qū)越冬深基坑水平凍脹力影響因素研究

吳 忠 鑫，苗 勝 軍，隋 智 力，劉 澤 京

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.北京城市學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100083)

0 引 言

中國(guó)是世界上凍土分布最多的國(guó)家之一，凍土面積占全國(guó)陸地總面積的2/3[1]。凍結(jié)過程中巖土體體積膨脹，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。基坑土體在越冬期會(huì)產(chǎn)生水平凍脹力，水平凍脹力的大小對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及保證基坑的安全穩(wěn)定具有重要影響。

為探究越冬期基坑變形及水平凍脹力的變化規(guī)律，學(xué)者們從試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面開展了大量研究。在試驗(yàn)測(cè)試方面：王文順等[2]進(jìn)行了多次大規(guī)模凍融試驗(yàn)，研究了不同系統(tǒng)下溫度場(chǎng)的變化情況。姚直書等[3]通過相似模擬試驗(yàn)研究了深基坑凍土墻模型，給出了凍融過程中凍脹力的變化趨勢(shì)。汪仁和等[4]采用一種自主開發(fā)的凍土凍脹試驗(yàn)機(jī)對(duì)土體側(cè)向凍脹規(guī)律進(jìn)行了研究，總結(jié)了多圈環(huán)形人工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。邢爽等[5]通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)探究了土體溫度變化對(duì)凍脹力、凍脹位移的影響。李巖等[6]總結(jié)了不同最低溫度和凍結(jié)鋒面位置下豎向直排凍結(jié)方式水平凍脹力的變化規(guī)律。Yu等[7]通過試驗(yàn)提出柔性支擋結(jié)構(gòu)可以降低凍脹力對(duì)基坑的影響。王建州等[8]通過物理相似模型試驗(yàn)，分析了越冬深基坑凍脹力在凍融過程中的變化特性。

在數(shù)值模擬方面：楊更社等[9]采用有限元軟件模擬了凍土深基坑施工開挖過程，得出基坑變形與溫度和凍土圍護(hù)墻厚度之間的關(guān)系。李寶花等[10]推導(dǎo)了凍土墻越冬期溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合微分控制方程。黃建華[11]針對(duì)凍土凍脹性態(tài)特征進(jìn)行了分析，探討了卸壓孔的卸荷作用對(duì)水平凍脹力的影響。耿珂[12]采用ANSYS軟件模擬不同凍融循環(huán)條件下基坑的凍脹力大小，分析了溫度場(chǎng)與凍脹力之間的關(guān)系。孫超等[13]分析了溫度對(duì)樁體水平凍脹力大小和分布模式的影響。王紹君等[14]采用ABAQUS軟件對(duì)內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)體系凍脹變形進(jìn)行了分析。劉守花等[15]模擬了熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)對(duì)越冬基坑凍脹的影響，總結(jié)了基坑溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面：Don等[16]對(duì)越冬期基坑擋土墻的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)冬季時(shí)的土壓力是其他季節(jié)的5～7倍。謝欣等[17]對(duì)越冬期基坑側(cè)壁樁間的氣溫、土溫和水平土應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了樁間土體不同階段的應(yīng)力變化規(guī)律。高鵬飛等[18]對(duì)包頭某越冬基坑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，探究了越冬時(shí)基坑位移和錨桿軸力的變化規(guī)律。崔高航等[19-20]對(duì)哈爾濱市季凍區(qū)某越冬深基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，歸納了坑壁的變形特征。趙春生等[21]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基坑地下連續(xù)墻在凍融過程中的應(yīng)力變化可達(dá)正常氣溫條件下的3～5倍。

綜上所述，學(xué)者們通過試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法分析了水平凍脹力對(duì)基坑水平位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，并探究了水平凍脹力的產(chǎn)生機(jī)理，但鮮有文獻(xiàn)研究不同基坑施工條件對(duì)水平凍脹力的影響程度。為此，本文以哈爾濱地鐵3號(hào)線會(huì)展中心站基坑為依托，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，結(jié)合多因素分析結(jié)果探究不同因素對(duì)基坑水平凍脹力的影響，獲得各因素對(duì)水平凍脹力影響的敏感性，研究成果可為相似基坑工程凍脹災(zāi)害的防治提供參考。

