嚴寒地區深基坑土體溫度場動態變化研究

邵 瑩

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

在嚴寒地區，低溫及大溫差對深基坑支護結構及周邊土壤帶來的影響是不可忽視的[1]，地鐵基坑常用止水和豎向深基坑開挖方式[2]，基坑開挖后，坑底及支護結構背側水土將受到低溫的嚴重影響，嚴寒條件下易引起水土凍脹，目前水土凍脹的機理研究尚不深入，國內設計和施工規范規程也未明確水土凍脹力計算方式以及水土凍脹對支護結構影響的量化計算，對嚴寒條件下明挖基坑支護設計造成很大的困擾。

季節性凍土地區溫度是影響凍脹的重要因素[3]，準確掌握越冬基坑溫度變化規律對研究基坑凍脹具有重要意義，分析凍脹應力首先需要建立合理的土體溫度場。近年來，國內對凍融環境下深基坑溫度場分布及凍脹應力影響進行了大量研究，杜東寧[4]依托毗鄰沈陽市政府的東森CBD商務廣場二期基坑工程，模擬研究凍融循環作用下基坑在越冬過程中基坑支護變形和內力規律；武軍紅[5]在北京地鐵十三陵景區站基坑采用COMSOL數值模擬軟件，建立水、熱、力三相耦合數值模型，揭示越冬基坑溫度場、水分場及應力場中變量及參數的分布變化規律；彭第[6]通過有限元數值分析軟件，建立基坑凍結過程中溫度場模型，研究凍土墻用于深基坑支護工程凍結過程中凍結時間、凍結距離與凍結溫度的關系；王艷杰[7]通過COMSOL多物理場耦合有限元分析軟件，建立越冬基坑模型，對水平凍脹力的影響因素進行了研究；孫超、邵艷紅[8]通過有限差分軟件FLAC3D，建立季節性凍土地區基坑樁錨支護計算模型，模擬分析基坑工程凍融作用。

本文結合呼和浩特地鐵1號線地下車站深基坑土溫測試結果，以及深基坑溫度場的數值模擬，分析和研究嚴寒條件下圍護結構背側水土溫度動態變化規律，為進一步研究溫度及含水量變化條件下水土凍脹應力打下堅實的基礎。

2 工程概況

2.1 場地水文和氣象條件

呼和浩特市屬于溫帶干旱半干旱氣候區，冬季時間較夏季長，且冬季溫度較低，季節變化劇烈且四季變化明顯，全年降水較少，受陰山山脈的影響較大。據相關資料，呼和浩特地區降水集中在7～9月，占全年降雨量的70%以上，極端最高氣溫為38.5℃，歷史記錄最低氣溫為-41.5℃；呼和浩特市城區的主要氣象指標如表1所示。

表1 主要氣象指標

場地賦存地下水類型為潛水，潛水水位埋深為4.30～8.6 m，含水層主要為粉土③3層、粉砂③4層、細砂③5層、中砂③6層、粗砂③7層、圓礫③9層，主要接受北部山前的側向徑流補給及大氣降水入滲補給，排泄方式以徑流排泄為主；動態變化約在1.5～3.0 m。

2.2 場地地質條件

根據鉆探資料及室內土工試驗結果，場地土層主要由人工堆積層、砂土、黏土三類組成?；油鈧韧馏w大致分為3個大層。

2.3 基坑支護設計

地鐵車站采用地下兩層雙柱三跨的結構形式，現場測試位置基坑寬度22.7 m，深度約18.4 m，車站采用明挖(局部蓋挖)順作法施工，基坑圍護結構采用地下連續墻，基坑內設砼/鋼管內支撐，車站主體為現澆鋼筋混凝土箱形框架結構，結構外設置全外包防水層。

3 現場土體溫度測試

3.1 土溫現場測試

本次測試主要對基坑周圍土體溫度、土壓力進行測試。測點的選擇集中在已經開挖到底部的基坑的坑壁。布置測量土壓力的測點集中在離基坑最近的探測孔內，距離地下連續墻10 cm左右，以便能更好地測得土體凍脹力。為了能夠更好地分析溫度沿著基坑的分布情況，溫度探測器沿著平行于地下連續墻豎直方向進行布置，一共布設2個斷面，每個斷面布置4個探測孔，每個探測孔離地下連續墻距離分別為10、60、110、160 cm，對應每個探測孔的深度依次是26、22、17、17 m。因為凍脹主要發生在基坑上部，為了能對探測孔內的數據進行更加精確的分析，故每個探測孔在深度方向的布置密度按照“上密下疏”的原則進行布設。本次溫度測試時間是從2017年11月至2018年4月，測試頻率按照地溫和氣溫進行綜合考慮[9]。

3.2 溫度場現場測試結果

起始狀態的測試結果見圖1，從2017年11月監測數據可見此時土體溫度橫向較為均勻，且土體凍深較小。此后隨著氣溫降低，土體溫度出現明顯的梯度，距離坑壁土體最遠端探測孔溫度較距離坑壁土體近端探測孔溫度高，且有距離坑壁越遠土體溫度越高的趨勢。由于基坑側壁處于雙向凍結過程中，距坑壁10 cm處探測孔數據為溫度場數據包絡溫度線，在2017年12月最大凍深為6 m，溫度場在2018年2月底達到最大凍深13 m，見圖2。溫度變化波動主要集中在3 m以上的范圍內，3 m以下范圍的溫度場具有明顯的規律性。溫度梯度在2017年11月至2017年12月較大，2018年3月達到極小值。由于基坑凍脹初期土體溫度的滯后性導致基坑側壁土體初期具有較大的溫度梯度，且由于凍土與非凍土熱學性質的差異導致此時的凍結過程為非穩定態。在基坑側壁凍結鋒面停止移動后溫度梯度達到最小值，且溫度曲線呈相對線性，凍土與非凍結土之間熱學性質差異減小。

