凍結(jié)法在基坑地下連續(xù)墻缺陷處治中的應(yīng)用分析*

秦輝輝,劉謹(jǐn)豪,呂勇剛

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088)

0 引言

凍結(jié)法可實(shí)現(xiàn)加固土體和防水密封的雙重效果,具有尺寸可控、強(qiáng)度可測(cè)等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于基坑項(xiàng)目中。在實(shí)際工程中,凍脹力估計(jì)不足導(dǎo)致基坑凍害的案例屢見(jiàn)不鮮。北京某深基坑僅考慮了10kPa水平凍脹力,在冬季降雪、管線滲漏影響下,凍脹效應(yīng)明顯,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍脹力影響開(kāi)展了廣泛研究。郜新軍等[1]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了軟土地層凍結(jié)施工溫度場(chǎng)變化和地表變形規(guī)律。Zhussupbekov等[2]通過(guò)凍脹試驗(yàn),研究了水平凍脹力對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的變形影響。徐學(xué)燕等[3]利用凍結(jié)管形成凍土墻,研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)凍土墻內(nèi)力及變形的影響。王紹君等[4]通過(guò)數(shù)值分析,建立了深基坑凍脹體系下圍護(hù)結(jié)構(gòu)凍脹變形關(guān)系。孫超等[5]建立二維數(shù)值模型,分析了負(fù)溫條件下,黏土地層水平凍脹力大小及分布模式。現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)中建議,在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下,對(duì)于水平凍脹力的計(jì)算可進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,但未考慮基坑開(kāi)挖支護(hù)、凍脹規(guī)模等影響。

現(xiàn)有研究中,數(shù)值計(jì)算一般采用參數(shù)較少的莫爾-庫(kù)倫模型或修正劍橋模型,不能考慮土體剛度隨應(yīng)變衰減特征,依賴平面應(yīng)變模型,計(jì)算結(jié)果往往偏離實(shí)際;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受制于地層環(huán)境及監(jiān)測(cè)質(zhì)量,難以總結(jié)得到一般規(guī)律;另外,已有研究多是討論單一因素對(duì)地下連續(xù)墻的影響,未綜合考慮凍脹區(qū)域規(guī)模對(duì)基坑支護(hù)的影[6-7]。

本文基于某地鐵車站施工現(xiàn)場(chǎng),建立三維數(shù)值模型,對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)缺陷及凍結(jié)施工進(jìn)行模擬,與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析驗(yàn)證HS模型在凍結(jié)法中的適用性;進(jìn)一步綜合考慮凍結(jié)區(qū)域厚度、深度及寬度,分析了各影響因素對(duì)基坑變形及支撐內(nèi)力的影響。

1 計(jì)算模型

HS模型是由Schanz等提出的二階高級(jí)本構(gòu)模型,區(qū)分了加卸載不同剛度,適于模擬土的彈塑性力學(xué)行為。HS模型共包含11個(gè)參數(shù),如表1所示。

表1 土體硬化模型參數(shù)及物理意義

MC模型是一種理想的彈塑性模型,相關(guān)參數(shù)可以通過(guò)土工試驗(yàn)得到,使用簡(jiǎn)單方便,在巖土工程研究中得到廣泛應(yīng)用。兩種本構(gòu)模型在主應(yīng)力空間中的差異如圖1所示,MC模型屈服面固定不變,HS模型屈服面隨土體塑性應(yīng)變發(fā)展不斷變化。

圖1 MC模型與HS模型屈服面

2 模型驗(yàn)證

2.1 工程背景

某地鐵車站地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)槽寬5m,設(shè)計(jì)厚度800mm,布置形式為“一”字形。基坑開(kāi)挖寬度24.5m,深度18.5m。基坑開(kāi)挖深度達(dá)12.5m時(shí),發(fā)現(xiàn)某幅地下連續(xù)墻與相鄰兩側(cè)接縫位置出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。該幅地下連續(xù)墻局部侵限,測(cè)量結(jié)果顯示,錯(cuò)臺(tái)高度達(dá)610mm,鋼筋安裝侵限厚度為200～280mm,鋼筋安裝外部存在200～230mm素混凝土鼓包,目前侵入主體結(jié)構(gòu)最多達(dá)510mm。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后,現(xiàn)場(chǎng)采用地面垂直凍結(jié)法對(duì)地下連續(xù)墻外土體進(jìn)行加固,凍結(jié)區(qū)厚度2.0m,長(zhǎng)度9.0m,深度27.5m,如圖2所示。凍土強(qiáng)度取-10℃下單軸抗壓強(qiáng)度4.0MPa,彎折強(qiáng)度2.0MPa,抗剪強(qiáng)度1.8MPa,達(dá)到凍結(jié)區(qū)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖2 地下連續(xù)墻侵限及凍結(jié)區(qū)示意(單位:m)

