浅谈季节性冻胀对基坑工程施工的影响

王永仲

【摘 要】基坑工程一般为临时性的支护工程，在设计中很少考虑由于土体的冻融对基坑支护结构的影响，这也是北方基坑工程事故频发的原因之一。本文根据某桩锚支护结构基坑工程现场观测资料为依据，分析了冻胀、冻融对桩锚支护结构变形的影响。结果表明，冻胀引起支护结构的水平位移主要发生在基坑支护结构上部含水量较为丰富的区域，在基坑支护结构的下部，冻胀作用影响较小；随着气温的升高冻土开始融化，基坑支护结构的水平位移继续增大；在基坑外侧，由于土体含水量和孔隙比增大，产生融沉现象。

【关键词】冻胀；冻融；水平位移；支护结构；融沉

桩锚支护结构在深基坑支护工程中得到广泛的应用。在北方地区基坑工程多数为跨年度越冬工程，因此基坑支护结构的锚固土体，易受冻融作用破坏，冻融前后土体的物理、力学性质变化造成深基坑边坡的失稳，导致基坑工程事故频发。冬季由于大气温度为负温，基坑坑壁的土体会产生冻胀现象。在基坑施工过程中往往由于基坑渗水如地下管线的跑冒滴漏，使部分地段土体的含水量增加，产生的冻胀更加严重，在支护结构中产生较大的冻胀力，增大了支护结构的内力，同时使支护结构产生水平位移；随着气温的升高，冻土开始融化，而支护结构水平位移继续增加，支护桩和土体产生脱空现象，同时桩锚支护结构中锚索的锚头会因为土体冻胀发生较大位移，导致锚索的预应力损失甚至拉断引起支护结构的破坏。在基坑外侧的土体，由于冻渗的作用产生融沉现象。本文结合沈阳某越冬基坑支护工程冻胀、冻融和融沉的变形观测数据，给出了越冬基坑支护工程冻胀。

1.土体的冻融

当气温低于 0℃而长期处于负温度时，土体开始产生冻结，土中的水变成冰，其体积增大 9%，体积膨胀引起土颗粒之间发生相对位移，伴随着土中形成的孔隙水和外给水结晶体、透镜体、冰夹层等冰侵入体，土体积增大，导致地表不均匀上升，这就是冻胀现象。土体的冻胀就是土中水分迁移的过程，土中冰体（特别是凸镜状冰体）的增长不断从临近的水化膜中夺走水分，造成临近的水化膜变薄，这样的传递就形成了水分向冻结面的迁移过程。正冻土和已冻土中的水分迁移过程引起冻土中含水量的重新分布，并且土的强度和位移随之改变。土的冻结过程中，随着冻结锋面的形成，土中的水重新分布，造成土中某些区域的含水量超过原始的孔隙体积，聚集成单个冰透镜体或者沿深度呈规律分布的冰透镜体，产生巨大的冻胀力使土颗粒或支护桩发生位移，产生冻害。因此，土的冻胀不仅是水结冰时体积增加的结果，更主要的是在冻结过程中下部未冻土中的水分向上部迁移富集再冻结的结果。

基坑的冻胀变形是指冻结膨胀中在冻胀力和约束力作用下围护结构和土体的变形，冻胀变形源于土中液相水变为固相冰后的体积膨胀。而影响冻胀性及冻胀量的因素很多，包括土壤本身的内在因素（土体密度、颗粒级配、矿物成分、渗透性、压缩性、比表面积、饱和度、含水率及土壤水中的盐分组成及含量），与冻结条件有关的外来因素（冻结时的孔隙水压力、冻结时的约束力、冻结速度、温度梯度），以及水分补给条件等。

当冻土融化时，其内部构造发生激烈变化，冻土中的冰融化后体积缩小，使土在原来的受力状态下产生一定量的融陷现象，对建筑物的稳定性造成危害。冻土融化过程中，将发生两个相反的作用，由于冰层变成水，在荷载与自重作用下被排出，出现排水固结作用，以及由于颗粒集合体的膨胀使得融化后土体的孔隙率增加。冻土出现的冻胀和融沉现象与其微结构随温度的变化密切相关，温度的变化诱发微结构内部颗粒间连接刚度的变化，正是这些变化导致了冻胀、融沉现象的出现。

