越冬基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及樁側(cè)凍脹力研究

摘要：隨著地下空間的開發(fā)，必要情況下施工建設(shè)需要在相對寒冷的環(huán)境下進(jìn)行，此時(shí)基坑建設(shè)可能會出現(xiàn)越冬情況，為研究越冬基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及樁側(cè)凍脹力，運(yùn)用三維快速拉格朗日數(shù)值分析軟件（FLAC3D），在懸臂樁支護(hù)形式下，對不同樁體直徑及插入比的越冬深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)凍脹力及水平位移進(jìn)行分析。分析得到，在凍結(jié)狀態(tài)下，懸臂樁支護(hù)基坑水平位移峰值是常溫時(shí)的4.5倍，樁側(cè)凍脹力峰值增加了2倍，凍脹作用對基坑變形和受力影響非常顯著；隨著樁徑增加，樁側(cè)凍脹力隨之迅速增加而水平位移峰值不斷減??；樁體水平位移及樁側(cè)凍脹力受插入比的變化影響很小。成果可為以懸臂樁為主的排樁支護(hù)形式在越冬深基坑工程中的設(shè)計(jì)、施工提供理論參考。

關(guān)鍵詞：FLAC3D；越冬基坑；凍脹；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""""""""" 文章編號：

Research on Horizontal Displacement and Pile Side Frost Heave Force of Overwintering Foundation Pit Support Structure

Abstract：With the development of underground space，construction need to be carried out in a relatively cold environments if necessary，and the construction of foundation pit may overwinter，in order to study the horizontal displacement and pile side frost heave force of the overwintering foundation pit support structure，three-dimensional fast Lagrangian numerical analysis software （FLAC3D） was used to analyze the pile side frost heave force and horizontal displacement of the overwintering deep foundation pit support structure with different pile diameters and insertion ratios under the cantilever pile support form.Analysis shows that under frozen conditions，the peak horizontal displacement of the cantilever pile support foundation pit is 4.5 times that at room temperature，and the peak frost heave force on the pile side increases by 2 times，the frost heave effect has a significant impact on the deformation and stress of the foundation pit，as the pile diameter increases，the frost heave force on the pile side rapidly increases while the peak horizontal displacement continuously decreases，and the horizontal displacement of the pile and the frost heave force on the pile side are minimally affected by changes in the insertion ratio.The results can provide theoretical reference for the design and construction of row pile support forms mainly composed of cantilever piles in winter deep foundation pit engineering.

Keywords：FLAC3D;overwintering foundation pit;frost heaving;numerical simulation

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，城市居民數(shù)量激增，新建樓房高度持續(xù)增加，以往的開發(fā)方式無法滿足發(fā)展要求。因此，近年來多數(shù)城市開始著手發(fā)展地下城市軌道交通系統(tǒng)，從而有效緩解地面交通擁堵的問題[1-3]；考慮到我國經(jīng)濟(jì)增長需求，應(yīng)在季節(jié)性凍土等地帶開展國家級基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。因此，選擇適當(dāng)?shù)闹畏绞街陵P(guān)重要[4-5]。

排樁支護(hù)方式因其施工工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際施工中常作為首選，本研究利用數(shù)值模擬軟件FLCA3D[6-7]，對懸臂樁支護(hù)形式在越冬基坑下改變樁徑和插入比，觀察樁側(cè)凍脹力和樁體位移的變化規(guī)律，為實(shí)際越冬基坑的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 越冬基坑模型的建立

FLAC3D 6.0版本提供了更加豐富的模型構(gòu)建方法。本文為了能夠確保模型網(wǎng)格的規(guī)整性，采用傳統(tǒng)的命令流驅(qū)動建模方法。保障計(jì)算結(jié)果的精確性。

1.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

在X軸方向上基坑模型的尺寸為：0～80 m，模型的整體長度為：80 m；Y方向上的長度范圍介于0～1 m，模型整體寬度為1 m；在Z方向上，模型整體高度為35 m。基坑挖掘的寬度在X方向是：30 m～50 m，挖掘長度為20 m；在Y方向上，基坑的挖掘深度范圍是35 m～24 m，挖掘深度為11 m。模型中，左下角的坐標(biāo)是（0，0，0），右上角的坐標(biāo)是（80，1，35）。各單元格距離為0.5 m，模型網(wǎng)格如圖1所示。

