綜合管廊基坑邊坡土體凍融對基坑穩定性的影響

霍俊晨 徐楊寶

摘 要：凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，含有地下冰，與其他土體介質有本質的區別。由于凍土而造成的工程災害主要是凍脹和融沉。本文結合赤峰地下綜合管廊工程，通過對原狀土基坑凍融作用的計算與基坑土釘支護的抗力分析結果對比，得出在北方地區，已開挖基坑可通過土釘支護的形式抵抗越冬凍融作用對基坑穩定性的影響。

關鍵詞：凍融作用；抗剪強度；基坑；土釘；噴射混凝土；穩定性

中圖分類號：TU473 文獻標志碼：A

0 引言

赤峰中心城區綜合管廊工程位于內蒙古赤峰市，屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區。大部地區年平均氣溫為0 ℃～7℃，最冷月（1月）平均氣溫為-10?C左右，極端最低氣溫-27?C。基坑開挖深度為7m，其中下邊坡坡率1∶1，高度5.4m，支護形式采用土釘支護，厚度8cm。

赤峰市地處大興安嶺南段和燕山北麓山地，分布在西拉沐淪河南北與老哈河流域廣大地區，呈現多山多丘陵的地貌特征，本工程位置地質條件變化較小，工程區域內大面積存在濕陷性黃土，底部持力層為圓礫；因地處北方，四季分明，氣溫變化較大，允許工程施工的時間均集中在4月～10月份，由此導致部分管廊基坑處于暴露狀態，經歷外界環境的凍融循環過程，造成土體性質改變，對于基坑的穩定性、基坑支護措施的加固作用產生不同程度的影響。

赤峰中心城區綜合管廊在結構混凝土施工完成后，因外墻防水涂層未明確，導致基坑無法回填，本文就暴露的基坑土釘支護是否能夠抵抗邊坡土越冬凍融應力產生的破壞，現做如下探討。

由于季節交替，所以在寒冷地區施工都會涉及土的凍脹和融沉的問題。不論是凍脹或是融沉，都會影響原狀土的物理力學性能，土在凍融后，其干密度、塑性指數、密度會有所降低，內摩擦角、液性指數、孔隙比會有所增大，無側限抗壓強度及靈敏度都會有較大幅度降低，而且黏土凍融后，滲透性也會大大增加。

1 研究內容及方法

1.1 研究內容

以現場用作管廊基坑回填的原狀土（粉質黏土）作為試驗對象，進行室內凍融循環試驗，通過對其凍融后的抗剪強度參數c、φ值的變化以及對土釘支護錨固效果的影響進行研究，包括如下內容：

（1）根據實驗數據確定不同溫度變化范圍內和不同凍融次數下，試驗土體黏聚力c和內摩擦角φ值的變化規律。

（2）推理出不同溫度變化范圍t及不同凍融次數n與試驗土體黏聚力c和內摩擦角φ的關系公式，以及溫度變化范圍t及凍融次數n與土釘抗力T的計算公式。

（3）分析不同溫度變化范圍和不同凍融次數下，試驗土體黏聚力c和內摩擦角φ值改變對深基坑土釘錨固效果的影響。

1.2 研究方法

本文選擇凍融溫度變化范圍和凍融次數為影響因素，凍融循環溫度變化范圍選擇3組：分別為：-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°；凍融循環次數選擇兩組，分別為：5次、10次，進行室內凍融試驗和剪切試驗。

2 土樣試驗驗證情況

在深基坑支護結構設計中土的抗剪強度是非常重要的參數，其土體的剪切破壞抵抗能力將直接影響到基坑邊坡的穩定性、基坑支護結構的有效性，對于確定安全、可靠的基坑支護措施至關重要。

土的抗剪強度主要由土體黏聚力和土體內摩阻力兩個力學指標所決定，可由庫侖定律表達式計算確定：

τ=σtanφ+c （1）

式中：

τ為土的抗剪強度，kPa；

σ為滑動面上法向應力，kPa；

c為土的黏聚力，kPa（對于黏性土，c不為0，對于砂土，c為0）；

φ為土的內摩擦角（°）。

2.1 試驗土樣物理參數

根據《赤峰市中心城區綜合管廊小新地組團地質勘察報告》，選用土樣為地勘報告中③1層粉質黏土，褐黃色，土質均勻，含鈣質條紋、云母，可塑～堅硬狀態。項目所送檢土工擊實報告截圖如圖1所示。

根據上述土樣土工擊實試驗報告（圖1）顯示，當含水率接近13.3%時，土體達到最大干密度，此時土的黏聚力接近最大值，其他相關技術指標見表1。

2.2 凍融循環試驗

將試驗土樣放入凍融機內，在3組不同溫度變化范圍（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）內進行凍融試驗，分別在完成5次、10次凍融后取出兩組（每組12個）試樣進行剪切試驗；

剪切試驗采用固結快速不排水法進行，分析確定凍融前、后試驗土樣的黏聚力c和內摩擦角φ的變化，同一組試樣在不同軸向壓力σ（100kPa；200kPa；300kPa；400kPa）下剪切，得到不同軸向壓力相對應的抗剪強度τ，根據公式（1）繪制σ～τ關系曲線，如圖2所示。