2.工程实例

2.1工程概况

某基坑工程占地面积约 2.5 万平方米。基坑开挖深度为 16.4 米，采用桩锚支护结构。基坑北侧靠近繁华的商业街，为了保证基坑的稳定性，在北侧同时设计了四排锚索和五排锚索。该场地工程地质条件复杂，在基坑北侧上部主要为粉质粘土，厚度 0.0-4.0 米，其次为中粗砂和圆砾层。粉质粘土中存在着上层滞水和地下旧管线跑冒滴漏的生活用水。随着基坑的开挖，在基坑的北侧出现渗水点，且水流较大，渗水并未引起基坑的坍塌，但是随着冬季的到来，在渗水处的土体出现了冻胀现象，支护结构的变形增大，在冬季时，该侧基坑出现坍塌事故。

2.2冻胀监测

在基坑北侧支护结构上设置2个观测点zw1、zw2，其中zw1点处为四排锚索，zw2点处为五排锚索，观测时间为2010-11-15至2011-2-18。从观测点zw1、zw2的水平冻胀位移随时间温度的变化曲线可以看出，随着冬季气温的逐渐降低，观测点 zw1、zw2 处的冻胀量逐渐增加。在2010年11月15日至2011年12月15日气温从-5℃变化到-17℃，观测点 zw1 的位移量为9mm，2011年1月5日气温降为-19℃，zw1的位移量达到26.4mm，而后随着气温的进一步降低，支护结构的位移增长缓慢。在2011年的2月份，尽管气温有所回升，但是支护结构的水平位移仍然在缓慢增长。这说明，土体的冻胀对支护结构的影响主要发生在冻胀前期，随着土体冻胀量的基本稳定，支护结构的水平位移也趋于稳定。采用五排锚索的观测点zw2与zw1点具有相似的结果，但是位移量小于四排锚索的观测点zw1。

2.3冻融监测

春季随着气温不断升高，冻胀土体开始逐渐融化，导致土体的含水量增加，抗剪强度降低，而基坑支护结构的变形仍在继续增加。从 观测点的水平位移图和观测期间的温度图可以看出，随着气温的升高支护结构位移呈非线性的增加，其中观测点zw1在2011年4月5日，位移达到最大值81.3mm，当天温度为 14℃。虽然，这段时间内气温有时会下降，但气温的整体趋势是升高的，在冻结温度以上，支护结构的水平位移继续增加，支护结构的内力增大，使支护结构的破坏的可能性增大。

2.4融沉监测

在土体冻融的过程中，在支护结构的水平位移继续增加的同时，基坑周围土体发生沉降即土体的融沉现象。因此在基坑支护结构上的观测点zw1外2米处设置1个外围土体融沉观测点s1。从观测点s1 沉降量随时间变化的曲线图可以看出，在气温回暖期间基坑周围的土体沉降量有明显的增长，在2011年4月5日，沉降量高达124mm，基坑很容易发生坍塌事故。土体中冰的融化造成土体的强度降低，自身的孔隙比、含水量、压缩性、渗透性显著增大，土体的粘聚力和内摩擦角明显降低，这是土体发生融沉的主要原因。

3.结论

本文结合一工程实例，以支护结构水平位移的方式分析土体冻胀对基坑工程的影响，得出结论：（1）土体的冻胀主要发生在土体的顶端以及地下水较丰富的区域，在此范围内支护结构的变形也较大；（2）土体的冻胀主要发生在冻胀前期，此时土体的冻胀量增加明显，对支护结构的影响也较为突出；（3）在桩顶和地下水丰富的区域内增加锚索的排数可以更好的限制土体的冻胀，从而显著控制支护结构的水平位移。（4）随着气温的升高，基坑周围土体孔隙比、含水量、压缩性、渗透性明显增大，土体产生融沉现象，这是基坑发生坍塌事故的原因之一。

【参考文献】

[1]奥兰多·B·安德斯兰德.冻土工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.