凍融循環對長春典型土層深基坑開挖變形及穩定性影響分析①

□□ 任文峰,趙鵬飛,黃 勤,唐曉林 (.中鐵七局集團第二工程有限公司,遼寧 沈陽0005;.華東交通大學 土木建筑學院,江西 南昌 33003)

引言

隨著我國城市建設的不斷發展,基礎設施建設速度也在不斷提升?；庸こ套鳛榈叵鹿こ探ㄔO的基礎,其結構安全穩定至關重要。在我國北部地區,季節性氣候導致基坑工程存在許多安全隱患,凍融循環作用對基坑等地下工程周邊的土體會產生不利影響,從而影響圍護結構的安全穩定[1-3]。

近年來,許多國內外學者對凍融循環作用下土體力學特性進行了不同方向的研究。汪仁和等[4]對不同土體進行凍融循環試驗得出,土體粘聚力在凍融前后減少20%～35%,內摩擦角降低1%～7%。王永忠等[5]研究指出,對于粉質黏土隨著凍融循環次數增加,土體粘聚力不斷降低,內摩擦角不斷增大。王伯昕等[6]對不同含水率的粉質黏土進行研究得出與王永忠等不同的結論:隨著循環次數增加,含水率為18.7%、20.7%與22.7%的粉質黏土粘聚力與內摩擦角均呈下降趨勢。劉暉等[7]對含砂粉土進行凍融循環次數的研究指出,粘聚力隨循環次數呈現先減后增,內摩擦角與彈性模量先增后減的趨勢。Simonsen E等[8]對不同粒徑土體進行凍融循環試驗發現循環前后土體彈性模量下降20%～60%,粒徑越小下降幅度越大。Lee W等[9]對粘性土進行凍融試驗得出,其彈性模量降低幅度與土體應變1%時的應力呈正相關。Graham J等[10]通過對粘性土進行三軸試驗得出土體割線壓縮模量在凍融前后呈增加趨勢。LIU J K等[11]對粉砂進行凍融試驗研究發現其彈性模量、粘聚力和內摩擦角隨凍融次數增加均有不同程度的降低。蔣婷婷等[12]與張建新等[13]研究發現土體彈性模量會隨著循環次數增加不斷下降。呂晶等[14]研究素土與灰土在不同含水率受凍融循環影響下的規律發現,土的抗壓強度隨含水率提高與凍融次數提高而降低。

而通過數值模擬軟件,許多學者也進行了不同方向的研究。吳麗萍等[15]通過MidasGTS對基坑進行有限元模擬發現凍融循環降低了土體的抗剪強度。邵瑩[16]對呼和浩特市某基坑工程進行數值模擬研究得出,深基坑土體溫度變化分布特征、水平凍脹力分布規律及凍脹引起土體和支護結構變形的變化規律。杜東寧[17]依托東森CBD商務廣場二期基坑工程,模擬凍融循環作用下的溫度環境,從而得到基坑支護在凍融循環下的變形特性及內力變化規律。石冬梅[18]通過Plaxis2d軟件對樁錨支護基坑開挖進行熱-力耦合模擬,分析土體凍脹作用與基坑樁錨支護結構內力與變形之間的關系。

上述土體力學特性受凍融循環影響程度主要來自于有關學者的研究結果,其影響程度與土體本身性質及試驗水平有關,在眾多結論的基礎上通過原位監測數據與數值模擬結合進行反復分析與甄選,以確定適用于長春復雜地層與類似土層受凍融循環影響的參數折減系數,結合吉林大學第一醫院地下停車場基坑工程,運用Plaxis2d有限元分析軟件建立二維有限元模型,通過監測數據與數值模擬軟件結果對比驗證模型的合理性,并探究凍融循環對基坑變形及穩定性的影響。

1 工程概況

吉林大學第一醫院地下停車場位于該醫院南部,工程包括地下商場、餐廳以及停車庫。其基坑工程長寬約為175 m×135 m,深度為9.1～16.8～22.5 m的大型基坑,工程總建筑面積為96 281 m2,其平面如圖1所示?；哟蟛糠植捎脝闻叛b錨索支護,西側局部與北側采用雙排樁錨索支護形式,樁間鋼筋網噴射混凝土;樁為C30混凝土,樁徑d為0.8 m,樁間距為1.2 m和1.3 m;錨索采用7Φ5鋼絞線,豎向間距為2～2.7 m,橫向間距為1.2～1.4 m。

長春市氣候為溫帶大陸性半濕潤季風氣候類型,冬季漫長且溫度低,季節變化明顯,由于渤海濕氣補充,其雨水條件較好。據相關資料可知,長春市年平均降水量為600～700 mm,主要集中在6～9月,占全年降雨量的70%以上,冰凍期為11月至次年3月,凍土深度為1.7 m,其年平均氣溫為4.6 ℃,最高溫度為39.5 ℃,最低溫度為-39.8 ℃。

