冬季深基坑水平凍脹力試驗(yàn)研究

邵 瑩

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程快速發(fā)展，城市人口不斷膨脹與交通基礎(chǔ)建設(shè)落后之間的矛盾日益突出，這一背景下城市軌道交通以其運(yùn)載量大、速度快、安全準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)約能源和用地等優(yōu)勢(shì)，迅速成為一種人們優(yōu)先選擇的現(xiàn)代化城市交通方式。地鐵車站深大基坑工程一直是軌道交通建設(shè)中安全風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)之一，在季節(jié)性凍土區(qū)，基坑側(cè)面土體在地表和坑壁的雙向凍結(jié)作用下，土體凍脹作用增強(qiáng)，受到支護(hù)約束，基坑側(cè)壁出現(xiàn)較大水平凍脹力。這是引起基坑受力變形破壞的主要原因之一。過大的凍脹力將使基坑工程的支護(hù)體出現(xiàn)傾斜、坑壁側(cè)面開裂，對(duì)基坑工程的安全穩(wěn)定造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致基坑坍塌。

針對(duì)凍脹力的計(jì)算，在規(guī)范中只介紹了擋土墻的計(jì)算，未考慮其它類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于水平凍脹力的分布模式，進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，未考慮墻背土體溫度、基坑開挖支護(hù)情況、土體含水條件等影響，有其不合理性[1]。

杜東寧[2]依托毗鄰沈陽市政府的東森CBD商務(wù)廣場(chǎng)二期基坑工程，模擬凍融循環(huán)作用下基坑在越冬過程中的溫度環(huán)境，揭示基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下變形和內(nèi)力變化規(guī)律，以及季節(jié)性凍土區(qū)凍融循環(huán)與水–熱–力耦合作用下基坑變形規(guī)律。

中國礦業(yè)大學(xué)巖土工程研究所[3?4]進(jìn)行了深基坑凍土直墻受力和變形的模擬試驗(yàn)研究，得到了墻體厚度、土側(cè)壓力、墻體暴露時(shí)間等因素與凍土直墻變形之間的非線性關(guān)系。

徐學(xué)燕等[5]使用水平凍結(jié)管形成季節(jié)性凍土，用豎向凍結(jié)管凍結(jié)基坑側(cè)壁土體，模擬了季節(jié)性凍土條件下凍土墻形成與開挖過程對(duì)其耗能、受力和變形性能的影響。

李寶花等[6]進(jìn)行了凍土墻圍護(hù)的深基坑開挖溫度場(chǎng)，以及溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合數(shù)值模擬計(jì)算。

彭 第[7]建立基坑凍結(jié)過程中溫度場(chǎng)模型，得出了凍土墻用于深基坑支護(hù)工程凍結(jié)過程中凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)深度與凍結(jié)溫度的關(guān)系，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

王艷杰[8]建立越冬基坑模型，對(duì)水平凍脹力的影響因素進(jìn)行了研究，分析了不同極端負(fù)溫、不同支護(hù)剛度、不同基坑深度、不同初始含水量、不同補(bǔ)水條件下的基坑水平凍脹力變化規(guī)律。

本文以呼和浩特市某地鐵車站項(xiàng)目為依托，根據(jù)地下水文地質(zhì)條件及氣候條件對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)基坑進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究地連墻后土體溫度場(chǎng)及水平凍脹力分布規(guī)律，并建立基坑數(shù)值模型，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，分析凍脹作用下深基坑的地層溫度變化分布特征、水平凍脹應(yīng)力分布規(guī)律以及凍脹引起土體及地下連續(xù)墻體的變形規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)嚴(yán)寒地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地氣象條件

呼和浩特市屬于溫帶干旱半干旱氣候區(qū)，冬季時(shí)間較夏季長(zhǎng)，且冬季溫度較低，季節(jié)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(jù)相關(guān)資料，呼和浩特地區(qū)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 ℃，極端最低氣溫為?30.5 ℃。

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)和水文條件

場(chǎng)地土層主要由人工堆積層、砂土、黏土三類土組成。基于基坑外側(cè)土體性質(zhì)及其物理力學(xué)性質(zhì)，土層大致分為3個(gè)大層。

人工填土層(Q4ml)：主要有雜填土①1層、素填土①2層，該大層厚度為1.0～4.6 m，層底標(biāo)高為1045.31～1048.90 m。

第四系上更新統(tǒng)?全新統(tǒng)沖洪積層(Q3-4al+pl)：主要有粉質(zhì)黏土③2層、粉土③3層、粉砂③4層、細(xì)砂③5層、中砂③6層、粗砂③7層、圓礫③9層，該大層厚度為9.0～15.1 m，層底標(biāo)高為1032.99～1037.25 m。

