越冬基坑支护结构水平位移及桩侧冻胀力研究

摘要：随着地下空间的开发，必要情况下施工建设需要在相对寒冷的环境下进行，此时基坑建设可能会出现越冬情况，为研究越冬基坑的支护结构水平位移及桩侧冻胀力，运用三维快速拉格朗日数值分析软件（FLAC3D），在悬臂桩支护形式下，对不同桩体直径及插入比的越冬深基坑支护结构桩侧冻胀力及水平位移进行分析。分析得到，在冻结状态下，悬臂桩支护基坑水平位移峰值是常温时的4.5倍，桩侧冻胀力峰值增加了2倍，冻胀作用对基坑变形和受力影响非常显著；随着桩径增加，桩侧冻胀力随之迅速增加而水平位移峰值不断减小；桩体水平位移及桩侧冻胀力受插入比的变化影响很小。成果可为以悬臂桩为主的排桩支护形式在越冬深基坑工程中的设计、施工提供理论参考。

关键词：FLAC3D；越冬基坑；冻胀；数值模拟

中图分类号：TU473文献标志码：A"""""""""""" 文章编号：

Research on Horizontal Displacement and Pile Side Frost Heave Force of Overwintering Foundation Pit Support Structure

Abstract：With the development of underground space，construction need to be carried out in a relatively cold environments if necessary，and the construction of foundation pit may overwinter，in order to study the horizontal displacement and pile side frost heave force of the overwintering foundation pit support structure，three-dimensional fast Lagrangian numerical analysis software （FLAC3D） was used to analyze the pile side frost heave force and horizontal displacement of the overwintering deep foundation pit support structure with different pile diameters and insertion ratios under the cantilever pile support form.Analysis shows that under frozen conditions，the peak horizontal displacement of the cantilever pile support foundation pit is 4.5 times that at room temperature，and the peak frost heave force on the pile side increases by 2 times，the frost heave effect has a significant impact on the deformation and stress of the foundation pit，as the pile diameter increases，the frost heave force on the pile side rapidly increases while the peak horizontal displacement continuously decreases，and the horizontal displacement of the pile and the frost heave force on the pile side are minimally affected by changes in the insertion ratio.The results can provide theoretical reference for the design and construction of row pile support forms mainly composed of cantilever piles in winter deep foundation pit engineering.

Keywords：FLAC3D;overwintering foundation pit;frost heaving;numerical simulation

0 引言

随着城市化进程不断加快，建设规模逐渐扩大，城市居民数量激增，新建楼房高度持续增加，以往的开发方式无法满足发展要求。因此，近年来多数城市开始着手发展地下城市轨道交通系统，从而有效缓解地面交通拥堵的问题[1-3]；考虑到我国经济增长需求，应在季节性冻土等地带开展国家级基础设施建设。因此，选择适当的支撑方式至关重要[4-5]。

排桩支护方式因其施工工艺简单等优点在实际施工中常作为首选，本研究利用数值模拟软件FLCA3D[6-7]，对悬臂桩支护形式在越冬基坑下改变桩径和插入比，观察桩侧冻胀力和桩体位移的变化规律，为实际越冬基坑的设计和施工提供参考。

1 越冬基坑模型的建立

FLAC3D 6.0版本提供了更加丰富的模型构建方法。本文为了能够确保模型网格的规整性，采用传统的命令流驱动建模方法。保障计算结果的精确性。

1.1 模型尺寸及网格划分

在X轴方向上基坑模型的尺寸为：0～80 m，模型的整体长度为：80 m；Y方向上的长度范围介于0～1 m，模型整体宽度为1 m；在Z方向上，模型整体高度为35 m。基坑挖掘的宽度在X方向是：30 m～50 m，挖掘长度为20 m；在Y方向上，基坑的挖掘深度范围是35 m～24 m，挖掘深度为11 m。模型中，左下角的坐标是（0，0，0），右上角的坐标是（80，1，35）。各单元格距离为0.5 m，模型网格如图1所示。

1.2 参数选取

各材料参数见表1～表2。

1.3 边界条件选取

本模型中，边界条件主要包括：力学边界约束、温度边界约束及其他边界条件。本文详细叙述前两种条件。

1.3.1 约束边界条件

在自然环境中，土体可以被视为一个连续的、无线延展的均质物质。但在进行模型模拟时，需按照规范选择基坑开挖尺寸的3倍～5倍作为模型尺寸。模型采用的边界条件如下：在X坐标范围为-0.1 m～0.1 m时，施加面的法向约束；在X坐标范围为79.9 m～80.1 m时，同样施加面的法向约束。Y方向上1 m处，为了使计算结果更接近实际工程，故将所有约束施加到模型中。模型的顶部可自由设置。约束边界条件见图2。

1.3.2 温度边界条件选取

在本研究中采用长春地区的月平均气温为-10 ℃的温度来模拟越冬基坑在不同桩径和插入比的悬臂桩支护形式下的影响规律。在Z方向35 m处的表面上，X方向30 m，50 m，Y方向24 m～35 m处以及在X方向30 m和Y方向24 m～35 m的交叉区域处的温度边界条件（见图3）。