2 數值模擬分析

2.1 剖面選取及模型計算參數確定

根據工程地勘資料,典型剖面代表該工程基坑區域土層分布及基坑支護布置情況如圖2所示,基坑工程3-3剖面現場如圖3所示,其土層厚度通過高程進行計算,土層參數通過試驗取得,具體參數見表1。

表1 各層土層參數

圖2 典型剖面3-3表示基坑土層及結構分布

圖3 吉大第一醫院3-3剖面現場施工圖

2.2 有限元模型建立

采用有限元分析軟件Plaxis2d,依據工程情況建立了如圖4所示的2維有限元模型。由于基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～5倍,影響深度為基坑開挖深度的2～4倍,為減小邊界效應對基坑開挖的影響,其模型整體大小為110 m×50 m,建立模型時為考慮模型計算精度,土體均采用HSS模型;鉆孔樁以及建筑樓板采用板單元模擬,為簡便計算鉆孔灌注樁支護結構采用等效剛度的原則,將鉆孔灌注樁等效為地連墻支護形式,如圖5所示,相關參數計算見式(1)和式(2);錨索自由段采用點對點錨桿,錨固段及建筑物下部樁基則采用嵌入樁模擬;整個模型設置邊界約束條件,模型網格節點數為42 757個節點,地下水深度設置為-4 m,結構具體參數見表2。

圖4 整體模型示意圖

表2 結構參數

圖5 鉆孔樁剛度等效

(1)

(2)

2.3 開挖工況設計

模擬基坑開挖工況結合現場施工工況,將開挖至-20 m與支護步驟分為17步,開挖一步后施工對應深度錨索,如此往復進行?？紤]基坑存在初始應力場,且既有建筑物對土體初始應力場的影響,為排除上述因素對基坑變形產生的影響,需在模擬建成建筑物后對基坑位移進行置0。具體工況見表3。

表3 施工工況

2.4 模型適應性分析

由于在基坑開挖過程中,其周圍土體的位移及應力場會隨施工進度而變化,從而對支護結構產生相應的水平變形,考慮到基坑在開挖第二層前已越冬且經歷過一次凍融循環,由于凍融現象會改變土體原有的力學參數,使得數值模型模擬開挖至第二層后變形與監測值無法比較,故選用開挖至-3.8 m時的監測值與模擬結果進行對比,從而驗證模型的合理性?；娱_挖至-3.8 m時水平位移云圖如圖6所示?？梢钥吹轿灰谱畲笾禐?2.2 m處的5.779 mm,由于樁基于-22.3 m處已入巖層,故變形在此深度有一定程度的突變,但變形大致呈“拋物線”狀。監測值與模擬結果對比如圖7所示。從圖7中可以得到二者的整體分布規律相似,監測值為-2.5 m處5.75 mm,與數值模擬結果相當。開挖至基坑底部時模型與監測數據對比如圖8所示。圖中不同于監測最大位移值的-25.82 mm,模型位移最大值為21.16 mm,這是由于凍融循環導致土體變形相關參數下降,從而導致其變形值增大。因此,通過二者對比可以認為模型能夠有效地預測施工過程中圍護結構的變形情況,且需找到凍融循環影響土體變形及結構穩定性的相關參數表示方法,進而為現場施工提供指導性建議。

圖6 基坑開挖至-3.8 m處水平位移變形云圖

圖7 監測數據與數值模擬結果對比

圖8 開挖至-20 m監測數據與數值模擬結果對比

3 參數分析

3.1 凍融循環作用下土體力學參數折減系數選取

考慮到基坑周圍土體受凍融循環影響后力學參數發生一定程度的改變,而土體力學特性受凍融循環影響主要與土體本身性質及基坑支護方式的選取有關,已有學者所確定的折減系數[5-7]在長春典型以粉質黏土為主的土層中適用性還需進一步研究甄選及確定,從而為后續與該工程類似環境的施工提供指導。由于影響因素過多,選取對基坑變形影響最大的三個參數,分別為粘聚力c、內摩擦角φ以及彈性模量E,不同學者研究的折減系數下數值模型開挖至基底的水平位移與監測數據的對比如圖9所示。上文提到基坑開挖至-3.8 m時還未受到凍融影響,所以模型在計算總體變形時需對應選取未受影響的開挖至-3.8 m處的位移以及后續工況位移之和,即施工工況中第5步的變形以及受凍融影響的后續變形相加才能與監測數據相符。

圖9 不同參數折減下的模型與實測對比

由圖9可知,其中(a)與(b)的研究結果相較于長春典型以粉質黏土為主的地層現場情況略顯保守,雖然二者在最大水平位移的深度上與實測結果相差無幾,但是在最大水平位移的取值上相較于實測值與(c)研究的折減系數數值模型水平位移偏小;(c)折減后的數值模型相較于實測值,其最大水平位移值與實測值相當,但在最大水平位移出現的深度上與實測值的-13.5 m不同,其深度約為-14.4 m。前者出現偏保守的原因可能是由于含水率相較于該工程較小,而含水率是土體受凍融循環影響程度的重要因素;(b)試驗土體的含水率、土體性質與該工程相當,但試驗時土體凍結溫度設置為-10 ℃,而長春的氣候類型屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候,其溫度最低可達-40 ℃,相較于-10 ℃偏低;而后者的取樣地點為長春的粉質黏土層,其土體性質、力學參數與該工程類似,且試驗的凍結溫度為-20 ℃,考慮到凍結影響穿過土層表面后會隨深度逐漸減小,-20 ℃的取值更為合理。

