季節性凍土區樁錨支護結構水平凍脹演化規律研究

沈宇鵬，王篤禮，林園榕，湯天笑，陳 默

(1.北京交通大學 軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044；2.中航勘察設計研究院有限公司 技術質量部，北京 100098)

近年來，隨著城市地下空間的開發與利用，平面形狀復雜多變的基坑數量不斷增加，位于季節凍土區的基坑工程經常面臨因施工周期長而需要越冬的問題。冬季淺層地表液態水相變成為固態冰，導致土體體積膨脹。土體中的溫度梯度使得未凍區中的水分向凍土區遷移并聚集，不斷形成冰晶、冰層、冰透鏡體等冰侵入體，從而引起土顆粒間的相對位移，這是季節凍土區建筑結構發生凍害的主要原因[1-5]。由于基坑支護一般為臨時性工程，在設計中往往很少考慮凍脹的影響，因此存在因凍脹而失穩的隱患。

越冬基坑暴露于寒冷空氣中，基坑頂面和側壁均為散熱面，支護結構承受雙向凍結作用，這有別于寒區路基結構。目前針對基坑支護結構凍脹現象的研究主要集中在支護結構的水平位移和凍脹力的演化規律等方面。張智浩等[6]對北京某深基坑支護工程進行監測，總結了樁錨支護結構體系的凍脹特征和影響因素。Rui等[7]對預制L型凍土實驗墻進行監測，分析其在凍結過程中的變形規律。Zhussupbekov等[8]通過土壤凍脹試驗驗證了水平凍脹力對支護結構變形的影響，并提出在擋墻設計中應考慮土壤凍脹敏感性的影響。Sun等[9]通過FLAC3D模擬，總結了凍脹作用對支擋結構受力及變形的影響規律。凍結過程中水分遷移引起的分凝凍脹是誘發凍害的主要原因，因此研究凍土的水分遷移機制具有重要意義[10-12]。在水分遷移驅動力的研究方面，Iwata[13]基于Clapeyron方程發現濃度梯度、電位移和壓力都是凍結土體發生水分遷移的驅動力。Matsuoka[14]通過監測兩個高山斜坡的地溫、水分和凍脹特征，結合現場情況提出符合實際工程的水分遷移機理。Yuan等[15]對重塑土進行凍融循環試驗，驗證了溫度梯度引起的土壤水勢不同是水分遷移的穩定驅動力。在水分遷移的影響因素方面，張明禮[16]等通過研究鐵路路基活動層的水熱宏觀遷移規律，發現降雨入滲、地表蒸發伴隨的液態水和水汽運移對路基表層的水熱影響不可忽略。趙國堂等[17]研究不同細顆粒含量下路基粗顆粒填料的凍脹特性，發現凍脹率與細顆粒含量之間呈顯著的線性關系。沈宇鵬等[18]在封閉系統條件下對低液限粉土進行了凍脹試驗，發現土體含鹽量是水分遷移的影響因素之一。

目前針對水分水平遷移的研究成果較少，土體的水平凍脹機理仍不明確，且各因素對水平凍脹力的影響程度尚未量化。本文通過對越冬基坑進行現場試驗監測，分析越冬基坑的水分水平遷移規律和凍脹機理，并結合支護結構內力監測結果研究基坑變形和側向土壓力的演化規律，為今后寒區工程支擋結構的設計和施工提供理論支持。

1 工程概況

試驗基坑修建場地位于北京市昌平區，該地區位于季節性凍土區，屬于溫帶半濕潤季風型氣候。最冷的月份為1月，夜間平均氣溫約為-7 ℃。勘測范圍內勘察到兩層地下水，第一層埋深1.0～1.1 m，第二層埋深6.5～6.7 m，由粉質黏土層和黏土層隔離。

試驗基坑修建地點位于場地的北側，南北長約6.0 m，東西長約18.0 m，面積約為108 m2。基坑開挖深度為6.0 m，基坑支護深度為10.0 m。

1.1 工程地質條件

根據土體性質不同，試驗基坑的天然地層被劃分為五個單元層，各土層的分布特征見圖1，各土層的物理力學和熱力學參數見表1。

圖1 地層分布特征(單位：m)