1 工程概況

哈爾濱地鐵3號(hào)線會(huì)展中心站基坑全長(zhǎng)190.2 m，基坑開挖寬度為22.7 m，深度為20.2 m。設(shè)計(jì)采用“圍護(hù)樁+內(nèi)支撐”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示，基坑內(nèi)部設(shè)置4道Φ609、t=16鋼支撐，支撐水平間距為3.8～6.0 m，由于支撐跨度較大，為穩(wěn)固支撐，在支撐中部設(shè)置工具柱和Φ1 000 mm、L=8.5 m的基礎(chǔ)樁。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800 mm@1 200 mm、L=27.2 m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁間掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射C25混凝土。

圖1 基坑車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面(尺寸單位：mm)

該工程地層分布主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂及粗砂，未見不良地質(zhì)，地表上覆人工填土的厚度約為1.0～1.5 m。具體的地層分布見表1。

表1 土層分層信息

哈爾濱市處于典型的季節(jié)性凍土區(qū)，冬季凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)190 d，平均氣溫-19.7 ℃，最低值-41.4 ℃，具體溫度變化見表2?；又苓呁馏w的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度可達(dá)到2.0～2.1 m，巖土層凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)不凍脹至Ⅳ級(jí)強(qiáng)凍脹。

表2 哈爾濱冬季平均氣溫

2 基坑凍脹數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為分析越冬期基坑水平位移和水平凍脹力的變化規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值軟件，應(yīng)用劍橋模型進(jìn)行凍融模擬。模型物理參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層信息進(jìn)行設(shè)置?；幽Ｐ鸵妶D2。

圖2 基坑整體模型示意

選取10月中旬到次年1月中旬的平均氣溫對(duì)基坑進(jìn)行凍脹模擬，具體溫度變化見圖3，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

圖3 10月中旬至次年1月中旬氣溫變化

T=0.0021d2-0.4937d+6.7482

式中：T為溫度，d為天數(shù)。

2.2 越冬基坑溫度變化分析

不同時(shí)間的基坑溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：土體溫度場(chǎng)整體呈軸對(duì)稱分布，地表溫度在11月5日達(dá)到了-2 ℃，基坑外的土體首先凍結(jié)，此時(shí)的凍結(jié)深度約為0.2 m；基坑坑底和側(cè)壁的溫度仍處于0 ℃以上，土體尚未發(fā)生凍結(jié)。至12月5日，基坑坑底和側(cè)壁溫度分別達(dá)到了-1.5 ℃和-5 ℃，坑底土體開始凍結(jié)，此時(shí)地表的凍結(jié)深度約為-1.2 m，基坑側(cè)壁的凍結(jié)深度約為-0.3 m。隨著基坑土體表面溫度不斷降低，凍結(jié)深度不斷增大，但坑內(nèi)土體凍結(jié)深度要小于坑外土體。至1月15日，土體表層溫度達(dá)到了最低，此時(shí)地表溫度為-20.6 ℃，基坑側(cè)壁溫度為-13.5 ℃，基坑底部溫度為-7.9 ℃，地表的凍結(jié)深度為2.2 m，基坑內(nèi)部的凍結(jié)深度為1.3 m。

圖4 不同時(shí)間溫度場(chǎng)云圖

1月15日不同深度的土體溫度曲線如圖5所示。由圖5可知：在基坑越冬期，最低溫度位于地表，隨著深度的不斷增加，溫度呈線性增長(zhǎng)，在達(dá)到基坑底部時(shí)，由于導(dǎo)熱系數(shù)和空氣不同，溫度變化突然出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并急劇上升，當(dāng)深度達(dá)到-25 m左右時(shí)，土體溫度共計(jì)升高到10 ℃左右，此處溫度接近土體初始溫度，隨著深度的繼續(xù)增加，土體溫度基本趨于穩(wěn)定，在達(dá)到12 ℃時(shí)溫度不再發(fā)生變化。這是由于土體內(nèi)部的溫度受地表氣溫和深層土體溫度共同影響，在淺層區(qū)域，土體溫度主要受地表溫度影響；隨著土體深度的增加，地表溫度的影響減小，深層土體溫度的影響開始增大，土體內(nèi)部的溫度逐漸與深層土體的溫度趨于一致。