1.2 參數(shù)選取

各材料參數(shù)見表1～表2。

1.3 邊界條件選取

本模型中，邊界條件主要包括：力學(xué)邊界約束、溫度邊界約束及其他邊界條件。本文詳細(xì)敘述前兩種條件。

1.3.1 約束邊界條件

在自然環(huán)境中，土體可以被視為一個(gè)連續(xù)的、無線延展的均質(zhì)物質(zhì)。但在進(jìn)行模型模擬時(shí)，需按照規(guī)范選擇基坑開挖尺寸的3倍～5倍作為模型尺寸。模型采用的邊界條件如下：在X坐標(biāo)范圍為-0.1 m～0.1 m時(shí)，施加面的法向約束；在X坐標(biāo)范圍為79.9 m～80.1 m時(shí)，同樣施加面的法向約束。Y方向上1 m處，為了使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際工程，故將所有約束施加到模型中。模型的頂部可自由設(shè)置。約束邊界條件見圖2。

1.3.2 溫度邊界條件選取

在本研究中采用長春地區(qū)的月平均氣溫為-10 ℃的溫度來模擬越冬基坑在不同樁徑和插入比的懸臂樁支護(hù)形式下的影響規(guī)律。在Z方向35 m處的表面上，X方向30 m，50 m，Y方向24 m～35 m處以及在X方向30 m和Y方向24 m～35 m的交叉區(qū)域處的溫度邊界條件（見圖3）。

2 不同直徑懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)越冬模擬

在越冬基坑抗凍脹分析中懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在很多研究中已經(jīng)得到了探討。本研究通過在基坑挖掘完畢后引入溫度負(fù)荷，凍結(jié)周期為30 d。通過改變環(huán)境溫度和采用不同直徑的懸臂樁，將模型在未凍結(jié)和凍結(jié)兩種工況下進(jìn)行比較，研究樁體水平位移和樁側(cè)凍脹力的變化趨勢。不同工況見表3。

2.1 不同直徑懸臂樁模擬

不同懸臂樁直徑支護(hù)下的基坑云圖如圖4～5所示。

根據(jù)上述計(jì)算云圖結(jié)果顯示：在常溫工況下，地應(yīng)力平衡的理論計(jì)算值為（其中γ為重度，N/m3）。模擬軟件計(jì)算產(chǎn)生的云圖（見圖4）得出的結(jié)果為647.29 kPa。經(jīng)對比，兩者結(jié)果接近。樁體最大位移為11.23 mm，樁側(cè)的凍脹力為40.25 kPa（水平方向），達(dá)到最大值，詳見圖6。經(jīng)過溫度為-10 ℃，時(shí)間周期為30 d的基坑凍結(jié)的處理下，通過軟件結(jié)果顯示可得凍層深度達(dá)為2.45 m。此時(shí)，基坑底部凍層厚度約為3.05 m，這是因?yàn)樵谪?fù)溫的環(huán)境下，由于樁體和基坑兩者的底部均受到凍脹力，導(dǎo)致其表現(xiàn)為雙向凍結(jié)。

2.2 結(jié)果分析

由圖6可得出：

1） 樁體的水平位移在各個(gè)不同的工況下觀察到下部減小而上部增大的變化。樁體的水平位移受到外部環(huán)境溫度的影響。分析曲線圖發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下的位移均不同：凍結(jié)狀態(tài)下是未凍結(jié)狀態(tài)的5.6倍。樁體的水平位移與樁徑的大小有關(guān)，隨樁徑的增大而呈相同趨勢減小。

2） 曲線顯示，最大的樁頂水平位移為55.67 mm（凍結(jié)狀態(tài)下），最小為35.54 mm。分析得出，最大的樁底水平位移為0.87 mm（凍結(jié)狀態(tài)下），最小為0.12 mm。

由圖7可得：

1） 位置不同凍脹力大小不同，樁側(cè)凍脹力最大是在坑底部位。樁體的水平位移在凍結(jié)工況下是未凍結(jié)下樁側(cè)土壓力的3倍～4倍。樁側(cè)土壓力隨著開挖深度的增加而上升。

2） 在凍結(jié)工況下樁端處樁側(cè)凍脹力最小為25.56 kPa，最大為45.59 kPa。樁底的凍脹力隨著樁徑的增大而增加。在8 m～9 m的樁身位置，整根樁凍脹力突然增加。這是由于樁底土在基坑開挖底部附近受到了約束，導(dǎo)致坑底的應(yīng)力急劇上升。

