凍脹對基坑懸臂支護樁影響數值模擬研究

摘要：近年來，隨著基坑開挖深度增加，施工工期延長。使得北方地區的某些基坑工程不得不進入越冬期。土體凍脹將影響支護結構的穩定，溫度不同，土體凍脹強弱不同。本文運用FLAC3D軟件，模擬基坑懸臂樁支護結構，在-2℃，-5℃，-8℃，-lOcC，-15℃，-19.5C，-20。C和-21。C等不同溫度作用下，支護結構的變形、水平凍脹力的分布模式及大小的作用規律，結果表明，隨溫度降低，土體凍深增大，支護結構頂部水平位移增大，水平凍脹力增大，并呈現中間大、兩端小的拋物線型分布。

關鍵詞：基坑；樁；溫度；樁體變形；水平凍脹力

中圖分類號：TU432 文獻標識碼：A 文章編號：2096-2118（2017）01-0041-04

Abstract：Tn recent years，with the increase of excavation depth and extension of construction period.Many foun-dation pits engineering enter into winter period in north area.Frost heaving frost of' soil wjll affect stability of sup-porting struc：ture，strength different with teml）erature.ln this paper， it used FLAC3D to simulate I）ile supportingstruc：ture of foundation pit，with the different temperatures in -20C ， -50C ，-80C ， -lOoC ， -150C ， -19.50C ， -200C ， -21℃.ln ordcr to study the dcf'ormation of' the pilc structurc，thc distribution of' the horizontal frost hcaving f'orccmodel and size.ii conclusion，wich the decrease of temperature，the frozen deplh of soil，horizonlal deformalion ofsupporting structure and horizontal frost heaving force i Tlcreased，which appears large in middle and small of bothend.

Keywords ： foundation pit ； pile ； temperature ； pile deformation ； horizontal frost heaving force

近年來，隨著我國東北地區經濟事業的蓬勃發展，高層及多層建筑物不斷增多，出現了一些超深、超大的基坑工程，導致基坑支護施工的工期延長。冬季來臨，未施工完成的基坑工程將進入越冬期，尤其是北方季節性凍土區修建的基坑支護工程。由于冬季凍結時間較長，氣溫相對較低，在基坑支護結構設計之初往往忽略了土體凍脹的影響，導致支護結構產生過大的變形，極易造成整個基坑支護體系失穩破壞[1]。溫度是土體產生凍脹的主要因素之一，溫度不同，支護結構產生的變形，水平凍脹力的大小亦不同，本文運用FLAC3D軟件，模擬不同溫度作用下排樁的變形、水平凍脹力的分布模式及大小的作用規律，以期為工程設計提供參考。

1 工程概況

本次模擬的基坑支護結構為懸臂樁支護，樁體采用C30混凝土，土層分為3層，分別為素填土、粉質粘土和中砂，厚度分別為2m，20m，20m。樁型為方樁，長10.5m，基坑開挖深度6m，寬度20m。

2 工程分析

2.1 幾何模型

以水平向右為戈軸，沿基坑長度方向為y軸，垂直向上為Z軸，模型上邊界為地表，計算深度為地表以下42m，計算寬度為50m，基坑采用懸臂樁支護，樁寬Im，劃分1個網格單元，樁長10.5m，劃分21個網格單元，整個模型尺寸為50mxlmx42m，計算模型[2]如圖l所示。

2.2 計算參數及邊界條件

土體采用摩爾一庫倫本構關系，樁體采用各向同性彈性本構模型，土體及樁的物理力學參數[3]見表1，熱力學參數[4]見表2。在樁土界而，沒置無厚度的接觸面單元，接觸面參數見表3。模型周邊同定法

向邊界，地表為自由邊界，底面約束3個方向的自

由度，土體凍結溫度為-2 0C，-5℃，-8。C，-lOcC，一15℃，-19.5 0C，-20。C和-21℃，在地表，坑底，坑壁逐月遞減施加溫度邊界條件，模擬過程中，將影響土體凍脹、樁體位移和應力變化的其他岡素，如：含水率、樁體剛度、樁長、土質等因素沒為一樣，儀考慮溫度對上體凍脹過程的影響。

3 計算結果分析

3.1 初始應力分析

圖2為模型初始應力場的分布云圖，由圖可知，初始應力沿深度方向呈層分布，模型底部的初始應力值為805.89kPa，這與公式計算的結果基本一致，證明模型建立的合理性。

3.2 溫度場分析結果

本次模擬凍結溫度分別為-2℃，-5℃，-8。C，一100℃，-150C，-19.50C，-200C和-21℃，圖3，圖4為一2℃和-5℃的2種情況下的溫度場分布云圖，由圖可知，隨時間增加，土體凍結溫度不段降低，土中凍結區而積不斷增人，凍結鋒而逐漸下移，凍深增人，凍深隨負溫不同而不同。在溫度分別為-2 0C，一5℃，一8℃，-10 0C，-15℃，-19.50C，-200C和-21℃時，土體的最人凍結深度分別為：2.43m，2.79m，2.96m，3.32m，3.5m，3.74m，3.86rn和3.87m。