圖5 1月15日不同深度土體溫度

2.3 水平凍脹位移分析

圖6為越冬期間基坑土體水平位移云圖。由圖6可知，隨著氣溫的降低，土體凍結(jié)程度加深，導(dǎo)致基坑側(cè)壁的水平位移隨著時(shí)間的推移不斷增大。10月份基坑側(cè)壁的變形較小，最大水平位移約為3 mm；11月到12月份由于溫度大幅降低，側(cè)壁出現(xiàn)了較大的變形，最大位移達(dá)到16 mm；1月份溫度降至最低，但凍脹過程基本完成，側(cè)壁水平位移逐漸平緩。在凍脹過程中，基坑側(cè)壁的水平位移分布均隨基坑深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于靠近基坑上部土體的凍脹應(yīng)力可以向地面釋放，減小了水平方向上的位移，基坑中部土體在垂直方向上受到約束，導(dǎo)致水平位移增加，而靠近基坑底部的土體溫度相對(duì)較高并且受基底土體的約束，故變形較小。

圖6 不同時(shí)間基坑水平位移云圖

選取基坑側(cè)壁中部和邊角截面進(jìn)行分析，不同深度下側(cè)壁水平位移變化如圖7所示。接近地表位置水平位移較小，從地表開始到7 m深的位置處，側(cè)壁水平位移隨著深度的增加急劇增大，隨后變形增加幅度減小，在8 m左右的位置，側(cè)壁水平位移達(dá)到最大。中部與邊角的最大水平位移分別為19.8 mm和14.6 mm，這是由于邊角位置受到臨邊影響，支撐效果較好，所以位移偏小。隨深度增加，側(cè)壁位移開始減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)基底時(shí)，基坑側(cè)壁的水平位移最終穩(wěn)定在3 mm左右，這是由于基坑底部和底板對(duì)側(cè)壁的約束作用導(dǎo)致的?；舆吔呛椭胁课恢米冃我?guī)律一致，但由于邊角側(cè)壁土體的推擠作用，導(dǎo)致其水平位移遠(yuǎn)小于基坑中部。

圖7 側(cè)壁水平位移隨深度變化

選取基坑側(cè)壁中部最大水平位移點(diǎn)進(jìn)行分析，繪制不同時(shí)間下側(cè)壁水平位移變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著時(shí)間的增加，水平位移整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中在10月15日到11月5日期間，水平位移的上升趨勢(shì)較為緩慢，因?yàn)樵摃r(shí)間段是土體發(fā)生凍脹的初始階段，溫度對(duì)土體的影響較小，基坑基本穩(wěn)定。11月5日后土體凍脹現(xiàn)象加快，隨著溫度的降低，基坑側(cè)壁的水平位移開始快速增大。到了1月5日，水平位移的增大趨勢(shì)減緩，逐漸趨于水平，水平位移達(dá)到最大，約為19.8 mm。這時(shí)基坑周邊土體已經(jīng)基本完成凍結(jié)，凍結(jié)深度變化緩慢，基坑趨于穩(wěn)定。