2.2 建立模型

根據(jù)圣維南原理和實(shí)際需要,建立三維模型(見(jiàn)圖3),計(jì)算范圍150m×120m×50m(長(zhǎng)×寬×高),基坑開(kāi)挖寬度24m,縱向長(zhǎng)度14m,地下連續(xù)墻成槽深度42.5m。根據(jù)實(shí)際地層建立土體單元,從地表向下依次為雜填土、粉砂、細(xì)砂、中砂。以板單元模擬地下連續(xù)墻,對(duì)錯(cuò)臺(tái)地下連續(xù)墻采用厚度折減的方式進(jìn)行模擬,本次模擬取地下連續(xù)墻原設(shè)計(jì)厚度的0.5倍,即400mm。基坑支撐總計(jì)4道,第1道為800mm×800mm鋼筋混凝土支撐,第2～4道均為φ609mm鋼支撐,分別以梁?jiǎn)卧M。地層材料分別采用MC模型和HS模型計(jì)算。在凍結(jié)加固施工步中,將凍結(jié)區(qū)內(nèi)土體替換為彈性本構(gòu)模型,同時(shí)對(duì)錯(cuò)臺(tái)部位地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)施加200kPa面荷載,模擬凍脹壓力。模型以位移邊界作為邊界條件,側(cè)壁及地表均為自由邊界。

圖3 模型概況

綜合考慮實(shí)際施工及計(jì)算效率,本計(jì)算模型主要包含以下計(jì)算工況:施作地下連續(xù)墻,逐層開(kāi)挖并施作支撐至12.5m深;替換凍結(jié)區(qū)域土體參數(shù),施加凍脹荷載。假定土層成層均質(zhì)水平分布,地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

2.3 參數(shù)取值

本文以現(xiàn)場(chǎng)勘察獲得的土體參數(shù)為依據(jù),參考上述參數(shù)間比例關(guān)系,確定HS模型中相關(guān)參數(shù)取值。各土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2～4所示。

表2 MC模型參數(shù)

表3 HS模型參數(shù)

表4 支護(hù)參數(shù)

2.4 結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)加固期間,在地下連續(xù)墻缺陷位置附近每日監(jiān)測(cè)地表沉降、鋼支撐軸力,地表沉降結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,隨著凍結(jié)區(qū)域的生成,基坑外側(cè)地表產(chǎn)生了不同程度的沉降,其中DBC1位置處的地表沉降值為5.5mm,DBC2位置處的地表沉降值為3.0mm。從兩種模型的計(jì)算結(jié)果看,HS模型地表沉降結(jié)果與監(jiān)測(cè)值較一致,且在凍結(jié)穩(wěn)定階段呈緩慢增長(zhǎng),符合一般規(guī)律;而MC模型計(jì)算結(jié)果偏差較大,地表沉降結(jié)果相對(duì)保守。

圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果

分別提取兩種計(jì)算模型基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果如圖5所示。可以看出,HS模型計(jì)算結(jié)果中,地下連續(xù)墻外側(cè)10m地表沉降在14～18mm,與實(shí)際情況吻合較好;而MC模型僅在地下連續(xù)墻外側(cè)5m內(nèi)有6～8mm沉降,對(duì)地表沉降估計(jì)偏保守。

目前針對(duì)單環(huán)刺螠的研究并不多，且主要集中于天然提取多肽的功能研究，基于單環(huán)刺螠豐富的蛋白質(zhì)資源，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用不同的蛋白酶對(duì)其進(jìn)行水解，以抗氧化功能、總還原力和降血糖功能為指標(biāo)，探究三種酶在不同酶解時(shí)間下得到的酶解產(chǎn)物的功能差異，這將為單環(huán)刺螠高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供思路，進(jìn)而為單環(huán)刺螠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)研究。

支撐軸力結(jié)果如圖6所示,ZCL1,ZCL2分別為自上而下第1,2道鋼支撐。可以看出,凍結(jié)法施工帶來(lái)的凍脹壓力使鋼支撐軸力增大,第1道鋼支撐軸力為700～900kN,第2道鋼支撐軸力為500～800kN。從兩種模型的計(jì)算結(jié)果看,HS軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較一致,而MC模型對(duì)軸力的計(jì)算結(jié)果偏小,給設(shè)計(jì)判斷帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 支撐軸力監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析可以看出,相較于MC模型,HS模型在研究?jī)鼋Y(jié)法問(wèn)題中,與實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近,偏差在允許范圍內(nèi),能夠更好地反映凍結(jié)法對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。