3.3 位移場分析結果

圖5為支護樁體水平位移在開挖及不同的凍結溫度作用下的變化曲線，由圖可知：

（1）支護樁的水平位移在樁頂處最大，沿著樁長，位移呈現減小的趨勢。基坑開挖以后，樁頂最大水平位移為11.22mm，樁底處水平位移為1.58mm；

（2）此后隨著負溫增加，土體發生凍脹，樁頂處水平位移增大，樁底處位移減小，當溫度為-2℃時，樁頂位移為12.38mm，樁底位移為-1.3mm。此后隨土體凍結溫度降低，凍深增大，樁后土體的凍脹作用增強，導致樁體的水平位移逐漸增大，當凍結溫度達到最低值-20C時，樁體水平位移達到最大，最大位移值為87.99mm，樁底處位移值為-12.99mm，此后隨著溫度繼續降低，樁體位移變化不大；

（3）盡管土體的凍結溫度不同，但是樁體水平位移沿深度的變形規律基本一致，在樁頂處位移最大，底部水平位移逐漸減小，總體呈倒三角型分布。

3.4應力場分析結果

圖6為懸臂樁水平凍脹力在不同凍結溫度下的變化曲線圖，由圖可知：

（1）在樁體上部，由于此時土體處于凍結初期，在凍結鋒面附近，土體未發生凍脹，而是產生凍縮，導致水平凍脹力出現負值。此后，隨凍結溫度降低，土中自由水分不斷向凍結鋒面遷移，土體凍脹作用加劇，初期由于負溫從地表傳人地下時，地表未進

行豎向約束，導致土體產生一定的豎向凍脹力，水平凍脹力減小，隨著基坑側壁負溫的傳人，土體雙向凍結作用的加強，水平凍脹力隨深度不斷增大；

（2）樁長范圍內，當水平凍脹力達到最大值以后，土體雙向凍結作用減弱，導致水平凍脹力逐漸減小；到達8.5m位置時，力值最小。由于水平凍脹力與支護樁體的位移之間具有一定關系，此位置以下，樁體底部開始向坑外傾斜，出現負位移，對土體的約束作用增強，進而導致樁體所受的水平凍脹力增加；

（3）溫度不同，最大水平凍脹力的大小不同，在溫度分別為- 2。C，-5℃，-8℃，-lOcC，-15。C，-19.5℃，-20。C和-21℃時，水平凍脹力的最大值為：17.lkPa.44.1 kPa，78.6 kPa，93.6 kPa，126.2 kPa，139.2 kPa，144.2 kPa，150.2 kPa。溫度越低，土體的凍結深度越大，凍脹作用越強，支護樁體受到的的水平凍脹力越大；

（4）當凍結溫度為-19.5qC，-200C和-21℃時，樁長范圍內的水平凍脹力整體變化不大，在樁頂和樁下部基本不增，力值趨于穩定，只是在中間部位的最大水平凍脹力略有增加，。因此將-20C定為水平凍脹力增長的臨界溫度；

（5）溫度不同，最大水平凍脹力作用位置略有不同，但隨著凍結溫度降低，水平凍脹力的最大值基本出現在1/3～2/3樁長處，水平凍脹力分布模式大致為上、下中間大的拋物線型。

4結論

（1）土體的凍結溫度不同，樁后土體的最大凍深不同，凍結溫度越低，凍深逐漸越大；

（2）極端溫度越低，上體凍脹作用越強，樁體產生的水平變形越大，在支護樁頂部位移量達到最大，樁底部位移最小，不同溫度作用下，樁體水平位移沿樁長的變化規律基本一致，為倒三角形分布；

（3）不同溫度作用下，樁體受到的水平凍脹力分布趨勢基本一致，大致為上、下小，中間大的拋物線型，最大水平凍脹力的數值為17kPa～144kPa；

（4）本文僅從溫度角度對樁體所受到的水平凍脹力的大小和分布模式進行模擬，對于影響土體凍脹、樁體位移.應力的其他因素，如土質、含水率、樁長等因素的影響，有待進一步研究。

參考文獻

[1]張智浩，馬凜，韓曉猛，何敬宇，季節性凍土區深基坑樁錨支護結構凍脹變形控制研究[J].巖土工程學報，2012（34）：65-71.

[2]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]《工程地質手冊》編委會，工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]國家林業局.（CB50324-2001），凍土工程地質勘察規范[s].北京：中國計劃出版社，2001.

編輯：王國巖