值得注意的是,圖中(a)對于c、φ以及E的折減系數均>1,而(b)對于粘聚力c的折減系數<1,φ與E的折減系數均>1,而(c)的各個參數的折減系數均<1,具體參數折減系數見表4。不難看出基坑變形受凍融循環的影響程度主要是這三者耦合產生的結果,但這三者對于該工程樁錨式基坑支護受凍融循環下的影響程度是不同的。因而分別研究三者對于樁錨式基坑支護變形的影響程度至關重要。

表4 折減系數

3.2 土體力學參數折減分析

由于錨索錨固力的來源主要由錨固體與錨固層界面相互作用產生的摩阻力提供,而摩阻力與土體的剪切特性有關,即當土體與剪切特性有關參數受到凍融循環影響時,錨索錨固力也會隨之變化,為探究不同剪切特性有關參數對樁錨支護結構變形特性的影響,選取模型(c)作為研究對象,分別對土體粘聚力c(-20%～20%)、內摩擦角φ(-10%～10%)和彈性模量E(-10%～10%)的不同參數變化下樁錨支護結構基坑開挖水平位移變形特性進行研究。土體粘聚力c、內摩擦角φ以及彈性模量E變化后基坑開挖至基底樁身水平位移隨深度變化曲線如圖10～圖12所示。

圖10為保持土體與支護結構其他參數不變,只對土體粘聚力c值進行“減少20%、減少10%、增加10%、增加20%”,再與無變化組進行對比,5組數據均取開挖至基坑底部的樁身水平位移為對比,由于改變c值對基坑變形的影響不明顯,故選擇的折減參數偏大。從圖中也可看出,當基坑開挖至基底-20 m時,支護樁水平位移變形總體隨c值增大而減小的,但c值無論是減少還是增加對基坑樁身水平位移的變化影響較小,在減少20%時,其最大水平位移值僅增大6%,在深度0～-5 m水平位移有所增大。

圖11與圖12則反映出不同于圖10的變化曲線,無論是對內摩擦角φ還是對彈性模量E進行變化,其對基坑樁身水平位移的影響都非常大,圖11為不改變除內摩擦角φ以外的其他參數,只對φ值取“減少10%、減少5%、增加5%、增加10%”,再與無折減開挖至基坑底的情況做對比。從圖中可以看出,當內摩擦角減小時,樁身水平位移急劇增大,在φ減少10%時,其最大水平位移增大了27%,且0～-5 m深度的水平變形極大;而φ增大10%后,其水平位移變形也急劇減小,其幅值為16.4%。結合圖10可知,出現這種情況的原因是錨索錨固力值是由錨固體與其周圍土體界面之間的切應力提供的,其切應力的變化符合切應力公式τ=σtanφ+c。

圖11 內摩擦角φ變化后樁身水平位移圖

圖12 彈性模量E變化后樁身水平位移圖

與內摩擦角做同樣處理的彈性模量在減少10%時的變化與圖11相似。由圖12可知,雖然在減少5%時變形僅比無處理組增大7%,但其在減少10%后,其變形最大值比無處理組增大了21%。值得注意的是,在E值增大5%與10%后,其變形并未出現與圖11相同的情況,而是出現與圖10類似情況,盡管E值增大后變形略有減少,但幅度并不大。三者對樁身水平位移的影響程度為φ>E>c。

4 結論

以吉林大學第一醫院地下停車場工程作為研究背景,采用Plaxis2d有限元軟件對基坑進行數值模擬分析,建立2維有限元模型模擬深基坑開挖過程和樁錨支護結構,經分析基坑開挖后凍融循環對長春典型粉質黏土為主的土體結構以及基坑支護變形的影響,結論如下:

4.1 對于以粉質黏土層為主的長春典型土層,當樁錨式基坑工程周圍土體經過一次凍融循環后,對土體粘聚力c、內摩擦角φ和彈性模量E進行一定系數折減能有效地反映及預測其受凍融循環下地變形特性,與實測值作比較誤差較小。

4.2 對于樁錨式基坑支護結構,受凍融影響的土體參數改變后對基坑支護變形影響最大的是內摩擦角φ,僅小幅度下降就會使基坑樁身水平位移劇增,小幅增大也使樁身水平位移減小程度較為明顯;對于粘聚力c增大或減小等比例系數均對基坑樁身水平位移影響程度較小。

4.3 對于土體彈性模量E,其下降幅度較小時樁身水平位移增大程度不明顯,但下降幅度增加后使樁身水平位移增大較多,增大E時對樁身水平位移影響不大。