3 凍結(jié)效果影響因素分析

為得到凍結(jié)影響一般規(guī)律,基于HS模型建立三維模型。模型計(jì)算范圍為100m×120m×50m(長(zhǎng)×寬×高)。地下連續(xù)墻幅寬5m,成槽深度40m。基坑寬度24m,開(kāi)挖深度15m,分3層開(kāi)挖,每層5m,并設(shè)置鋼支撐。模型中各參數(shù)取值與上節(jié)相同。為簡(jiǎn)化計(jì)算,從地表向下依次取為細(xì)砂、中砂。在凍結(jié)區(qū)對(duì)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)施加200kPa等效凍脹荷載,得到基坑位移及結(jié)構(gòu)內(nèi)力。假定土層成層均質(zhì)水平分布,地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。定義基坑開(kāi)挖深度H,地下連續(xù)墻幅寬l,凍結(jié)區(qū)域厚度t,凍結(jié)深度h,凍結(jié)區(qū)域?qū)挾萣,分別計(jì)算討論凍結(jié)區(qū)域厚度、深度及寬度與基坑周邊土體位移、支撐軸力關(guān)系,施工工況如表5所示。

表5 工況設(shè)置

3.1 凍結(jié)厚度

凍結(jié)區(qū)不同厚度時(shí)的基坑周邊地表位移如圖7所示。可以看出,當(dāng)凍結(jié)區(qū)厚度較薄時(shí)(t=0.1l～0.2l),基坑周邊土體位移較大,地表沉降大于50mm,基底隆起大于30mm;當(dāng)凍結(jié)區(qū)厚度較厚時(shí)(t=0.4l～0.6l),土體位移減小。可以看出,在凍結(jié)深度、寬度一定的條件下,隨著地下連續(xù)墻背后凍結(jié)區(qū)厚度增大,可以有效減小凍脹荷載帶來(lái)的變形影響。同時(shí),對(duì)比位移影響范圍,可以看出凍結(jié)厚度對(duì)基坑周邊土體的范圍影響較小。

圖7 不同凍結(jié)厚度地表沉降及基底隆起

基坑側(cè)壁水平位移如圖8所示,圖中縱軸為基坑深度。可以看出,隨著凍結(jié)區(qū)厚度的增大,側(cè)壁地下連續(xù)墻水平位移逐漸減小,沿埋深呈上下兩端位移略小、中間較大的分布形式,在鋼支撐處位移得到抑制。同時(shí),隨著凍結(jié)厚度增大,深度范圍內(nèi)位移差異減小,說(shuō)明在凍脹荷載、埋深、寬度一致條件下,凍結(jié)厚度較薄時(shí)(t=0.1l～0.2l),凍結(jié)效果沿基坑深度分布差異較大,厚度達(dá)到一定范圍后(t=0.4l～0.6l),對(duì)埋深范圍內(nèi)的位移控制整體較好。

圖8 不同凍結(jié)厚度基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

基坑鋼支撐軸力與凍結(jié)厚度的關(guān)系如圖10所示。可以看出,隨著凍結(jié)厚度增大,各道鋼支撐軸力均逐漸減小,下部鋼支撐較上部鋼支撐受凍結(jié)厚度影響更大。工程中應(yīng)充分考慮鋼支撐承載力使用范圍及安全系數(shù),在合理范圍內(nèi)選擇凍結(jié)厚度。

圖10 不同凍結(jié)厚度鋼支撐軸力

綜上,隨著凍結(jié)區(qū)厚度的增大,基坑周邊土體豎向位移、地下連續(xù)墻水平位移及支撐軸力逐漸減小,由凍脹壓力帶來(lái)的不利影響得到控制,證明凍結(jié)效果的有效性。同時(shí),當(dāng)凍結(jié)厚度t達(dá)到0.4～0.6倍地下連續(xù)墻幅寬后,上述數(shù)值不再發(fā)生明顯變化。因此,實(shí)際工程中,建議采用0.4～0.6倍地下連續(xù)墻幅寬的凍結(jié)區(qū)厚度,既能保證凍結(jié)效果,又可以有效控制輔助工程規(guī)模,減少不必要的浪費(fèi)。

3.2 凍結(jié)深度

凍結(jié)區(qū)不同深度時(shí)基坑周邊土體豎向位移如圖11所示。可以看出,在凍結(jié)荷載、凍結(jié)區(qū)厚度、寬度一致條件下,凍結(jié)區(qū)深度較淺時(shí)(h=1H),基坑周邊土體位移較小,地表沉降約50mm,基底隆起約20mm;當(dāng)凍結(jié)區(qū)深度較深時(shí)(h=1.5H～2.5H),基坑周邊土體位移增大,地表沉降約57mm,基底隆起約27mm。同時(shí),對(duì)比位移影響范圍,可以看出凍結(jié)深度對(duì)基坑周邊土體的范圍影響也較小。

