紀(jì) 光 霞

(山東省沂南縣市政工程公司，山東 臨沂 276000)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，哈爾濱地區(qū)高層建筑需求日益增大，深基坑開(kāi)挖數(shù)量較多。哈爾濱地區(qū)一年內(nèi)的溫差巨大，土體經(jīng)歷數(shù)次凍融，凍融凍脹效應(yīng)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響。因此，對(duì)存在凍融效應(yīng)的寒區(qū)深基坑工程要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)與全面分析。

針對(duì)凍融凍脹效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外已有一些研究成果。劉守花[1]對(duì)寒區(qū)深基坑施工進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)過(guò)程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響巨大。張仁澤[2]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的深基坑進(jìn)行了有限元模擬，分析了溫度變化速度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。程濤等[3]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)隧道圍巖襯砌進(jìn)行監(jiān)測(cè)與模擬，發(fā)現(xiàn)襯砌的二維變形呈“橫鴨蛋”形。Chang等[4]分析了季凍區(qū)道路路基凍脹的原因和機(jī)理，提出鋪設(shè)土工布礫石的措施。但是針對(duì)寒區(qū)深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)研究還較少。

寒區(qū)土體的凍融凍脹效應(yīng)會(huì)使深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆、基坑土體失穩(wěn)滑移。本文對(duì)哈爾濱市某深基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)與綜合分析，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)變形受多種因素影響的規(guī)律，建立了土體塑性變形模型，可以合理預(yù)測(cè)寒區(qū)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)寒區(qū)深基坑施工作業(yè)具有參考意義。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

該深基坑的設(shè)計(jì)深度為12.1 m，基坑支護(hù)概況如圖1所示,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示?；?xùn)|、西、南面為超流態(tài)混凝土灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C25，樁長(zhǎng)14.8 m，以地面為基準(zhǔn)標(biāo)高，樁頂標(biāo)高為-2.0 m。冠梁截面尺寸為500 mm×800 mm，主筋配置為8Ф20+4Ф20。樁間掛網(wǎng)并噴射C20混凝土。

1.2 基坑場(chǎng)地土體

基坑場(chǎng)地土體為第四紀(jì)沖積、積聚作用產(chǎn)物。依據(jù)JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程[5]進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得②-1層粉質(zhì)黏土的天然含水率為24.6%、塑限為17.4%，凍脹等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

土層分布及參數(shù)如表1所示。

表1 土層分布及參數(shù)

1.3 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容主要有[6]：1)基坑周邊地表沉降量；2)冠梁平移；3)第二層腰梁平移。測(cè)量點(diǎn)布局示意圖如圖3所示。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)時(shí)期氣溫走勢(shì)如圖4所示。下半年的氣溫持續(xù)降低，次年1月初達(dá)到最低氣溫-29 ℃，隨后氣溫開(kāi)始回升。

由于篇幅的限制，本文選取代表性的D邊(東側(cè)擋墻)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

地表沉降量及沉降速率如圖5所示。由圖5可知，9月～10月地表沉降最快，d6測(cè)點(diǎn)沉降最大，沉降量為1.6 mm，沉降速率為0.08 mm/d。此時(shí)正處于雨季，雨水量大，水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大沉降。11月后沉降速率降低，土體開(kāi)始凍結(jié)趨于穩(wěn)定。特別的，d2與d3測(cè)點(diǎn)持續(xù)沉降，且沉降速率高于其他測(cè)點(diǎn)，這是由于該處有臨時(shí)宿舍，土體荷載較大，處于持續(xù)固結(jié)狀態(tài)，沉降不斷增大并逐漸變緩。

3月后，各測(cè)點(diǎn)的沉降量略有增大，地表沉降速率開(kāi)始增加。這是因?yàn)?月后氣溫開(kāi)始回升，凍結(jié)土逐漸消融，土粒之間的冰變?yōu)橐簯B(tài)水，土粒與土粒之間的摩擦力變小，其結(jié)構(gòu)很容易在外力和自重的作用下發(fā)生變化，而且隨著水的消退，土體內(nèi)的孔隙水壓力減小，土體內(nèi)部產(chǎn)生向下的豎向變形，導(dǎo)致沉降量增大[7]。

2.2 冠梁平移數(shù)據(jù)分析

冠梁平移量及速率如圖6所示。由圖6a)可知，測(cè)點(diǎn)D1～D4的平移量大于10 mm，其他測(cè)點(diǎn)變化較小。這是因?yàn)镈1～D4測(cè)點(diǎn)上部存在附加荷載，且基坑開(kāi)挖至12.1 m時(shí)卸荷較多，主動(dòng)土壓力較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生平移。D3測(cè)點(diǎn)附近有一化糞池，滲水后發(fā)生凍脹導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)平移量增大，高于其他測(cè)點(diǎn)。

