悬臂桩桩径变化对基坑抗冻胀性能分析

姜 广 州

(张家口市鼎力岩土治理有限公司,河北 张家口 075000)

0 引 言

当今社会不断向着城市化聚集方向发展，然而为了解决人口数量不断增加带来的住房问题，城市新建造楼房不断加高，同时配套设施也在不断的利用地面空间与地下空间扩展，因此建筑基坑深度也在不断增加，随之而来的是基坑开挖过程中的安全问题.目前国内外学者对深基坑的加固处理方式已经有了相当成熟的研究，早期国外学者通过理论计算分析土体承受剪切破坏时能够承受的最大荷载与基坑底部隆起现象[1,2].随着时代发展，计算机能够代替人类进行模拟计算[3,4]，我国学者在进行了已有的研究后做出了对比判断，发现FLAC3D软件对基坑支护结构的位移计算与沉降计算相对理正软件更加精确[5]，随后我国在基坑支护模拟方面有了更加精进的研究，采用有限元软件模拟基坑开挖与支护并逐渐频繁的运用到工程实际中[6-8].而结合我国疆域辽阔的特点，相当一部分地区处于季节性冻土区域，同时由于施工周期长，不可避免的会遇到冬季施工的难题，因此对于季冻区的基坑支护研究仍有重要的意义，通过多年的发展，关于土体的冻胀性能研究也相对成熟.本文以悬臂桩的桩径变化作为主要的研究对象进行基坑抗冻胀性能分析.

1 冻胀机理

土体颗粒间的孔隙水在负温环境下会不断析出冰透镜体，并且由于水结冰后体积会变大，因此在负温条件下孔隙水结冰后对土颗粒骨架的挤压效果外在表现为土体体积膨胀[9].由此带来的土体体积变化会对施工产生巨大影响，因此产生了对应的冻胀理论.Eveertt[10]首先对冻胀量进行解释说明，形成了第一冻胀理论，并提出了自由水在多孔介质中的热力平衡方程，同时发现土体冻胀的函数关系式与多个因素有关.然而在研究中发现，第一冻胀理论所得结果与实测结果具有较大的差距，因此在此基础上学者们又提出第二冻胀理论.第二冻胀理论研究发现在已结冰孔隙水与未结冰孔隙水之间存在一个极薄的缓冲区域，称之为冻结缘.结合水分迁移理论可知土体中水分的结冰过程也是冻结缘不断移动的过程.

2 有限元分析与建造模型

本研究使用有限元数值模拟软件进行模拟分析.有限元数值模拟软件可以通过离散化单元体的形式进行网格分离，对离散后的每个节点进行计算，得到每个节点的计算结果然后通过每个节点的计算结果叠加到与之相邻的节点取得叠加后的结果[11].

本研究建立地基模型大小为60 m(长度)×1 m(宽度)×30 m(高度)，在其中开挖基坑大小为20 m(长度)×1 m(宽度)×11 m(深度)，模型每隔0.5 m设置一个单元格，建模结果如图1所示.

图1 基本模型建立示意图

由于假定地基土为粉质粘土，故采用摩尔-库伦本构模型作为数值模拟的本构模型能够达到最精确的模拟效果.建模完成后需要对各个材料进行属性赋值，各部分材料属性如表1、表2所示.

表1 土体参数与桩体材料参数

表2 各材料热力学属性

3 试验分析

表3 悬臂桩桩径变化工况表

悬臂桩作为一种基坑支护常用的支护方式，因其造价较低成本可控得以在实际工程中应用.本文主要研究悬臂桩桩径变化对基坑冻胀性的影响，具体试验方案如表3所示.

分析各个工况的水平位移，其直观表现如图2所示.

由图2可知，冻结情况下桩体水平位移远大于未冻结情况，因此对季冻区基坑的抗冻胀分析研究是具有重要意义的.采用悬臂桩作为支护方式时，深度较浅时基坑水平位移较大，随着基坑深度增加，桩侧水平位移逐渐减小.分析工况2-工况6，冻结情况下桩体水平位移随着桩径增大而减小，说明桩径增大对冻结基坑的变形具有抑制作用.

由计算结果分析不同工况下桩侧冻胀力，可得到冻胀力曲线如图3所示.

由图3可知，随着基坑开挖深度增加，桩侧冻胀力不断增加.基坑冻结后桩侧冻胀力远大于基坑未冻结时桩侧土压力，由此可见，对于季冻区基坑需要更加严格的支护.在已冻结情况下，基坑开挖时随着深度增加桩侧冻胀力不断增大，在3-8 m深度范围内，桩侧冻胀力趋于稳定，而在8 m以下范围内桩侧冻胀力突增，主要是由于临近进坑底部，受到土压力约束从而产生一个剪切力导致.

图2 桩体水平位移

图3 冻胀力曲线图

4 结 论

本研究基于有限元数值模拟软件，分析了悬臂桩桩径变化对冻结土体基坑的影响，在本研究条件下，得到以下结论：

(1)已冻结土体中基坑在受到冻胀力的作用下其桩侧水平位移是未冻结土体的四倍之多.

(2)随着悬臂桩桩径增加，桩侧水平位移减小，峰值减少36.2%.

(3)随着悬臂桩桩径增加，桩侧冻胀力增大，峰值增大78.4%