圖11 不同凍結(jié)深度基底隆起及地表沉降

凍結(jié)深度與基坑周邊土體豎向位移最大值關(guān)系如圖12所示。可以看出,當(dāng)凍結(jié)深度在1～1.5倍基坑深度時(shí),隨著凍結(jié)區(qū)深度增大,地表沉降及基坑隆起逐漸增大;當(dāng)凍結(jié)深度在1.5～2.5倍基坑深度時(shí),隨著凍結(jié)區(qū)深度增大,地表沉降及基坑隆起不再發(fā)生明顯變化,說(shuō)明凍結(jié)區(qū)僅在一定深度范圍內(nèi)對(duì)控制基坑變形有效。因此,在實(shí)際工程中,凍結(jié)區(qū)深度不宜超過(guò)1.5～2倍基坑深度。

圖12 凍結(jié)深度與位移發(fā)展關(guān)系

綜上,通過(guò)對(duì)凍結(jié)區(qū)深度進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)區(qū)深度的增大,基坑周邊土體豎向位移、地下連續(xù)墻水平位移逐漸增大,這與凍脹力分布范圍增大有關(guān);當(dāng)凍結(jié)深度達(dá)到1.5～2倍基坑深度后,凍結(jié)帶來(lái)的位移影響減弱,基坑周邊土體位移保持穩(wěn)定。結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn),地下連續(xù)墻成槽深度一般為1.5～2倍基坑開(kāi)挖深度,因此,采用凍結(jié)法時(shí),建議凍結(jié)區(qū)深度控制在1.5～2倍基坑深度。

3.3 凍結(jié)寬度

凍結(jié)區(qū)不同寬度時(shí)基坑周邊土體豎向位移如圖13所示。可以看出,在凍結(jié)荷載、凍結(jié)區(qū)厚度、深度一致條件下,隨著凍結(jié)寬度增大,基坑周邊土體豎向位移逐漸增大,且影響范圍不斷擴(kuò)大,說(shuō)明由凍結(jié)區(qū)寬度增大帶來(lái)的凍脹荷載分布范圍增大,對(duì)控制基坑周邊土體位移不利。

圖13 不同凍結(jié)寬度基底隆起及地表沉降

凍結(jié)寬度與基坑周邊土體豎向位移最大值關(guān)系如圖14所示。可以看出,隨著凍結(jié)寬度的增大,基坑周邊土體豎向位移逐漸增大,且在凍結(jié)寬度達(dá)2.5倍地下連續(xù)墻幅寬后仍未出現(xiàn)平緩收斂階段。

圖14 凍結(jié)寬度與位移發(fā)展關(guān)系

綜上,通過(guò)對(duì)凍結(jié)區(qū)寬度進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)區(qū)寬度的增大,基坑周邊土體豎向位移、地下連續(xù)墻水平位移將逐漸增大,且在達(dá)到2.5倍地下連續(xù)墻幅寬后仍未出現(xiàn)收斂趨勢(shì)。因此,在施工過(guò)程中,建議應(yīng)控制凍結(jié)區(qū)寬度,不宜過(guò)大,否則將對(duì)控制基坑變形產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)MC模型由于忽略了土體剛度在施工過(guò)程中的變化,導(dǎo)致位移及支撐軸力計(jì)算結(jié)果偏小,而HS模型對(duì)土的性質(zhì)模擬更好,能夠很好地反映土體位移、支撐內(nèi)力,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值較一致,適用于凍脹法三維模擬計(jì)算。

2)通過(guò)對(duì)凍結(jié)區(qū)影響因素分析,確定了基坑周邊土體位移、地下連續(xù)墻水平位移及支撐軸力與凍結(jié)區(qū)厚度、深度及寬度的關(guān)系,建議工程中凍結(jié)區(qū)厚度宜采用0.4～0.6倍地下連續(xù)墻幅寬,深度應(yīng)控制在1.5～2倍基坑深度,同時(shí)應(yīng)控制凍結(jié)區(qū)寬度,既能保證凍結(jié)效果,又能充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)作用。

3)凍結(jié)法作為一種可以實(shí)現(xiàn)土體加固兼顧圍護(hù)防水的工程措施,通過(guò)科學(xué)的計(jì)算輔助,結(jié)合工程實(shí)際地層條件,在工程中將發(fā)揮更好的作用。