姜 廣 州

(張家口市鼎力巖土治理有限公司,河北 張家口 075000)

0 引 言

當(dāng)今社會不斷向著城市化聚集方向發(fā)展，然而為了解決人口數(shù)量不斷增加帶來的住房問題，城市新建造樓房不斷加高，同時配套設(shè)施也在不斷的利用地面空間與地下空間擴展，因此建筑基坑深度也在不斷增加，隨之而來的是基坑開挖過程中的安全問題.目前國內(nèi)外學(xué)者對深基坑的加固處理方式已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的研究，早期國外學(xué)者通過理論計算分析土體承受剪切破壞時能夠承受的最大荷載與基坑底部隆起現(xiàn)象[1,2].隨著時代發(fā)展，計算機能夠代替人類進行模擬計算[3,4]，我國學(xué)者在進行了已有的研究后做出了對比判斷，發(fā)現(xiàn)FLAC3D軟件對基坑支護結(jié)構(gòu)的位移計算與沉降計算相對理正軟件更加精確[5]，隨后我國在基坑支護模擬方面有了更加精進的研究，采用有限元軟件模擬基坑開挖與支護并逐漸頻繁的運用到工程實際中[6-8].而結(jié)合我國疆域遼闊的特點，相當(dāng)一部分地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，同時由于施工周期長，不可避免的會遇到冬季施工的難題，因此對于季凍區(qū)的基坑支護研究仍有重要的意義，通過多年的發(fā)展，關(guān)于土體的凍脹性能研究也相對成熟.本文以懸臂樁的樁徑變化作為主要的研究對象進行基坑抗凍脹性能分析.

1 凍脹機理

土體顆粒間的孔隙水在負溫環(huán)境下會不斷析出冰透鏡體，并且由于水結(jié)冰后體積會變大，因此在負溫條件下孔隙水結(jié)冰后對土顆粒骨架的擠壓效果外在表現(xiàn)為土體體積膨脹[9].由此帶來的土體體積變化會對施工產(chǎn)生巨大影響，因此產(chǎn)生了對應(yīng)的凍脹理論.Eveertt[10]首先對凍脹量進行解釋說明，形成了第一凍脹理論，并提出了自由水在多孔介質(zhì)中的熱力平衡方程，同時發(fā)現(xiàn)土體凍脹的函數(shù)關(guān)系式與多個因素有關(guān).然而在研究中發(fā)現(xiàn)，第一凍脹理論所得結(jié)果與實測結(jié)果具有較大的差距，因此在此基礎(chǔ)上學(xué)者們又提出第二凍脹理論.第二凍脹理論研究發(fā)現(xiàn)在已結(jié)冰孔隙水與未結(jié)冰孔隙水之間存在一個極薄的緩沖區(qū)域，稱之為凍結(jié)緣.結(jié)合水分遷移理論可知土體中水分的結(jié)冰過程也是凍結(jié)緣不斷移動的過程.

2 有限元分析與建造模型

本研究使用有限元數(shù)值模擬軟件進行模擬分析.有限元數(shù)值模擬軟件可以通過離散化單元體的形式進行網(wǎng)格分離，對離散后的每個節(jié)點進行計算，得到每個節(jié)點的計算結(jié)果然后通過每個節(jié)點的計算結(jié)果疊加到與之相鄰的節(jié)點取得疊加后的結(jié)果[11].

本研究建立地基模型大小為60 m(長度)×1 m(寬度)×30 m(高度)，在其中開挖基坑大小為20 m(長度)×1 m(寬度)×11 m(深度)，模型每隔0.5 m設(shè)置一個單元格，建模結(jié)果如圖1所示.

圖1 基本模型建立示意圖

由于假定地基土為粉質(zhì)粘土，故采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型作為數(shù)值模擬的本構(gòu)模型能夠達到最精確的模擬效果.建模完成后需要對各個材料進行屬性賦值，各部分材料屬性如表1、表2所示.

表1 土體參數(shù)與樁體材料參數(shù)

表2 各材料熱力學(xué)屬性

3 試驗分析

表3 懸臂樁樁徑變化工況表

懸臂樁作為一種基坑支護常用的支護方式，因其造價較低成本可控得以在實際工程中應(yīng)用.本文主要研究懸臂樁樁徑變化對基坑凍脹性的影響，具體試驗方案如表3所示.

分析各個工況的水平位移，其直觀表現(xiàn)如圖2所示.

由圖2可知，凍結(jié)情況下樁體水平位移遠大于未凍結(jié)情況，因此對季凍區(qū)基坑的抗凍脹分析研究是具有重要意義的.采用懸臂樁作為支護方式時，深度較淺時基坑水平位移較大，隨著基坑深度增加，樁側(cè)水平位移逐漸減小.分析工況2-工況6，凍結(jié)情況下樁體水平位移隨著樁徑增大而減小，說明樁徑增大對凍結(jié)基坑的變形具有抑制作用.

由計算結(jié)果分析不同工況下樁側(cè)凍脹力，可得到凍脹力曲線如圖3所示.

由圖3可知，隨著基坑開挖深度增加，樁側(cè)凍脹力不斷增加.基坑凍結(jié)后樁側(cè)凍脹力遠大于基坑未凍結(jié)時樁側(cè)土壓力，由此可見，對于季凍區(qū)基坑需要更加嚴格的支護.在已凍結(jié)情況下，基坑開挖時隨著深度增加樁側(cè)凍脹力不斷增大，在3-8 m深度范圍內(nèi)，樁側(cè)凍脹力趨于穩(wěn)定，而在8 m以下范圍內(nèi)樁側(cè)凍脹力突增，主要是由于臨近進坑底部，受到土壓力約束從而產(chǎn)生一個剪切力導(dǎo)致.

圖2 樁體水平位移

圖3 凍脹力曲線圖

4 結(jié) 論

本研究基于有限元數(shù)值模擬軟件，分析了懸臂樁樁徑變化對凍結(jié)土體基坑的影響，在本研究條件下，得到以下結(jié)論：

(1)已凍結(jié)土體中基坑在受到凍脹力的作用下其樁側(cè)水平位移是未凍結(jié)土體的四倍之多.

(2)隨著懸臂樁樁徑增加，樁側(cè)水平位移減小，峰值減少36.2%.

(3)隨著懸臂樁樁徑增加，樁側(cè)凍脹力增大，峰值增大78.4%