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基坑凍脹破壞
添加時間:2022-05-23
  

隨著我國城市化進程快速發展,城市人口不斷膨脹與交通基礎建設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載量大、速度快、安全準點、節約能源和用地等優勢,迅速成為一種人們優先選擇的現代化城市交通方式。地鐵車站深大基坑工程一直是軌道交通建設中安全風險控制要點之一,在季節性凍土區,基坑側面土體在地表和坑壁的雙向凍結作用下,土體凍脹作用增強,受到支護約束,基坑側壁出現較大水平凍脹力。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體出現傾斜、坑壁側面開裂,對基坑工程的安全穩定造成不良影響,嚴重時可直接導致基坑坍塌。

針對凍脹力的計算,在規范中只介紹了擋土墻的計算,未考慮其它類型的支護結構。對于水平凍脹力的分布模式,進行一定程度的簡化,未考慮墻背土體溫度、基坑開挖支護情況、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商務廣場二期基坑工程,模擬凍融循環作用下基坑在越冬過程中的溫度環境,揭示基坑支護結構在凍融循環作用下變形和內力變化規律,以及季節性凍土區凍融循環與水–熱–力耦合作用下基坑變形規律。

中國礦業大學巖土工程研究所[3-4]進行了深基坑凍土直墻受力和變形的模擬試驗研究,得到了墻體厚度、土側壓力、墻體暴露時間等因素與凍土直墻變形之間的非線性關系。

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

李寶花等[6]進行了凍土墻圍護的深基坑開挖溫度場,以及溫度場和應力場的耦合數值模擬計算。

彭 第[7]建立基坑凍結過程中溫度場模型,得出了凍土墻用于深基坑支護工程凍結過程中凍結時間、凍結深度與凍結溫度的關系,并與試驗結果進行對比。

王艷杰[8]建立越冬基坑模型,對水平凍脹力的影響因素進行了研究,分析了不同極端負溫、不同支護剛度、不同基坑深度、不同初始含水量、不同補水條件下的基坑水平凍脹力變化規律。

本文以呼和浩特市某地鐵車站項目為依托,根據地下水文地質條件及氣候條件對季節性凍土地區基坑進行室內模型試驗,研究地連墻后土體溫度場及水平凍脹力分布規律,并建立基坑數值模型,結合室內試驗和數值模擬結果,分析凍脹作用下深基坑的地層溫度變化分布特征、水平凍脹應力分布規律以及凍脹引起土體及地下連續墻體的變形規律,對于指導嚴寒地區基坑支護結構設計具有重要的實際意義。

1.   工程概況

1.1   場地氣象條件

呼和浩特市屬于溫帶干旱半干旱氣候區,冬季時間較夏季長,且冬季溫度較低,季節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。據相關資料,呼和浩特地區降水集中在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   場地地質和水文條件

場地土層主要由人工堆積層、砂土、黏土三類土組成?;诨油鈧韧馏w性質及其物理力學性質,土層大致分為3個大層。

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,層底標高為1045.31~1048.90 m。

第四系上更新統—全新統沖洪積層(Q3-4al+pl):主要有粉質黏土③2層、粉土③3層、粉砂③4層、細砂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,層底標高為1032.99~1037.25 m。

第四系中更新統沖湖積層(Q2al+l):主要有黏土④1層、粉質黏土④2層、粉土④3層、粉砂④4層、細砂④5層。

場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向徑流補給及大氣降水入滲補給,排泄方式以徑流排泄為主;動態變化約在1.5~3.0 m。水下粉質黏土層、粉土層及砂層含水率分別為22%~28%、18%~23%、11%~19%。

1.3   基坑支護設計

地鐵車站采用地下兩層雙柱三跨的結構形式,現場測試位置基坑寬度22.7 m,深度約18.4 m,車站采用明挖(局部蓋挖)順做法施工,基坑圍護結構采用0.8 m厚地下連續墻,基坑內設一道砼支撐+二道鋼管內支撐,車站主體為現澆鋼筋混凝土箱形框架結構,結構外設置全外包防水層。

2.   室內模型試驗分析

2.1   試驗模型

試驗采用自主設計制作的凍融循環降溫裝置,按照試驗要求進行設計,模型箱體采用鋼板夾心填入泡沫,達到保溫作用,頂部設置循環管路與低溫恒溫槽相連進行箱內降溫,并在箱體內部形成第二恒溫場,底部設有補水孔,試驗條件完全能夠滿足本模型試驗要求,且具有可視化特點,試驗中可快速設置溫度并使箱體達到試驗溫度(見圖1、圖2)。

圖片

圖  1  等比例基坑支護模型

極端氣候條件下,試驗模擬氣候降溫過程,將模型由上向下進行降溫,模型箱內溫度降至−30 ℃并在此溫度條件下恒溫16.4 h。歷經6次降溫,共歷時237 h。

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圖  2  傳感器布置示意圖

2.2   土體水平凍脹位移

在基坑外側地表土體上,傳感器布置位置距地下連續墻模型板距離分別為5 cm、30 cm、50 cm、80 cm,分別編號為1#、2#、3#、4#,極端氣候條件情況下這四個測點的凍脹位移變化情況如圖3所示。

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圖  3  基坑周邊土體水平凍脹位移與時間的關系

可以看出:周邊土體距離越靠近基坑地下連續墻,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7.37 mm。