表1 各土層的物理力學和熱力學參數

1.2 基坑支護方案

樁錨支護段采用21根鋼筋混凝土灌注樁作為護坡樁。自樁頂開始，每隔1.5 m設一道加強筋，加強筋與樁內縱筋全部焊牢。基坑樁錨支護剖面見圖2。其中護坡樁、冠梁混凝土強度為C25，鋼筋均選用HRB400級鋼筋，基坑設計1道預應力錨桿，錨桿鎖在工字鋼組合腰梁上。護坡樁樁徑為400 mm，樁間距為800 mm(基坑外側的兩個樁間距為1 000 mm)；錨桿兩種設計參數：①自由度長度L1=5 m，錨固段長度L2=15 m，鎖定力為150 kN；②自由度長度L1=8 m，錨固段長度L2=12 m，鎖定力為100 kN。

2 測試元件布置方案

為對比分析不同補水條件下基坑凍脹特性的差異，同時為使凍脹效果更加明顯，因此在基坑部分區域內通過埋設地下補水管進行補水，把規格為40 mm且經鉆孔處理形成環向出水孔(孔徑為2.8 mm)的PVC管埋設在距離地表1 m的土壤中，再將PVC管連接水箱實現不間斷補水，補水速率約為0.11 m3/h。基坑的監測平面布置見圖3。試驗設置了以下監測項目：土體溫度監測、土體含水率監測、土壓力監測、基坑水平位移以及支護結構內力監測。其中，每個土體溫度監測點斷面設置了三組監測點，分別距離坑壁0.5、1.0、1.5 m；每個土體含水率監測點斷面設置了兩組監測點，分別距離坑壁0.5、1.0 m；以距基坑54 m的一個地標作為監測基坑水平位移的基準點。

圖3 基坑監測平面布置圖(單位：mm)

按照不同工況將基坑分為三個區域，見圖3，不同監測區域的工況條件見表2。

表2 不同監測工況條件

基坑斷面各測試項目及測點布置見圖4。

圖4 基坑監測布置橫斷面圖(單位：mm)

3 結果分析

為研究基坑在越冬過程中各項監測指標的變化規律，分析基坑的凍脹特性，現場監測由2018年11月開始到2019年3月結束，監測頻率為每3天一次。其中工程施工周期為19 d，于2018年11月19日竣工。

3.1 地溫變化特性分析

2018年12月至2019年3月天然地表下土體的凍融曲線見圖5。由圖5可知，天然地表以下土體從2018年12月8日開始凍結，隨著時間的進行，凍結深度呈逐漸增加的趨勢，并于2019年2月14日達到季節凍結深度1.2 m，隨后凍結深度逐漸減小。天然地表以下土體在2019年3月1日以后全部恢復正溫，即凍結土體在三月份開始發生融化。不同監測工況的基坑斷面溫度場見圖6。

圖5 天然地表以下土體凍融曲線(單位：℃)

圖6 不同監測工況基坑斷面的溫度場等值線(單位：℃)

由圖6可知，監測初期，不同工況的土溫變化基本相同。季節性凍土區的地溫大多高于0 ℃，只有在凍結期間才由地表向下凍結，直至達到季節凍結深度。以0 ℃等溫線作為確定土體凍結深度的依據，由于基坑土體同時受到地表和基坑側壁兩個方向散熱的作用，加劇了散熱過程，監測工況土體的凍結深度明顯大于天然地表以下土體的凍結深度。

監測結果表明三個監測工況的地溫變化規律相似，因此選取工況1進一步分析不同深度處地溫的時程變化規律，見圖7。

圖7 不同深度處地溫隨時間的變化曲線

由圖7可知，隨著深度的增加，外部環境對基坑土體溫度的影響逐漸減小，達到深度7 m后，土體溫度幾乎不受環境氣溫變化的影響。且基坑土體距離坑壁越遠，其溫度變化規律與天然地表越接近。

3.2 水分遷移規律分析

監測工況2護坡樁樁間土的含水率變化曲線見圖8，為分析土中水分在凍結過程的遷移量，將凍結期間土體含水率與土體初始含水率相減，含水率增加為正值，含水率減小為負值。

圖8 工況2不同時間的含水率變化曲線

由圖8可知，在整個越冬期，位于凍結區的基坑土體含水率較初始值增大，而位于未凍區的基坑土體含水率較初始值減小。這表明在基坑土體發生凍脹時，下層土體水分不斷通過土體孔隙向上遷移，進行補給，即土體中水分從未凍區遷移至凍結區。在負溫條件下，非飽和土中的孔隙水發生凍結，產生冰晶體并不斷增長，增長的冰晶從周圍的水化膜中奪取水分，為了恢復平衡狀態，鄰近厚的水化膜向薄的水化膜補充水分從而使土中水分不斷向凍結鋒面遷移。