圖8 基坑側(cè)壁最大水平位移隨時(shí)間變化

2.4 水平凍脹力分析

對(duì)基坑側(cè)壁水平凍脹力進(jìn)行研究，選取基坑側(cè)壁中部截面，繪制不同深度下基坑水平凍脹力變化曲線如圖9所示?；觽?cè)壁水平凍脹力接近地表位置水平凍脹力較小，從地表到8 m深的位置，基坑水平凍脹力呈增加趨勢(shì)，這是由于基坑土體對(duì)水平凍脹力的釋放產(chǎn)生了約束效果。隨著深度增加，上部土體的約束變大，水平凍脹力隨之增大。隨后，水平凍脹力呈波動(dòng)趨勢(shì)，并逐漸減小，隨基坑深度的增加，側(cè)壁溫度逐漸升高，導(dǎo)致側(cè)壁下部的水平凍脹力出現(xiàn)一定回落趨勢(shì)。而基坑底部水平凍脹力則突然增大，基底受到土體約束，其側(cè)壁變形較小，水平凍脹力無法釋放從而急劇增大。在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鋼支撐加固位置，基坑水平凍脹力出現(xiàn)突然增大現(xiàn)象。

圖9 基坑側(cè)壁水平凍脹力隨深度變化

根據(jù)JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，凍土地區(qū)基坑水平凍脹力設(shè)計(jì)值為200 kPa，在模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)部分位置水平凍脹力已經(jīng)超出規(guī)范設(shè)計(jì)值，坑底最大值甚至達(dá)到了291.4 kPa，遠(yuǎn)超規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為保證基坑施工過程安全穩(wěn)定，需要對(duì)基坑水平凍脹力及其影響因素進(jìn)行研究，以探尋適合季凍區(qū)基坑越冬的施工措施。

3 水平凍脹力影響因素分析

3.1 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水平凍脹力的大小受到多種因素影響。劉炳宇等[22]的研究表明，越冬期間對(duì)水平凍脹力變化影響較大的因素包括冷端溫度、降溫時(shí)長(zhǎng)和圍護(hù)樁剛度等。本文通過模擬試驗(yàn)探究各因素對(duì)基坑水平凍脹力影響的敏感性。參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況選取不同參量水平，建立三因素三水平的正交試驗(yàn)方案如表3所列。運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行基坑越冬模擬，分別設(shè)置9種不同參數(shù)的工況，得到模擬結(jié)果見表4。

表3 正交模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表4 正交模擬試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

不同工況下水平凍脹力隨基坑深度變化規(guī)律見圖10。不同工況下基坑水平凍脹力變化趨勢(shì)基本保持一致，隨著基坑深度的增加，水平凍脹力從地面開始逐漸呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。在達(dá)到8 m深左右，水平凍脹力不再繼續(xù)增大，而是出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)達(dá)到14 m時(shí)，水平凍脹力出現(xiàn)小幅度減小，最后在基坑底部突然增大。水平凍脹力最大值均出現(xiàn)在基坑底部，不同工況下最大水平凍脹力值為318.0 kPa。為獲得不同因素的敏感性，應(yīng)用方差分析和極差分析進(jìn)一步研究各因素對(duì)水平凍脹力的影響。

圖10 基坑側(cè)壁不同工況水平凍脹力變化

3.2 方差分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，由方差分析確定不同因素對(duì)水平凍脹力影響的顯著性，如表5所列。采用F檢驗(yàn)法對(duì)影響水平凍脹力的因素進(jìn)行檢驗(yàn)，冷端溫度、降溫時(shí)長(zhǎng)、圍護(hù)樁剛度的F值分別為142.61，16.39，5.09，冷端溫度F>F0.01(2，2)，降溫時(shí)長(zhǎng)F

表5 方差分析

不同因素對(duì)水平凍脹力的影響曲線如圖11所示。冷端溫度的影響程度曲線起伏最大，最大凍脹力在冷端溫度的影響下增幅達(dá)到156.5%，降溫時(shí)間和圍護(hù)樁剛度的影響程度曲線則較小，水平凍脹力的增幅僅為27.6%和13.2%。這說明冷端溫度是影響水平凍脹力大小的關(guān)鍵因素，為使水平凍脹力在基坑越冬期滿足規(guī)范要求，應(yīng)優(yōu)先考慮通過保溫措施改變冷端溫度。

