土体冻融冻胀对寒区深基坑变形的影响

纪 光 霞

(山东省沂南县市政工程公司，山东 临沂 276000)

0 引言

随着城市现代化的发展，哈尔滨地区高层建筑需求日益增大，深基坑开挖数量较多。哈尔滨地区一年内的温差巨大，土体经历数次冻融，冻融冻胀效应对基坑支护结构的稳定性产生巨大影响。因此，对存在冻融效应的寒区深基坑工程要进行严格的监测与全面分析。

针对冻融冻胀效应，国内外已有一些研究成果。刘守花[1]对寒区深基坑施工进行了监测与分析，发现冻融循环过程对支护结构的水平位移影响巨大。张仁泽[2]对季节性冻土区的深基坑进行了有限元模拟，分析了温度变化速度对基坑支护结构稳定性的影响。程涛等[3]对季节性冻土区隧道围岩衬砌进行监测与模拟，发现衬砌的二维变形呈“横鸭蛋”形。Chang等[4]分析了季冻区道路路基冻胀的原因和机理，提出铺设土工布砾石的措施。但是针对寒区深基坑的支护结构监测研究还较少。

寒区土体的冻融冻胀效应会使深基坑支护结构产生位移，严重时会导致支护结构倾覆、基坑土体失稳滑移。本文对哈尔滨市某深基坑进行监测与综合分析，得出支护结构变形受多种因素影响的规律，建立了土体塑性变形模型，可以合理预测寒区深基坑支护结构的变形，对寒区深基坑施工作业具有参考意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

该深基坑的设计深度为12.1 m，基坑支护概况如图1所示,实际现场如图2所示。基坑东、西、南面为超流态混凝土灌注桩支护结构，混凝土标号为C25，桩长14.8 m，以地面为基准标高，桩顶标高为-2.0 m。冠梁截面尺寸为500 mm×800 mm，主筋配置为8Ф20+4Ф20。桩间挂网并喷射C20混凝土。

1.2 基坑场地土体

基坑场地土体为第四纪冲积、积聚作用产物。依据JTG E40—2007公路土工试验规程[5]进行室内试验，测得②-1层粉质黏土的天然含水率为24.6%、塑限为17.4%，冻胀等级为Ⅲ级。

土层分布及参数如表1所示。

表1 土层分布及参数

1.3 基坑监测项目及测点布置

基坑监测项目内容主要有[6]：1)基坑周边地表沉降量；2)冠梁平移；3)第二层腰梁平移。测量点布局示意图如图3所示。

2 监测数据分析

监测时期气温走势如图4所示。下半年的气温持续降低，次年1月初达到最低气温-29 ℃，随后气温开始回升。

由于篇幅的限制，本文选取代表性的D边(东侧挡墙)监测数据进行分析。

2.1 地表沉降数据分析

地表沉降量及沉降速率如图5所示。由图5可知，9月～10月地表沉降最快，d6测点沉降最大，沉降量为1.6 mm，沉降速率为0.08 mm/d。此时正处于雨季，雨水量大，水土流失严重，导致土体产生较大沉降。11月后沉降速率降低，土体开始冻结趋于稳定。特别的，d2与d3测点持续沉降，且沉降速率高于其他测点，这是由于该处有临时宿舍，土体荷载较大，处于持续固结状态，沉降不断增大并逐渐变缓。

3月后，各测点的沉降量略有增大，地表沉降速率开始增加。这是因为3月后气温开始回升，冻结土逐渐消融，土粒之间的冰变为液态水，土粒与土粒之间的摩擦力变小，其结构很容易在外力和自重的作用下发生变化，而且随着水的消退，土体内的孔隙水压力减小，土体内部产生向下的竖向变形，导致沉降量增大[7]。

2.2 冠梁平移数据分析

冠梁平移量及速率如图6所示。由图6a)可知，测点D1～D4的平移量大于10 mm，其他测点变化较小。这是因为D1～D4测点上部存在附加荷载，且基坑开挖至12.1 m时卸荷较多，主动土压力较大，支护结构发生平移。D3测点附近有一化粪池，渗水后发生冻胀导致支护结构平移量增大，高于其他测点。

由图6b)可知，4个测点的平移速率在1月时达到峰值，D2测点的速率最大(0.21 mm/d)。当气温降至0 ℃以下，表层土中的孔隙水开始冻结，且下部水分持续向冻结锋面补充，含冰土层变厚。1月气温下降到最低点，此时冻结速率最大，水相变成冰产生的应变显著，冻胀效应最为严重，支护结构的平移速率达到峰值[8]。

冠梁测点的时移变化如图7所示。由图7可知，D3测点的时移变化量最大(26 mm)。以D3测点为中点，两侧的其他测点时移量明显的减小。其中，D10，D11测点处于基坑阴角，最为稳定。D1测点虽处于基坑阴角，但是受附加荷载的影响产生较大平移。因此，冻融冻胀对距离阴角越近的土体影响越小，证明基坑阴角的空间效应显著[9]。

2.3 第二层腰梁平移数据分析

腰梁平移如图8所示。由图8可知，至1月，测点D2-2,D4-2平移量在不断地增加，平移速率平均为0.04 mm/d。这是由于化粪池的渗水，使测点附近土壤水分较多，低温状态下孔隙水持续冻结，基坑土深处的冻胀现象明显，使腰梁平移量增大。其他测点均无明显平移，这说明产生冻胀效应的必备因素是水分的补给。因此，在实际施工过程中，要采取措施阻断土中水的补给途径，以保证基坑的稳定性。

3 土体变形模型

3.1 塑性变形

基坑土体在荷载作用下会产生塑性应变，由Prandtl Reuss塑性变形模型，表示为[10]:

(1)

将广义三参量Kelvin模型[11,12]代入上式(E1为Kelvin体中弹簧弹性模量;η为广义黏壶黏滞系数;t为时间)。

(2)

则式(1)可变为:

(3)

(4)

由式(3)和式(4)，通过积分变换获得应变速率和应变之间的关系。

(5)

其中，C为常数。

3.2 沉降速率与沉降量公式拟合

沉降速率与沉降量有关，对式(5)进行变换，得到式(6)。

(6)

应用式(6)对测点d3,d4,d6,d7的数据进行拟合。沉降速率与沉降量变化曲线如图9所示，拟合参数如表2所示。由表2可知，相关系数接近1，拟合效果较好。拟合参数a的值随距离阴角测点d7的距离增加而增大。随着沉降量的增加，沉降速率减小，与硬化理论规律一致。

表2 沉降速率与沉降量公式拟合参数

4 结语

1)根据监测结果，冻融冻胀对深基坑变形影响显著。土体冻结使深基坑地表沉降趋于稳定。当土壤冰融化时，沉降量增大。应在融化期加强监测频率，防止过大沉降。

2)由于冻胀作用，支护结构在最低气温时平移最快。冻融冻胀对距离阴角远的土体影响大。基坑土体深处也会发生冻胀现象。应阻断土中水的补给途径，以保证基坑的稳定性。

3)基于Prandtl Reuss塑性理论建立了深基坑土体经历冻融过程的修正模型，可用来预估深基坑地表沉降速率与沉降量，从而对深基坑的变形采取预防措施。