越冬基坑支護結構水平位移及樁側凍脹力研究

摘要：隨著地下空間的開發，必要情況下施工建設需要在相對寒冷的環境下進行，此時基坑建設可能會出現越冬情況，為研究越冬基坑的支護結構水平位移及樁側凍脹力，運用三維快速拉格朗日數值分析軟件（FLAC3D），在懸臂樁支護形式下，對不同樁體直徑及插入比的越冬深基坑支護結構樁側凍脹力及水平位移進行分析。分析得到，在凍結狀態下，懸臂樁支護基坑水平位移峰值是常溫時的4.5倍，樁側凍脹力峰值增加了2倍，凍脹作用對基坑變形和受力影響非常顯著；隨著樁徑增加，樁側凍脹力隨之迅速增加而水平位移峰值不斷減小；樁體水平位移及樁側凍脹力受插入比的變化影響很小。成果可為以懸臂樁為主的排樁支護形式在越冬深基坑工程中的設計、施工提供理論參考。

關鍵詞：FLAC3D；越冬基坑；凍脹；數值模擬

中圖分類號：TU473文獻標志碼：A"""""""""""" 文章編號：

Research on Horizontal Displacement and Pile Side Frost Heave Force of Overwintering Foundation Pit Support Structure

Abstract：With the development of underground space，construction need to be carried out in a relatively cold environments if necessary，and the construction of foundation pit may overwinter，in order to study the horizontal displacement and pile side frost heave force of the overwintering foundation pit support structure，three-dimensional fast Lagrangian numerical analysis software （FLAC3D） was used to analyze the pile side frost heave force and horizontal displacement of the overwintering deep foundation pit support structure with different pile diameters and insertion ratios under the cantilever pile support form.Analysis shows that under frozen conditions，the peak horizontal displacement of the cantilever pile support foundation pit is 4.5 times that at room temperature，and the peak frost heave force on the pile side increases by 2 times，the frost heave effect has a significant impact on the deformation and stress of the foundation pit，as the pile diameter increases，the frost heave force on the pile side rapidly increases while the peak horizontal displacement continuously decreases，and the horizontal displacement of the pile and the frost heave force on the pile side are minimally affected by changes in the insertion ratio.The results can provide theoretical reference for the design and construction of row pile support forms mainly composed of cantilever piles in winter deep foundation pit engineering.

Keywords：FLAC3D;overwintering foundation pit;frost heaving;numerical simulation

0 引言

隨著城市化進程不斷加快，建設規模逐漸擴大，城市居民數量激增，新建樓房高度持續增加，以往的開發方式無法滿足發展要求。因此，近年來多數城市開始著手發展地下城市軌道交通系統，從而有效緩解地面交通擁堵的問題[1-3]；考慮到我國經濟增長需求，應在季節性凍土等地帶開展國家級基礎設施建設。因此，選擇適當的支撐方式至關重要[4-5]。

排樁支護方式因其施工工藝簡單等優點在實際施工中常作為首選，本研究利用數值模擬軟件FLCA3D[6-7]，對懸臂樁支護形式在越冬基坑下改變樁徑和插入比，觀察樁側凍脹力和樁體位移的變化規律，為實際越冬基坑的設計和施工提供參考。

1 越冬基坑模型的建立

FLAC3D 6.0版本提供了更加豐富的模型構建方法。本文為了能夠確保模型網格的規整性，采用傳統的命令流驅動建模方法。保障計算結果的精確性。

1.1 模型尺寸及網格劃分

在X軸方向上基坑模型的尺寸為：0～80 m，模型的整體長度為：80 m；Y方向上的長度范圍介于0～1 m，模型整體寬度為1 m；在Z方向上，模型整體高度為35 m。基坑挖掘的寬度在X方向是：30 m～50 m，挖掘長度為20 m；在Y方向上，基坑的挖掘深度范圍是35 m～24 m，挖掘深度為11 m。模型中，左下角的坐標是（0，0，0），右上角的坐標是（80，1，35）。各單元格距離為0.5 m，模型網格如圖1所示。

