土體凍融凍脹對寒區深基坑變形的影響

紀 光 霞

(山東省沂南縣市政工程公司，山東 臨沂 276000)

0 引言

隨著城市現代化的發展，哈爾濱地區高層建筑需求日益增大，深基坑開挖數量較多。哈爾濱地區一年內的溫差巨大，土體經歷數次凍融，凍融凍脹效應對基坑支護結構的穩定性產生巨大影響。因此，對存在凍融效應的寒區深基坑工程要進行嚴格的監測與全面分析。

針對凍融凍脹效應，國內外已有一些研究成果。劉守花[1]對寒區深基坑施工進行了監測與分析，發現凍融循環過程對支護結構的水平位移影響巨大。張仁澤[2]對季節性凍土區的深基坑進行了有限元模擬，分析了溫度變化速度對基坑支護結構穩定性的影響。程濤等[3]對季節性凍土區隧道圍巖襯砌進行監測與模擬，發現襯砌的二維變形呈“橫鴨蛋”形。Chang等[4]分析了季凍區道路路基凍脹的原因和機理，提出鋪設土工布礫石的措施。但是針對寒區深基坑的支護結構監測研究還較少。

寒區土體的凍融凍脹效應會使深基坑支護結構產生位移，嚴重時會導致支護結構傾覆、基坑土體失穩滑移。本文對哈爾濱市某深基坑進行監測與綜合分析，得出支護結構變形受多種因素影響的規律，建立了土體塑性變形模型，可以合理預測寒區深基坑支護結構的變形，對寒區深基坑施工作業具有參考意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該深基坑的設計深度為12.1 m，基坑支護概況如圖1所示,實際現場如圖2所示。基坑東、西、南面為超流態混凝土灌注樁支護結構，混凝土標號為C25，樁長14.8 m，以地面為基準標高，樁頂標高為-2.0 m。冠梁截面尺寸為500 mm×800 mm，主筋配置為8Ф20+4Ф20。樁間掛網并噴射C20混凝土。

1.2 基坑場地土體

基坑場地土體為第四紀沖積、積聚作用產物。依據JTG E40—2007公路土工試驗規程[5]進行室內試驗，測得②-1層粉質黏土的天然含水率為24.6%、塑限為17.4%，凍脹等級為Ⅲ級。

土層分布及參數如表1所示。

表1 土層分布及參數

1.3 基坑監測項目及測點布置

基坑監測項目內容主要有[6]：1)基坑周邊地表沉降量；2)冠梁平移；3)第二層腰梁平移。測量點布局示意圖如圖3所示。

2 監測數據分析

監測時期氣溫走勢如圖4所示。下半年的氣溫持續降低，次年1月初達到最低氣溫-29 ℃，隨后氣溫開始回升。

由于篇幅的限制，本文選取代表性的D邊(東側擋墻)監測數據進行分析。

2.1 地表沉降數據分析

地表沉降量及沉降速率如圖5所示。由圖5可知，9月～10月地表沉降最快，d6測點沉降最大，沉降量為1.6 mm，沉降速率為0.08 mm/d。此時正處于雨季，雨水量大，水土流失嚴重，導致土體產生較大沉降。11月后沉降速率降低，土體開始凍結趨于穩定。特別的，d2與d3測點持續沉降，且沉降速率高于其他測點，這是由于該處有臨時宿舍，土體荷載較大，處于持續固結狀態，沉降不斷增大并逐漸變緩。

3月后，各測點的沉降量略有增大，地表沉降速率開始增加。這是因為3月后氣溫開始回升，凍結土逐漸消融，土粒之間的冰變為液態水，土粒與土粒之間的摩擦力變小，其結構很容易在外力和自重的作用下發生變化，而且隨著水的消退，土體內的孔隙水壓力減小，土體內部產生向下的豎向變形，導致沉降量增大[7]。

2.2 冠梁平移數據分析

冠梁平移量及速率如圖6所示。由圖6a)可知，測點D1～D4的平移量大于10 mm，其他測點變化較小。這是因為D1～D4測點上部存在附加荷載，且基坑開挖至12.1 m時卸荷較多，主動土壓力較大，支護結構發生平移。D3測點附近有一化糞池，滲水后發生凍脹導致支護結構平移量增大，高于其他測點。

由圖6b)可知，4個測點的平移速率在1月時達到峰值，D2測點的速率最大(0.21 mm/d)。當氣溫降至0 ℃以下，表層土中的孔隙水開始凍結，且下部水分持續向凍結鋒面補充，含冰土層變厚。1月氣溫下降到最低點，此時凍結速率最大，水相變成冰產生的應變顯著，凍脹效應最為嚴重，支護結構的平移速率達到峰值[8]。

冠梁測點的時移變化如圖7所示。由圖7可知，D3測點的時移變化量最大(26 mm)。以D3測點為中點，兩側的其他測點時移量明顯的減小。其中，D10，D11測點處于基坑陰角，最為穩定。D1測點雖處于基坑陰角，但是受附加荷載的影響產生較大平移。因此，凍融凍脹對距離陰角越近的土體影響越小，證明基坑陰角的空間效應顯著[9]。

2.3 第二層腰梁平移數據分析

腰梁平移如圖8所示。由圖8可知，至1月，測點D2-2,D4-2平移量在不斷地增加，平移速率平均為0.04 mm/d。這是由于化糞池的滲水，使測點附近土壤水分較多，低溫狀態下孔隙水持續凍結，基坑土深處的凍脹現象明顯，使腰梁平移量增大。其他測點均無明顯平移，這說明產生凍脹效應的必備因素是水分的補給。因此，在實際施工過程中，要采取措施阻斷土中水的補給途徑，以保證基坑的穩定性。

3 土體變形模型

3.1 塑性變形

基坑土體在荷載作用下會產生塑性應變，由Prandtl Reuss塑性變形模型，表示為[10]:

(1)

將廣義三參量Kelvin模型[11,12]代入上式(E1為Kelvin體中彈簧彈性模量;η為廣義黏壺黏滯系數;t為時間)。

(2)

則式(1)可變為:

(3)

(4)

由式(3)和式(4)，通過積分變換獲得應變速率和應變之間的關系。

(5)

其中，C為常數。

3.2 沉降速率與沉降量公式擬合

沉降速率與沉降量有關，對式(5)進行變換，得到式(6)。

(6)

應用式(6)對測點d3,d4,d6,d7的數據進行擬合。沉降速率與沉降量變化曲線如圖9所示，擬合參數如表2所示。由表2可知，相關系數接近1，擬合效果較好。擬合參數a的值隨距離陰角測點d7的距離增加而增大。隨著沉降量的增加，沉降速率減小，與硬化理論規律一致。

表2 沉降速率與沉降量公式擬合參數

4 結語

1)根據監測結果，凍融凍脹對深基坑變形影響顯著。土體凍結使深基坑地表沉降趨于穩定。當土壤冰融化時，沉降量增大。應在融化期加強監測頻率，防止過大沉降。

2)由于凍脹作用，支護結構在最低氣溫時平移最快。凍融凍脹對距離陰角遠的土體影響大。基坑土體深處也會發生凍脹現象。應阻斷土中水的補給途徑，以保證基坑的穩定性。

3)基于Prandtl Reuss塑性理論建立了深基坑土體經歷凍融過程的修正模型，可用來預估深基坑地表沉降速率與沉降量，從而對深基坑的變形采取預防措施。