第四系中更新統(tǒng)沖湖積層（Q2al+l）：主要有黏土④1層、粉質(zhì)黏土④2層、粉土④3層、粉砂④4層、細(xì)砂④5層。

場(chǎng)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(xì)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(cè)向徑流補(bǔ)給及大氣降水入滲補(bǔ)給，排泄方式以徑流排泄為主；動(dòng)態(tài)變化約在1.5～3.0 m。水下粉質(zhì)黏土層、粉土層及砂層含水率分別為22%～28%、18%～23%、11%～19%。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

地鐵車站采用地下兩層雙柱三跨的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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）順做法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8 m厚地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)設(shè)一道砼支撐+二道鋼管內(nèi)支撐，車站主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置全外包防水層。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)制作的凍融循環(huán)降溫裝置，按照試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型箱體采用鋼板夾心填入泡沫，達(dá)到保溫作用，頂部設(shè)置循環(huán)管路與低溫恒溫槽相連進(jìn)行箱內(nèi)降溫，并在箱體內(nèi)部形成第二恒溫場(chǎng)，底部設(shè)有補(bǔ)水孔，試驗(yàn)條件完全能夠滿足本模型試驗(yàn)要求，且具有可視化特點(diǎn)，試驗(yàn)中可快速設(shè)置溫度并使箱體達(dá)到試驗(yàn)溫度（見圖1、圖2）。

圖1 等比例基坑支護(hù)模型

圖2 傳感器布置示意圖

極端氣候條件下，試驗(yàn)?zāi)M氣候降溫過程，將模型由上向下進(jìn)行降溫，模型箱內(nèi)溫度降至?30 ℃并在此溫度條件下恒溫16.4 h。歷經(jīng)6次降溫，共歷時(shí)237 h。

2.2 土體水平凍脹位移

在基坑外側(cè)地表土體上，傳感器布置位置距地下連續(xù)墻模型板距離分別為5 cm、30 cm、50 cm、80 cm，分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#，極端氣候條件情況下這四個(gè)測(cè)點(diǎn)的凍脹位移變化情況如圖3所示。

圖3 基坑周邊土體水平凍脹位移與時(shí)間的關(guān)系

可以看出：周邊土體距離越靠近基坑地下連續(xù)墻，其土體水平凍脹位移越大。在極端?30 ℃條件下，基坑模型周邊地表土體最大的凍脹變形量可達(dá)7.37 mm。

隨著凍融循環(huán)過程模擬溫度變化過程的進(jìn)行，循環(huán)次數(shù)增大，凍脹變形量也會(huì)隨之有一定量的增大，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行到5?6次時(shí)，凍脹變形不會(huì)再隨著凍融次數(shù)增加而變大。

2.3 土體溫度場(chǎng)的分布變化

極端氣候條件下，試驗(yàn)?zāi)M氣候降溫，最低氣溫降至?30 ℃，分級(jí)降溫過程為：7.2 ℃→5 ℃→0 ℃→?5 ℃→?10 ℃→?15 ℃→?20 ℃→?25 ℃→?30 ℃。每級(jí)降溫完成分別測(cè)得分布于基坑周邊土體中91個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)處土體溫度，進(jìn)而得知試驗(yàn)過程中模型試驗(yàn)土體內(nèi)部溫度，繪制不同降溫時(shí)刻下土體溫度分布等勢(shì)圖（見圖4）。

隨著降溫溫度的降低，土體溫度也隨之降低，降溫時(shí)間持續(xù)增加，則土體中負(fù)溫的范圍也隨之增加。靠近地下連續(xù)墻體土體處于零度以下范圍可達(dá)到120～123 cm，橫向影響范圍可達(dá)到50～55 cm，距離地下連續(xù)墻較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端土體處于零度以下范圍可達(dá)到75～80 cm。

2.4 土體水平凍脹力變化

運(yùn)用微型土壓力傳感器和TST3822EN靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，測(cè)定凍融循環(huán)過程中基坑外側(cè)土體的凍脹力變化。根據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)降溫節(jié)點(diǎn)，選擇試驗(yàn)上一級(jí)降溫時(shí)間結(jié)束前進(jìn)行傳感器的讀數(shù)。

試驗(yàn)進(jìn)行溫度模擬，分析土體在?5 ℃、?10 ℃、?15 ℃、?20 ℃、?25 ℃、?30 ℃、?30 ℃（恒溫16.4 h）等七種負(fù)溫作用下，地下連續(xù)墻墻側(cè)水平凍脹力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同降溫時(shí)刻下墻背土體各位置水平凍脹力分布

溫度變化引起的水平凍脹力沿模型板深度方向先增大而后減小，形成中間大、兩邊小的拋物線形狀，其中正常年份下最大凍脹力可達(dá)到72 kPa，極端氣候條件下最大凍脹力達(dá)到120.4 kPa，出現(xiàn)最大凍脹力的位置為第二道支撐所在位置。