1.2 參數選取

各材料參數見表1～表2。

1.3 邊界條件選取

本模型中，邊界條件主要包括：力學邊界約束、溫度邊界約束及其他邊界條件。本文詳細敘述前兩種條件。

1.3.1 約束邊界條件

在自然環境中，土體可以被視為一個連續的、無線延展的均質物質。但在進行模型模擬時，需按照規范選擇基坑開挖尺寸的3倍～5倍作為模型尺寸。模型采用的邊界條件如下：在X坐標范圍為-0.1 m～0.1 m時，施加面的法向約束；在X坐標范圍為79.9 m～80.1 m時，同樣施加面的法向約束。Y方向上1 m處，為了使計算結果更接近實際工程，故將所有約束施加到模型中。模型的頂部可自由設置。約束邊界條件見圖2。

1.3.2 溫度邊界條件選取

在本研究中采用長春地區的月平均氣溫為-10 ℃的溫度來模擬越冬基坑在不同樁徑和插入比的懸臂樁支護形式下的影響規律。在Z方向35 m處的表面上，X方向30 m，50 m，Y方向24 m～35 m處以及在X方向30 m和Y方向24 m～35 m的交叉區域處的溫度邊界條件（見圖3）。

2 不同直徑懸臂樁支護結構越冬模擬

在越冬基坑抗凍脹分析中懸臂樁支護結構在很多研究中已經得到了探討。本研究通過在基坑挖掘完畢后引入溫度負荷，凍結周期為30 d。通過改變環境溫度和采用不同直徑的懸臂樁，將模型在未凍結和凍結兩種工況下進行比較，研究樁體水平位移和樁側凍脹力的變化趨勢。不同工況見表3。

2.1 不同直徑懸臂樁模擬

不同懸臂樁直徑支護下的基坑云圖如圖4～5所示。

根據上述計算云圖結果顯示：在常溫工況下，地應力平衡的理論計算值為（其中γ為重度，N/m3）。模擬軟件計算產生的云圖（見圖4）得出的結果為647.29 kPa。經對比，兩者結果接近。樁體最大位移為11.23 mm，樁側的凍脹力為40.25 kPa（水平方向），達到最大值，詳見圖6。經過溫度為-10 ℃，時間周期為30 d的基坑凍結的處理下，通過軟件結果顯示可得凍層深度達為2.45 m。此時，基坑底部凍層厚度約為3.05 m，這是因為在負溫的環境下，由于樁體和基坑兩者的底部均受到凍脹力，導致其表現為雙向凍結。

2.2 結果分析

由圖6可得出：

1） 樁體的水平位移在各個不同的工況下觀察到下部減小而上部增大的變化。樁體的水平位移受到外部環境溫度的影響。分析曲線圖發現，不同狀態下的位移均不同：凍結狀態下是未凍結狀態的5.6倍。樁體的水平位移與樁徑的大小有關，隨樁徑的增大而呈相同趨勢減小。

2） 曲線顯示，最大的樁頂水平位移為55.67 mm（凍結狀態下），最小為35.54 mm。分析得出，最大的樁底水平位移為0.87 mm（凍結狀態下），最小為0.12 mm。

由圖7可得：

1） 位置不同凍脹力大小不同，樁側凍脹力最大是在坑底部位。樁體的水平位移在凍結工況下是未凍結下樁側土壓力的3倍～4倍。樁側土壓力隨著開挖深度的增加而上升。

2） 在凍結工況下樁端處樁側凍脹力最小為25.56 kPa，最大為45.59 kPa。樁底的凍脹力隨著樁徑的增大而增加。在8 m～9 m的樁身位置，整根樁凍脹力突然增加。這是由于樁底土在基坑開挖底部附近受到了約束，導致坑底的應力急劇上升。

3 不同插入比的懸臂樁支護結構越冬模擬分析

在基坑開挖完成后施加溫度負荷凍結30 d，并在不同工況下觀察樁體水平位移及樁側凍脹力的變化趨勢。懸臂樁不同插入比模擬工況見表4。

由圖8可得出：

1） 樁體樁端的水平位移在未凍結工況下達到13.28 mm。樁端的最大水平位移在第2～6工況下（凍結狀態下）達到42.23 mm～45.02 mm，是工況1的3.18倍。