表2為各組試樣進行剪切試驗后，所測定的黏聚力c和內摩擦角φ值，見表2。

根據上述試驗數據統計結果顯示：

（1）在不同的凍融循環溫度變化（-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°）范圍內，粉質黏土經過同等次數的凍融作用后，其黏聚力c值、內摩擦角φ值存在極顯著性差異。

（2）在相同凍融循環溫度變化（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）范圍內，粉質黏土經不同次數（5次、10次）凍融作用后，其黏聚力c值、內摩擦角φ值存在極顯著性差異。

通過表2的c值、φ值，繪制出粉質黏土在不同溫度變化范圍內經相同次數凍融作用后的c值和φ值的變化曲線，如圖3、圖4所示。

經相同次數凍融作用后試驗數據表明：試驗土樣的粘聚力c值和內摩擦角φ值是隨溫度降低而增大，主要原因為隨著溫度的不斷降低，土體內含冰率增大，土顆粒與冰晶產生膠結，使得土體的抗剪強度逐步增大。

不同次數凍融作用后數據顯示：試驗土樣的黏聚力c值和內摩擦角φ值隨著凍融循環次數的增加而減小，主要原因為反復凍融循環使得土體向著新的穩定狀態發展，抗剪強度特性參數也趨于穩定。

通過表2 的c值、φ值，繪制粉質粘土在相同溫度變化范圍內，經不同次數凍融作用后黏聚力c值和內摩擦角φ值的變化曲線，如圖5、圖6所示。

根據關系曲線顯示，在相同凍融循環溫度變化范圍（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）內，試驗土樣的黏聚力c值和內摩擦角φ值隨著凍融作用次數的增加而減小，主要原因為反復凍融循環作用導致土體含水量增大，干容重減小，而土中的水分在結冰過程中體積增大，所產生的膨脹應力擴展了土顆粒間的間隙，減少了土顆粒之間的接觸面積，造成凍土的孔隙率增大，導致其黏聚力及內摩擦角減小。

3 凍融循環后土釘錨固效果分析

3.1 土釘支護結構

根據赤峰中心城區綜合管廊小新地組團基坑支護結構設計圖顯示，本工程所設計的基坑支護主要由邊坡土釘加固與掛網噴射混凝土面層組成，如圖7所示。

3.1.1 土釘

本工程中土釘為成孔注漿型土釘。注漿材料為水泥砂漿，水泥砂漿的水灰比為0.45，注漿壓力均為0.4 MPa～0.6MPa，注漿采用底部注漿法。土釘與水平夾角為20°。

3.1.2 噴射砼面層

邊坡采用C20噴射混凝土護坡，面層厚度及鋼筋網配筋詳見圖8，鋼筋單層雙向布置，土釘與網筋外的加強筋焊接。

3.1.3 土釘支護原理分析

根據設計計算，土釘鉆孔深度應穿透土體滑裂面，土釘長度與鉆孔深度一致，深入土體滑裂面后方，在土釘安裝完成后，采用壓力注漿進行錨固，使土體、漿液、錨桿形成一個整體進行受力；當邊坡面層產生滑移的趨勢時，土體與漿液、漿液與錨桿間的摩擦力將阻止周邊土體產生移動。

3.2 土釘抗拔承載力檢測

依據設計提供的土釘抗拔承載力檢測值表見表3。

假設土釘的摩擦力（或剪應力）沿土釘長度均勻分布，采用下式計算土釘剪切面處的剪應力：

τ==σvtanφ+c （1）

式中：T為頂端抗拔力，kN；

D為土釘與漿體的復合直徑，cm；

L為土釘長度，cm；

σv為土釘平均深度處垂直應力，kPa；

c為土的黏聚力，kPa；

φ為土的內摩擦角，°。

3.3 凍融循環作用對土釘錨固的影響

由公式（1）可知：

T=πDL（σvtanφ+c） （2）

根據公式（2）可計算出粉質黏土在不同凍融循環溫度變化范圍及不同次數凍融作用下其頂端抗拔力的大小，相關數據見表4。

說明：根據圖紙提供數據取值，D=12cm；第一道土釘L=950cm，第二道土釘L=650cm，第三道土釘L=500cm，第四道土釘L=500cm；σv=65kPa。

由表4數據可以得出，相同凍融循環溫度變化范圍內，T5>T10；相同次數凍融作用下，T（-25°～25°）>T（-15°～15°）>T（-5°～5°）；計算抗拔力均遠大于設計要求抗拔承載力，基坑支護措施滿足設計要求，基坑越冬處于安全狀態。

結論

（1）開挖土層為粉質黏土的基坑受凍后，隨著溫度的不斷降低，土體自身抗剪強度特性參數不斷增大，有利于基坑邊坡的穩定。

（2）開挖土層為粉質黏土的基坑經過反復凍融作用，土體自身抗剪強度特性參數隨著凍融次數的增加而減小，但最終會趨于穩定，但多次反復凍融不利于基坑邊坡的穩定。

（3）基坑支護采用土釘+掛網錨噴支護時，土釘與土體之間的錨固作用會隨著凍融循環次數的增加而減小，隨著溫度的降低而增加。

（4）結合設計及現場情況計算結果顯示，該基坑支護形式經凍融作用后釘端抗拔力會有所變化，但均能滿足設計土釘抗拔承載力要求，基坑穩定性及安全性不會受到影響。

參考文獻

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