3 數(shù)值模擬分析對(duì)比

3.1 數(shù)值分析假定

進(jìn)行水熱力三場(chǎng)耦合數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提出以下假設(shè)[9?10]：（1）混凝土材料質(zhì)地均勻，物理力學(xué)性能滿足規(guī)范要求；（2）忽略因?yàn)槭┕みM(jìn)度導(dǎo)致的支護(hù)體系的溫差，假定所有支護(hù)體系同時(shí)刻處于同一溫度條件下。

基坑支護(hù)體系除了受到土壓力與凍脹產(chǎn)生的影響外，還要承受自身材料熱脹冷縮的影響[11]。

土體參數(shù)按照表1進(jìn)行設(shè)定，通過自定義材料功能對(duì)地下連續(xù)墻、橫撐的材料屬性進(jìn)行賦值，對(duì)受極端氣溫影響水土凍脹條件下的基坑支護(hù)體系受力與變形進(jìn)行分析。

表1 土體熱物理參數(shù)及材料參數(shù)表

3.2 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

建立基坑工程數(shù)值模擬模型，對(duì)極端條件下溫度降低至?30 ℃工況進(jìn)行模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出了溫度場(chǎng)的分布變化規(guī)律（見圖6）。

圖6 極端氣候條件下?30 ℃土體溫度等值線圖

數(shù)值模擬溫度場(chǎng)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，其溫度的產(chǎn)生發(fā)展規(guī)律相同，都屬于單向凍結(jié)過程，臨近邊界（地表、地下連續(xù)墻體、坑底土體）較近的土體溫度降低較快，變化梯度較大。對(duì)于溫度場(chǎng)的等值線變化，總趨勢(shì)相同，但下部土體等值線走勢(shì)模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果稍有不同。由于填土不均可能造成降溫過程中溫度傳遞不均勻，從而導(dǎo)致模型試驗(yàn)的等值線不平行。除此之外，基坑側(cè)壁溫度等值線在數(shù)值模擬結(jié)果中平行于地下連續(xù)墻，而模型試驗(yàn)結(jié)果為從遠(yuǎn)端到基坑側(cè)壁近端，等值線是一條遠(yuǎn)端平行于地表而在接近地下連續(xù)墻時(shí)彎曲向下，最后平行于地下連續(xù)墻的線，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是基坑模型試驗(yàn)降溫是由模型箱頂蓋降溫裝置由上往下單向降溫的過程，溫度在環(huán)境中形成梯度，在試驗(yàn)中模型板上的溫度由上往下變高。

3.3 水平凍脹力分布與分析

進(jìn)行極端氣候條件下最不利溫度產(chǎn)生凍脹力的分析對(duì)比。由圖7、圖8可以看出基坑模型在?30 ℃溫度下水平凍脹力的分布。

圖7 極端氣候條件下?30 ℃時(shí)凍脹力云圖

圖8 極端氣候條件下?30 ℃時(shí)水平凍脹力試驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

與正常年份下相比，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的分布和發(fā)展規(guī)律大致相同，相較而言，極端氣候溫度下，氣溫比正常年份下最低溫度更低，基坑受到的凍脹力有所增大，最大值增大了72%。

在?30 ℃情況下，在15 m深度以下模型試驗(yàn)結(jié)果明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)值模擬結(jié)果，且模型試驗(yàn)結(jié)果表明水平凍脹力在此深度下隨深度逐漸減小，而數(shù)值模擬結(jié)果先增大后減小，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是數(shù)值模擬邊界溫度從上往下都是?30 ℃，因此下部土體產(chǎn)生凍脹力在降溫作用下引起基坑內(nèi)部土體擠壓地下連續(xù)墻，又因?yàn)榛訅?cè)土體受低溫作用凍脹增大，在兩者作用下引起凍脹力激增。

3.4 地連墻水平位移對(duì)比分析

基坑地下連續(xù)墻的位移試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比如圖9所示。

可以看出在?30 ℃低溫下，地下連續(xù)墻水平位移試驗(yàn)值與模擬值變化規(guī)律基本一致，水平位移隨地下連續(xù)墻深度增大逐漸減小，在深度14 m以下坑底位置處位移基本為零，頂部位移量最大約20 mm。

4 結(jié)論與建議

（1）臨近地表、坑底、地下連續(xù)墻墻側(cè)的土體溫度變化梯度大，內(nèi)部土體溫度穩(wěn)定且變化相對(duì)滯后。極端氣候條件下，基坑凍深可達(dá)到1.1～1.2 m。

（2）水平凍脹力隨基坑深度先增大后減小，呈拋物線分布模式，最大值位于第二道支撐位置，開挖深度約8～10 m處。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果，極端氣候條件下，基坑最大水平凍脹力達(dá)120～140 kN，較正常年份增大約70%。

（4）極端低溫下，地連墻頂部最大水平位移約20 mm，并隨深度增大急劇減小，基坑深度14 m以下變形基本為零。