圖1 2017年11月溫度場監測數據

圖2 2018年2月溫度監測數據

4 深基坑溫度場數值模擬

4.1 計算模型

數值模擬基于COMSOL Multiphysics對溫度場進行分析。溫度場分析基于傅里葉定律與能量守恒定律建立溫度場方程，水分場分析基于達西定律與質量守恒定律建立水分場方程[10]。計算模型采用多孔介質模塊、微分方程模塊分析流熱耦合，其中多孔介質模塊為系統內置模塊，微分方程為自定義耦合模塊，在COMSOL Multiphysics計算過程中，先將各個模塊轉換為弱微分方程并求解該微分方程，通過對該方程的求解，進一步得到溫度場的變化情況[11-12]。

基坑表層土體溫度基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地區氣溫數據，為獲取基坑表層土體溫度數據，通過對該氣溫數據的擬合得出基坑表層土體溫度曲線，由于監測時間間隔較長，故在實際建模計算的過程中需要對離散數據進行插值，如圖3所示。由于數據本身離散點多，且數據震蕩較為頻繁，為了避免過擬合或出現龍格現象，對溫度場數據采用三次插值[13]，如式(1)所示。

圖3 2017年11月至2018年4月呼和浩特地區溫度氣候變化圖

土層材料參數與溫度計算物理參數如表2所示。

表2 土體熱物理參數及材料參數

4.2 計算結果

為了與現場實測數據進行對比分析，模型求解總時長為150 d，步距為1 d，溫度變化情況基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地區溫度變化情況進行設定。圖4表示30 d時基坑溫度場分布情況。通過對比分析，土體表面溫度變化受氣溫影響較大，與氣溫存在實時變化趨勢。

圖4 30 d時基坑溫度場數值計算(單位：℃)

為分析模型溫度場隨時間變化規律，對三維模型截面進行研究，選取典型截面進行溫度場分析。初始狀態下，基坑表層溫度在氣溫的影響下變化較大。圖5給出了基坑截面溫度場在150 d時的變化情況。

圖5 150 d后基坑截面溫度場變化

在模型降溫初期，土體溫度變化集中在表層，土體內部溫度變化較小，溫度梯度較大。隨著模型降溫時間增加，溫度曲線逐漸擴展，土體內部溫度變化較為平緩，溫度梯度逐漸減小?？諝鉁囟冉档偷阶畹忘c時，土體溫度擴散未達到極大值。土體溫度場呈現出逐步擴大趨勢，但擴展速度較緩慢。50 d后基坑外側土體溫度曲線出現拐點，是由于基坑外側地下連續墻導熱系數較大，使得外側土體受氣溫影響較小?；由蟼韧馏w溫度較基坑外側土體溫度較低，故呈現溫差拐點。100 d后基坑上側土體等溫線出現明顯波動，是由于此時地表溫度開始回升，表層土體受氣溫影響較大。地表氣溫回升對基坑溫度場影響于150 d時達到最大，此時基坑土體溫度存在明顯的溫度夾層，使得夾層中溫度較上下兩側溫度較低，土體溫度處于雙向升溫的狀態。

4.3 與測試數據對比

通過對比檢測數據與數值模擬數據，得到檢測斷面距離地下連續墻0.3 m土體位置實際凍深與模擬凍深的關系。如圖6所示，現場檢測試驗值與數值模擬值變化規律一致。由于測點位于基坑外側邊緣，故受到地下連續墻外側溫度影響較大。觀察可知，土體在凍結過程中初期凍結深度較小，當土體處于雙向凍結狀態時凍深迅速增大直至最大凍深。隨著基坑內側溫度升高，凍深隨著土體溫度的回升而快速減小。

圖6 基坑凍深實際值與模擬值對比

5 結束語

(1)土體中溫度存在兩個變化區段，第一個變化區段為距離擋土墻頂部0～5 m范圍，第二個變化區段為距離擋土墻頂部15～20 m范圍，第一個變化區段受大氣溫度影響較大，且在土體的兩個變化區段中存在一個恒溫層。凍脹初期受表層溫度影響較大的范圍主要集中在5 m以內，恒溫層范圍為5 m以下。隨著外部溫度的逐漸下降，土層凍結深度在逐漸增大，且恒溫層也隨之下降，在2月初達到最低。

(2)基坑外側邊緣土體溫度由于受雙向降溫的影響，故其最大凍深較一般情況下土體凍深大，且在距離基坑0.5 m范圍內最大凍深達到15 m。在基坑外側邊緣的土體零攝氏度等溫線較陡峭，其溫度下降速率較大，但該區域土體低于零攝氏度范圍相對較小，且受氣溫影響較大。

(3)基于水熱力耦合模型，使用COMSOL Multiphysics有限元軟件對基坑溫度場進行模擬仿真，模擬數據與現場檢測試驗數據變化規律基本相同，可以作為基坑溫度場模擬計算有效手段。