為對比水平方向土體水分遷移的情況，繪制工況2不同斷面的土體含水率變化曲線見圖9。

圖9 工況2不同監測斷面的含水率變化曲線

由圖9可知，距基坑坑壁0.5 m的土體含水率明顯大于距基坑坑壁1.0 m的土體含水率，表明土體水分從距坑壁較遠處向較近處遷移。這是因為越冬基坑是雙向傳熱，近坑壁斷面土體溫度低于遠坑壁土體，相應的水分遷移作用也更強。由此可以看出，基坑土體凍結是由豎向水分遷移和側向水分遷移共同作用引起的。

為分析溫度梯度與水分遷移的內在聯系，繪制工況2土體的含水率與溫度梯度的關系曲線見圖10。

由圖10可知，不同深度處基坑土體的水分變化量與溫度梯度呈正相關關系，表明溫度梯度是誘發水分遷移的重要因素。基坑土體凍結期間，受雙向傳熱的影響，近坑壁的土體表面溫度迅速降低，在水平和豎直方向形成溫度梯度，促使水分遷移現象的發生，且隨著土體溫度梯度增大，土體水分遷移量逐漸增加，水分遷移現象更為顯著。

圖10 工況2土體溫度梯度與含水率的變化曲線

3.3 基坑變形分析

3.3.1 樁頂水平位移

不同監測工況的樁頂水平位移變化曲線見圖11。

圖11 不同監測工況的樁頂水平位移變化曲線

由圖11可以看出，整個監測周期樁頂水平位移的變化大致分為四個階段。

(1)平穩發展階段：從開始監測至2018年12月上旬，即越冬期的初期，三個監測點的樁頂水平位移變化均很小，最大值約為3 mm，此時土體尚未達到初始凍脹狀態，樁頂水平位移的變化由基坑開挖引起。

(2)快速發展階段：從2018年12月中旬至2019年1月中旬，即越冬期的中期，土體溫度迅速下降，樁頂水平位移均開始快速增長，工況1、工況2、工況3的最大樁頂水平位移分別達到40、45、30 mm，此時基坑土體開始發生凍脹，且水平凍脹效果明顯。

(3)趨于穩定階段：從2019年1月中旬至2月末，即越冬期的后期，土體溫度保持，樁頂水平位移均開始趨于平穩，其中工況1最大水平位移達到47 mm，工況2達到50 mm，工況3達到35 mm。

(4)位移回落階段：從2019年3月初開始，即越冬期結束，樁頂水平位移稍有回落，基坑土體凍脹開始融化。

不同時期護坡樁水平位移的變化特征與凍結溫度有關。凍結期間，工況2、工況3中監測點的樁頂水平位移分別增大了47、32 mm，可見補水會增大基坑的樁頂水平位移。此外，在樁頂水平位移快速發展階段，觀測到冠梁頂部出現了明顯的裂縫，補水條件下冠梁頂部的裂縫寬度大于不補水條件。

經過測量，工況1、2、3冠梁頂部形成的裂縫寬度分別為20、25、14 mm，與上述樁頂位移分析結果對比，可得冠梁頂部形成的裂縫是由于樁頂發生水平位移造成的。

由監測結果分析可以看出，由于受到水平凍脹作用，基坑在凍結期間發生的水平位移較大，且在補水條件下樁頂水平位移和冠梁頂部形成的裂縫寬度均大于不補水條件下的位移和裂縫，因此對越冬基坑進行結構設計時，應考慮土體的水平凍脹作用，設計合理的排水隔水措施，減小土體的水平凍脹作用。此外，監測工況2的監測點位于基坑樁錨支護段中部(9#護坡樁頂端)，監測工況1的監測點位于基坑樁錨支護段兩端(6#護坡樁頂端)，若不考慮剛度條件的影響，基坑樁錨支護段中部的樁頂水平位移應遠大于兩端的樁頂水平位移，但根據監測結果，基坑樁錨支護段中部的樁頂水平位移僅稍大于兩端的樁頂水平位移，因此認為剛度條件是越冬基坑樁頂水平位移的重要影響因素，剛度越大的樁錨支護結構對基坑的約束作用越大，基坑水平凍脹變形越小。

3.3.2 護坡樁樁體水平位移

不同監測工況樁體的水平位移變化曲線見圖12。

圖12 不同監測工況的樁體水平位移變化曲線

由圖12可以看出，護坡樁樁體均向基坑內側變形，且樁體上部的水平位移變化較大，隨著深度的增加，樁體的水平位移逐漸減小，從監測開始至2018年12月上旬，樁體的水平位移變化均很小，變化規律類似于樁頂水平位移。由于深度為0.5 m處的樁體水平位移變化最大，為更直觀地分析，提取深度為0.5 m處的樁體水平位移進行研究，見圖13。