隨著凍融循環過程模擬溫度變化過程的進行,循環次數增大,凍脹變形量也會隨之有一定量的增大,當凍融循環次數進行到5—6次時,凍脹變形不會再隨著凍融次數增加而變大。

2.3   土體溫度場的分布變化

極端氣候條件下,試驗模擬氣候降溫,最低氣溫降至−30 ℃,分級降溫過程為:7.2 ℃→5 ℃→0 ℃→−5 ℃→−10 ℃→−15 ℃→−20 ℃→−25 ℃→−30 ℃。每級降溫完成分別測得分布于基坑周邊土體中91個溫度測點處土體溫度,進而得知試驗過程中模型試驗土體內部溫度,繪制不同降溫時刻下土體溫度分布等勢圖(見圖4)。

隨著降溫溫度的降低,土體溫度也隨之降低,降溫時間持續增加,則土體中負溫的范圍也隨之增加??拷叵逻B續墻體土體處于零度以下范圍可達到120~123 cm,橫向影響范圍可達到50~55 cm,距離地下連續墻較遠的遠端土體處于零度以下范圍可達到75~80 cm。

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圖  4  −30 ℃時土體溫度分布等勢圖

 

2.4   土體水平凍脹力變化

運用微型土壓力傳感器和TST3822EN靜態應變測試分析系統,測定凍融循環過程中基坑外側土體的凍脹力變化。根據凍融循環試驗降溫節點,選擇試驗上一級降溫時間結束前進行傳感器的讀數。

試驗進行溫度模擬,分析土體在−5 ℃、−10 ℃、−15 ℃、−20 ℃、−25 ℃、−30 ℃、−30 ℃(恒溫16.4 h)等七種負溫作用下,地下連續墻墻側水平凍脹力的變化規律如圖5所示。

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圖  5  不同降溫時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到72 kPa,極端氣候條件下最大凍脹力達到120. 4 kPa,出現最大凍脹力的位置為第二道支撐所在位置。

3.   數值模擬分析對比

3.1   數值分析假定

進行水熱力三場耦合數值模擬分析,數值模擬對基坑支護結構提出以下假設[9-10]:(1)混凝土材料質地均勻,物理力學性能滿足規范要求;(2)忽略因為施工進度導致的支護體系的溫差,假定所有支護體系同時刻處于同一溫度條件下。

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

土體參數按照表1進行設定,通過自定義材料功能對地下連續墻、橫撐的材料屬性進行賦值,對受極端氣溫影響水土凍脹條件下的基坑支護體系受力與變形進行分析。

表  1  土體熱物理參數及材料參數表

材料及
參數
密度/
(kg·m−3
孔隙比 滲透
系數/
(m·d−1)
壓縮
模量/
MPa
導熱
系數/
(W·m−1·℃−1)
比熱容/
(kJ·m−1·℃−1)
素填土 1900 0.51 0.3 5.3 1.92 1.20
粉質黏土 2010 0.63 0.5 6.4 1.29 1.15
粉砂土 2030 0.53 1 13 1.94 1.03
黏土 1960 0.79 0.05 9.7 1.33 1.31
918       2.31 2.10
1000       0.63 4.20

3.2   溫度場結果分析

建立基坑工程數值模擬模型,對極端條件下溫度降低至−30 ℃工況進行模擬,將數值模擬結果與模型試驗結果進行對比分析,得出了溫度場的分布變化規律(見圖6)。

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圖  6  極端氣候條件下−30 ℃土體溫度等值線圖

數值模擬溫度場結果與試驗結果相比,其溫度的產生發展規律相同,都屬于單向凍結過程,臨近邊界(地表、地下連續墻體、坑底土體)較近的土體溫度降低較快,變化梯度較大。對于溫度場的等值線變化,總趨勢相同,但下部土體等值線走勢模型試驗結果和數值模擬結果稍有不同。由于填土不均可能造成降溫過程中溫度傳遞不均勻,從而導致模型試驗的等值線不平行。除此之外,基坑側壁溫度等值線在數值模擬結果中平行于地下連續墻,而模型試驗結果為從遠端到基坑側壁近端,等值線是一條遠端平行于地表而在接近地下連續墻時彎曲向下,最后平行于地下連續墻的線,產生這種現象的原因是基坑模型試驗降溫是由模型箱頂蓋降溫裝置由上往下單向降溫的過程,溫度在環境中形成梯度,在試驗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

進行極端氣候條件下最不利溫度產生凍脹力的分析對比。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。

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圖  7  極端氣候條件下−30 ℃時凍脹力云圖

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圖  8  極端氣候條件下−30 ℃時水平凍脹力試驗值和模擬值對比

與正常年份下相比,數值模擬結果與模型試驗結果的分布和發展規律大致相同,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深度以下模型試驗結果明顯遠遠小于數值模擬結果,且模型試驗結果表明水平凍脹力在此深度下隨深度逐漸減小,而數值模擬結果先增大后減小,產生此現象的原因是數值模擬邊界溫度從上往下都是−30 ℃,因此下部土體產生凍脹力在降溫作用下引起基坑內部土體擠壓地下連續墻,又因為基坑墻側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   地連墻水平位移對比分析

基坑地下連續墻的位移試驗值與模擬值的對比如圖9所示。

圖片

圖  9  −30 ℃時地下連續墻水平位移隨深度變化的模擬值與試驗值對比

可以看出在−30 ℃低溫下,地下連續墻水平位移試驗值與模擬值變化規律基本一致,水平位移隨地下連續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.   結論與建議

(1)臨近地表、坑底、地下連續墻墻側的土體溫度變化梯度大,內部土體溫度穩定且變化相對滯后。極端氣候條件下,基坑凍深可達到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)根據數值模擬及試驗結果,極端氣候條件下,基坑最大水平凍脹力達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。

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