2 不同直径悬臂桩支护结构越冬模拟

在越冬基坑抗冻胀分析中悬臂桩支护结构在很多研究中已经得到了探讨。本研究通过在基坑挖掘完毕后引入温度负荷，冻结周期为30 d。通过改变环境温度和采用不同直径的悬臂桩，将模型在未冻结和冻结两种工况下进行比较，研究桩体水平位移和桩侧冻胀力的变化趋势。不同工况见表3。

2.1 不同直径悬臂桩模拟

不同悬臂桩直径支护下的基坑云图如图4～5所示。

根据上述计算云图结果显示：在常温工况下，地应力平衡的理论计算值为（其中γ为重度，N/m3）。模拟软件计算产生的云图（见图4）得出的结果为647.29 kPa。经对比，两者结果接近。桩体最大位移为11.23 mm，桩侧的冻胀力为40.25 kPa（水平方向），达到最大值，详见图6。经过温度为-10 ℃，时间周期为30 d的基坑冻结的处理下，通过软件结果显示可得冻层深度达为2.45 m。此时，基坑底部冻层厚度约为3.05 m，这是因为在负温的环境下，由于桩体和基坑两者的底部均受到冻胀力，导致其表现为双向冻结。

2.2 结果分析

由图6可得出：

1） 桩体的水平位移在各个不同的工况下观察到下部减小而上部增大的变化。桩体的水平位移受到外部环境温度的影响。分析曲线图发现，不同状态下的位移均不同：冻结状态下是未冻结状态的5.6倍。桩体的水平位移与桩径的大小有关，随桩径的增大而呈相同趋势减小。

2） 曲线显示，最大的桩顶水平位移为55.67 mm（冻结状态下），最小为35.54 mm。分析得出，最大的桩底水平位移为0.87 mm（冻结状态下），最小为0.12 mm。

由图7可得：

1） 位置不同冻胀力大小不同，桩侧冻胀力最大是在坑底部位。桩体的水平位移在冻结工况下是未冻结下桩侧土压力的3倍～4倍。桩侧土压力随着开挖深度的增加而上升。

2） 在冻结工况下桩端处桩侧冻胀力最小为25.56 kPa，最大为45.59 kPa。桩底的冻胀力随着桩径的增大而增加。在8 m～9 m的桩身位置，整根桩冻胀力突然增加。这是由于桩底土在基坑开挖底部附近受到了约束，导致坑底的应力急剧上升。

3 不同插入比的悬臂桩支护结构越冬模拟分析

在基坑开挖完成后施加温度负荷冻结30 d，并在不同工况下观察桩体水平位移及桩侧冻胀力的变化趋势。悬臂桩不同插入比模拟工况见表4。

由图8可得出：

1） 桩体桩端的水平位移在未冻结工况下达到13.28 mm。桩端的最大水平位移在第2～6工况下（冻结状态下）达到42.23 mm～45.02 mm，是工况1的3.18倍。

2） 通过工况1和工况5的水平位移曲线显示，工况5桩端水平位移在冻结工况下是工况1的4倍。分析工况2～6得出，桩端水平位移随着插入比的增加而发生较小幅度的变化，综合对比上述桩径对其的影响，此因素对桩体水平位移的影响微弱。

由图9可得：

1） 未冻结工况下：随着桩径的增加，水平位移峰值持续减小，然而，桩侧冻胀力迅速上升。当处于冻结状态时，桩侧的冻胀力会随着开挖深度的加深而上升，并且增长速度超过了非冻结状态，增长状态属于非线性。

2） 在冻结状态下，桩侧的冻胀力会在开挖深度达到2 m～3 m时出现显著增加。这主要是因为在负温条件下，冻层的厚度逐渐变厚，导致桩侧的冻胀力急剧上升。随着深度逐渐增加，桩侧的冻胀力逐渐趋于稳定。此外，桩侧冻胀力的增加与基底土压力密切相关，其在水平方向存在约束，导致了冻胀力进一步增加。

3） 桩体插入比通过图8显示达到0.3时，桩顶的水平位移达到45.02 mm，根据表4工况增加插入比，增至0.5时，桩顶水平位移为42.23 mm。分析可得：桩体长度增加了15.4%，但位移减少了6.61 mm。说明围护桩的水平位移和桩侧冻胀力受悬臂桩插入比的影响相对较小。

4 结论

本文主要通过FLAC3D数值模拟软件，对比在常温环境下和-10 ℃冻结30 d情况下，对越冬基坑悬臂桩支护结构的水平位移及桩侧冻胀力进行模拟。具体研究结论如下。

1） 随着桩径增加发现可减小桩体水平位移，但桩侧冻胀力增加速度较快，桩径为0.5 m时，桩径尺寸对桩体水平位移的影响效果明显，桩径为1.2 m时，桩径尺寸对桩体桩侧冻胀力的影响效果明显。

2） 在悬臂桩支护结构越冬过程中，-10 ℃冻结30 d情况下，随着桩体插入比的增加，在各种工况下，悬臂桩支护结构的水平位移和桩侧冻胀力变化并不显著。可知桩体的插入比对水平位移和桩侧冻胀力的影响微乎其微。

3） 相较于常温条件，在冻结状态下，桩侧的冻胀力峰值增大了约2倍，悬臂桩支护结构的基坑水平位移峰值大约是正常温度条件的4.5倍，冻胀作用对于基坑的受力和变形具有显著影响。

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