由圖6b)可知，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平移速率在1月時(shí)達(dá)到峰值，D2測(cè)點(diǎn)的速率最大(0.21 mm/d)。當(dāng)氣溫降至0 ℃以下，表層土中的孔隙水開(kāi)始凍結(jié)，且下部水分持續(xù)向凍結(jié)鋒面補(bǔ)充，含冰土層變厚。1月氣溫下降到最低點(diǎn)，此時(shí)凍結(jié)速率最大，水相變成冰產(chǎn)生的應(yīng)變顯著，凍脹效應(yīng)最為嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)的平移速率達(dá)到峰值[8]。

冠梁測(cè)點(diǎn)的時(shí)移變化如圖7所示。由圖7可知，D3測(cè)點(diǎn)的時(shí)移變化量最大(26 mm)。以D3測(cè)點(diǎn)為中點(diǎn)，兩側(cè)的其他測(cè)點(diǎn)時(shí)移量明顯的減小。其中，D10，D11測(cè)點(diǎn)處于基坑陰角，最為穩(wěn)定。D1測(cè)點(diǎn)雖處于基坑陰角，但是受附加荷載的影響產(chǎn)生較大平移。因此，凍融凍脹對(duì)距離陰角越近的土體影響越小，證明基坑陰角的空間效應(yīng)顯著[9]。

2.3 第二層腰梁平移數(shù)據(jù)分析

腰梁平移如圖8所示。由圖8可知，至1月，測(cè)點(diǎn)D2-2,D4-2平移量在不斷地增加，平移速率平均為0.04 mm/d。這是由于化糞池的滲水，使測(cè)點(diǎn)附近土壤水分較多，低溫狀態(tài)下孔隙水持續(xù)凍結(jié)，基坑土深處的凍脹現(xiàn)象明顯，使腰梁平移量增大。其他測(cè)點(diǎn)均無(wú)明顯平移，這說(shuō)明產(chǎn)生凍脹效應(yīng)的必備因素是水分的補(bǔ)給。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，要采取措施阻斷土中水的補(bǔ)給途徑，以保證基坑的穩(wěn)定性。

3 土體變形模型

3.1 塑性變形

基坑土體在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，由Prandtl Reuss塑性變形模型，表示為[10]:

(1)

將廣義三參量Kelvin模型[11,12]代入上式(E1為Kelvin體中彈簧彈性模量;η為廣義黏壺黏滯系數(shù);t為時(shí)間)。

(2)

則式(1)可變?yōu)?

(3)

(4)

由式(3)和式(4)，通過(guò)積分變換獲得應(yīng)變速率和應(yīng)變之間的關(guān)系。

(5)

其中，C為常數(shù)。

3.2 沉降速率與沉降量公式擬合

沉降速率與沉降量有關(guān)，對(duì)式(5)進(jìn)行變換，得到式(6)。

(6)

應(yīng)用式(6)對(duì)測(cè)點(diǎn)d3,d4,d6,d7的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。沉降速率與沉降量變化曲線如圖9所示，擬合參數(shù)如表2所示。由表2可知，相關(guān)系數(shù)接近1，擬合效果較好。擬合參數(shù)a的值隨距離陰角測(cè)點(diǎn)d7的距離增加而增大。隨著沉降量的增加，沉降速率減小，與硬化理論規(guī)律一致。

表2 沉降速率與沉降量公式擬合參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，凍融凍脹對(duì)深基坑變形影響顯著。土體凍結(jié)使深基坑地表沉降趨于穩(wěn)定。當(dāng)土壤冰融化時(shí)，沉降量增大。應(yīng)在融化期加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，防止過(guò)大沉降。

2)由于凍脹作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)在最低氣溫時(shí)平移最快。凍融凍脹對(duì)距離陰角遠(yuǎn)的土體影響大。基坑土體深處也會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象。應(yīng)阻斷土中水的補(bǔ)給途徑，以保證基坑的穩(wěn)定性。

3)基于Prandtl Reuss塑性理論建立了深基坑土體經(jīng)歷凍融過(guò)程的修正模型，可用來(lái)預(yù)估深基坑地表沉降速率與沉降量，從而對(duì)深基坑的變形采取預(yù)防措施。