圖11 不同因素影響程度

3.3 極差分析

不同因素對(duì)水平凍脹力影響顯著性的極差分析結(jié)果如表6所列。冷端溫度、降溫時(shí)間和圍護(hù)樁剛度的極差分別為144.27，48.10，25.57。由此可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響從大到小的順序?yàn)槔涠藴囟取⒔禍貢r(shí)間、圍護(hù)樁剛度，且冷端溫度對(duì)水平凍脹力的影響遠(yuǎn)大于降溫時(shí)間和圍護(hù)樁剛度，這一結(jié)果與方差顯著性分析結(jié)果吻合。

表6 極差分析

根據(jù)正交模擬試驗(yàn)結(jié)果可知：冷端溫度-6 ℃、降溫時(shí)長(zhǎng)30 d、圍護(hù)樁剛度300 MN·m2為模擬結(jié)果中的最優(yōu)工況。通過模擬得出該水平下最大水平凍脹力為122.1 kPa。另外，結(jié)合模擬結(jié)果，當(dāng)滿足冷端溫度高于-13 ℃時(shí)，可保證基坑最大水平凍脹力在規(guī)范設(shè)計(jì)值200 kPa以內(nèi)，即應(yīng)優(yōu)先通過設(shè)置一定保溫措施，使基坑內(nèi)部處于較高溫度，以降低水平凍脹力對(duì)基坑的影響，從而保證基坑越冬期的穩(wěn)定和安全。

依據(jù)正交模擬試驗(yàn)結(jié)果，采用棉氈和暖風(fēng)炮對(duì)該越冬基坑進(jìn)行保溫處理，并對(duì)基坑側(cè)壁中部及邊角處的棉氈進(jìn)行了加厚處理，以保持越冬期間基坑內(nèi)部處于較為安全的溫度。在越冬期間，對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖12為基坑側(cè)壁中部截面監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬工況6的水平位移對(duì)比圖。基坑側(cè)壁整體變形規(guī)律與模擬結(jié)果較為一致，水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。最大水平位移位于基坑10 m深處，約為13 mm，與工況6模擬結(jié)果相比，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形更小?，F(xiàn)場(chǎng)的保溫措施極大地提高了基坑側(cè)壁的溫度，減弱了側(cè)壁水平凍脹力對(duì)基坑的影響，降低了基坑越冬期的凍脹變形量，保證了基坑越冬期間的安全與穩(wěn)定。

圖12 側(cè)壁水平位移對(duì)比

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)哈爾濱地區(qū)超深基坑越冬期進(jìn)行數(shù)值模擬、正交模擬試驗(yàn)分析以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1) 模擬結(jié)果顯示越冬期基坑側(cè)壁最大水平位移約為20.3 mm，位于基坑中部偏上位置；基坑最大水平凍脹力為291.4 kPa，位于側(cè)壁和底部交會(huì)位置。水平凍脹力變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小最后在基底處突然增大的規(guī)律，并且在基坑中部和底部均超出規(guī)范允許值，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 針對(duì)基坑水平凍脹力的不同影響因素，設(shè)計(jì)了正交模擬試驗(yàn)，其影響結(jié)果為冷端溫度>降溫時(shí)長(zhǎng)>圍護(hù)樁剛度。結(jié)果表明，冷端溫度對(duì)水平凍脹力的影響要遠(yuǎn)大于降溫時(shí)長(zhǎng)和圍護(hù)樁剛度。為保證基坑安全，應(yīng)優(yōu)先考慮采取相應(yīng)保溫措施提高基坑內(nèi)部溫度。另外通過模擬可知，當(dāng)冷端溫度高于-13 ℃時(shí)即可滿足規(guī)范要求，通過保溫措施降低凍脹對(duì)基坑側(cè)壁的影響為最優(yōu)方案，可極大增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性。

(3) 結(jié)合正交模擬試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)工程條件，對(duì)越冬期基坑采用棉氈和暖風(fēng)炮進(jìn)行保溫處理，并對(duì)基坑側(cè)壁中部及邊角處的棉氈進(jìn)行加厚。實(shí)際監(jiān)測(cè)的側(cè)壁水平位移最大值為13 mm，現(xiàn)場(chǎng)保溫效果良好，保證了基坑越冬期間的安全穩(wěn)定。