3 不同插入比的懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)越冬模擬分析

在基坑開挖完成后施加溫度負(fù)荷凍結(jié)30 d，并在不同工況下觀察樁體水平位移及樁側(cè)凍脹力的變化趨勢。懸臂樁不同插入比模擬工況見表4。

由圖8可得出：

1） 樁體樁端的水平位移在未凍結(jié)工況下達(dá)到13.28 mm。樁端的最大水平位移在第2～6工況下（凍結(jié)狀態(tài)下）達(dá)到42.23 mm～45.02 mm，是工況1的3.18倍。

2） 通過工況1和工況5的水平位移曲線顯示，工況5樁端水平位移在凍結(jié)工況下是工況1的4倍。分析工況2～6得出，樁端水平位移隨著插入比的增加而發(fā)生較小幅度的變化，綜合對比上述樁徑對其的影響，此因素對樁體水平位移的影響微弱。

由圖9可得：

1） 未凍結(jié)工況下：隨著樁徑的增加，水平位移峰值持續(xù)減小，然而，樁側(cè)凍脹力迅速上升。當(dāng)處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，樁側(cè)的凍脹力會隨著開挖深度的加深而上升，并且增長速度超過了非凍結(jié)狀態(tài)，增長狀態(tài)屬于非線性。

2） 在凍結(jié)狀態(tài)下，樁側(cè)的凍脹力會在開挖深度達(dá)到2 m～3 m時(shí)出現(xiàn)顯著增加。這主要是因?yàn)樵谪?fù)溫條件下，凍層的厚度逐漸變厚，導(dǎo)致樁側(cè)的凍脹力急劇上升。隨著深度逐漸增加，樁側(cè)的凍脹力逐漸趨于穩(wěn)定。此外，樁側(cè)凍脹力的增加與基底土壓力密切相關(guān)，其在水平方向存在約束，導(dǎo)致了凍脹力進(jìn)一步增加。

3） 樁體插入比通過圖8顯示達(dá)到0.3時(shí)，樁頂?shù)乃轿灰七_(dá)到45.02 mm，根據(jù)表4工況增加插入比，增至0.5時(shí)，樁頂水平位移為42.23 mm。分析可得：樁體長度增加了15.4%，但位移減少了6.61 mm。說明圍護(hù)樁的水平位移和樁側(cè)凍脹力受懸臂樁插入比的影響相對較小。

4 結(jié)論

本文主要通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對比在常溫環(huán)境下和-10 ℃凍結(jié)30 d情況下，對越冬基坑懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及樁側(cè)凍脹力進(jìn)行模擬。具體研究結(jié)論如下。

1） 隨著樁徑增加發(fā)現(xiàn)可減小樁體水平位移，但樁側(cè)凍脹力增加速度較快，樁徑為0.5 m時(shí)，樁徑尺寸對樁體水平位移的影響效果明顯，樁徑為1.2 m時(shí)，樁徑尺寸對樁體樁側(cè)凍脹力的影響效果明顯。

2） 在懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)越冬過程中，-10 ℃凍結(jié)30 d情況下，隨著樁體插入比的增加，在各種工況下，懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和樁側(cè)凍脹力變化并不顯著?？芍獦扼w的插入比對水平位移和樁側(cè)凍脹力的影響微乎其微。

3） 相較于常溫條件，在凍結(jié)狀態(tài)下，樁側(cè)的凍脹力峰值增大了約2倍，懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑水平位移峰值大約是正常溫度條件的4.5倍，凍脹作用對于基坑的受力和變形具有顯著影響。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhang D M，Xie X C，Zhou M L，et al.An incident of Water and Soil Gushing in a Metro Tunnel Due to High Water Pressure in Sandy silt[J].Engineering Failure Analysis，2021，121（1）：25-28.

[2]Shi C L，Li J，Xu X.Full-scale Tests on Smoke Temperature Distribution in Long-Large Subway Tunnels with Longitudinal Mechanical Ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，2021，109（3）62-65.

[3]韓業(yè)華.復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道盾構(gòu)施工誘發(fā)地表土體變形的智能預(yù)測[J].中國建材科技，2021，30（1）：91-93.

[4]姜秀.樁錨圍護(hù)體系最優(yōu)錨索預(yù)應(yīng)力的研究[J].福建建材，2021（2）：27-29.

[5]張險(xiǎn)濤.長春地鐵七號線吉大四院站深基坑支護(hù)施工技術(shù)分析[J].居舍，2021（5）：48-49，51.

[6]馮艷順，王紅奪，謝玉磊.基于GIS-Excel快速FLAC3D數(shù)值模擬建模方法研究[J].西部探礦工程，2021， 33（4）：151-153，155.

[7]盛曉杰，陸漢光.基于FLAC3D的巖土預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)仿真，2021，38（2）：206-209，295.