圖13 不同監測工況的樁體最大水平位移

由圖13可以看出，樁體水平位移在剛進入越冬期時變化較為緩慢，均在5 mm以內，此時水平位移的變化是由基坑開挖引起的。在越冬中后期，由于土體凍脹的影響，水平位移變化迅速增大。三個監測點的樁體最大水平位移分別達到41、48、35 mm，比未凍結時分別增加了39、43、30 mm。但隨著時間的增加，增加的速率逐漸減小，在越冬期結束后，位移出現回落。對比工況2和工況3，可以看出凍結期間補水條件下樁體最大水平位移始終大于不補水條件下的位移。

3.4 支護結構內力分析

不同監測工況的錨桿拉力變化情況見圖14。由圖14可以看出，監測工況1的錨桿初始拉力約為31 kN，在越冬初期變化很小，在整個越冬期最大錨桿拉力達到75 kN；在土體解凍后，錨桿拉力開始迅速下降，直至降至初始值左右。監測工況2的錨桿的初始拉力約為56 kN，在越冬期初期，錨桿拉力基本不變，在凍結期間最大拉力達到100 kN。監測工況3的錨桿初始拉力約為54 kN，在整個越冬期最大錨桿拉力達到68 kN。

圖14 不同監測工況的錨索拉力變化曲線

由上述分析可知，補水條件下土體凍脹對樁錨支護段的影響顯著增強，因此越冬基坑應采取必要的排水防護措施，防止錨桿失效。此外，800 mm樁間距的樁錨支護段的錨桿拉力明顯大于1 000 mm樁間距的樁錨支護段，表明剛度大的支護錨桿對基坑的約束作用更強。

為研究錨索拉力與基坑由水平凍脹引起的位移之間的關系，繪制工況1的樁體最大水平位移變化和錨索拉力變化曲線，見圖15。

圖15 工況1的樁體最大水平位移和錨索拉力變化曲線

凍結初期，在負溫的作用下，水平凍脹力使得樁體最大水平位移明顯增加；此時基坑側壁土體應力重新分布，側壁出現滑移趨勢，逐漸形成潛在滑移面；為了使基坑支護結構穩定，在協調變形的過程中，錨桿會阻礙基坑土體的變形，即對支護結構施加一定的主動作用力，把荷載傳遞至土層中，此時錨桿與基坑土體共同承受荷載。基坑發生位移會改變錨桿的受力狀態，錨桿拉力在這一階段會隨著樁體最大水平位移的增加而增加。凍結后期，由于基坑冠梁處產生裂縫，支護結構對基坑土體的約束作用減小，相應的錨桿拉力也逐漸減小，直到凍結期結束后恢復到初始值左右。

3.5 側向土壓力分析

基坑側向土壓力的變化情況見圖16。由圖16可以看出，監測工況的基坑側向土壓力值很小，基本小于20 kPa。究其原因，越冬基坑在凍脹作用下發生水平方向的變形，冠梁頂部出現明顯的裂縫，導致支護結構對護坡樁樁間土的約束減小，土體應力得到釋放。

圖16 監測工況2的基坑側向土壓力變化曲線

4 結論

(1)基坑土體凍結由豎向和側向水分遷移共同作用引起。凍結期間，由于溫度梯度的作用引起土壤水勢變化，產生水分驅動力并導致土體內部水分遷移。水分從基坑下層未凍區豎向遷移至上層凍結區，從距基坑側壁較遠處水平遷移至較近處，并產生凍脹。

(2)水分遷移引起的基坑水平凍脹作用會使護坡樁樁頂水平位移和樁體水平位移發生變化，從而導致基坑冠梁頂部產生裂縫。不同時期護坡樁水平位移的變化特征與凍結溫度有關。

(3)樁體水平位移是影響錨桿拉力的主要因素。凍結初期，錨桿拉力隨著樁體最大水平位移的增加而增加；在凍結后期，錨桿拉力隨著樁體最大水平位移的減小而減小，直至到凍結期結束后恢復到初始值附近。

(4)基坑土體中水分的補充顯著增強水平凍脹作用，導致更大的護坡樁水平位移和冠梁頂部裂縫，應考慮設計合理的排水隔水措施減小土體水平凍脹作用；剛度較大的支護結構對基坑的約束作用更強，能有效限制基坑水平凍脹變形。