2） 通過工況1和工況5的水平位移曲線顯示，工況5樁端水平位移在凍結工況下是工況1的4倍。分析工況2～6得出，樁端水平位移隨著插入比的增加而發生較小幅度的變化，綜合對比上述樁徑對其的影響，此因素對樁體水平位移的影響微弱。

由圖9可得：

1） 未凍結工況下：隨著樁徑的增加，水平位移峰值持續減小，然而，樁側凍脹力迅速上升。當處于凍結狀態時，樁側的凍脹力會隨著開挖深度的加深而上升，并且增長速度超過了非凍結狀態，增長狀態屬于非線性。

2） 在凍結狀態下，樁側的凍脹力會在開挖深度達到2 m～3 m時出現顯著增加。這主要是因為在負溫條件下，凍層的厚度逐漸變厚，導致樁側的凍脹力急劇上升。隨著深度逐漸增加，樁側的凍脹力逐漸趨于穩定。此外，樁側凍脹力的增加與基底土壓力密切相關，其在水平方向存在約束，導致了凍脹力進一步增加。

3） 樁體插入比通過圖8顯示達到0.3時，樁頂的水平位移達到45.02 mm，根據表4工況增加插入比，增至0.5時，樁頂水平位移為42.23 mm。分析可得：樁體長度增加了15.4%，但位移減少了6.61 mm。說明圍護樁的水平位移和樁側凍脹力受懸臂樁插入比的影響相對較小。

4 結論

本文主要通過FLAC3D數值模擬軟件，對比在常溫環境下和-10 ℃凍結30 d情況下，對越冬基坑懸臂樁支護結構的水平位移及樁側凍脹力進行模擬。具體研究結論如下。

1） 隨著樁徑增加發現可減小樁體水平位移，但樁側凍脹力增加速度較快，樁徑為0.5 m時，樁徑尺寸對樁體水平位移的影響效果明顯，樁徑為1.2 m時，樁徑尺寸對樁體樁側凍脹力的影響效果明顯。

2） 在懸臂樁支護結構越冬過程中，-10 ℃凍結30 d情況下，隨著樁體插入比的增加，在各種工況下，懸臂樁支護結構的水平位移和樁側凍脹力變化并不顯著。可知樁體的插入比對水平位移和樁側凍脹力的影響微乎其微。

3） 相較于常溫條件，在凍結狀態下，樁側的凍脹力峰值增大了約2倍，懸臂樁支護結構的基坑水平位移峰值大約是正常溫度條件的4.5倍，凍脹作用對于基坑的受力和變形具有顯著影響。

參考文獻

[1]Zhang D M，Xie X C，Zhou M L，et al.An incident of Water and Soil Gushing in a Metro Tunnel Due to High Water Pressure in Sandy silt[J].Engineering Failure Analysis，2021，121（1）：25-28.

[2]Shi C L，Li J，Xu X.Full-scale Tests on Smoke Temperature Distribution in Long-Large Subway Tunnels with Longitudinal Mechanical Ventilation[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，2021，109（3）62-65.

[3]韓業華.復雜環境下地鐵隧道盾構施工誘發地表土體變形的智能預測[J].中國建材科技，2021，30（1）：91-93.

[4]姜秀.樁錨圍護體系最優錨索預應力的研究[J].福建建材，2021（2）：27-29.

[5]張險濤.長春地鐵七號線吉大四院站深基坑支護施工技術分析[J].居舍，2021（5）：48-49，51.

[6]馮艷順，王紅奪，謝玉磊.基于GIS-Excel快速FLAC3D數值模擬建模方法研究[J].西部探礦工程，2021， 33（4）：151-153，155.

[7]盛曉杰，陸漢光.基于FLAC3D的巖土預應力錨固支護數值模擬[J].計算機仿真，2021，38（2）：206-209，295.