□□ 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(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 33003)

引言

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度也在不斷提升?；庸こ套鳛榈叵鹿こ探ㄔO(shè)的基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定至關(guān)重要。在我國北部地區(qū),季節(jié)性氣候?qū)е禄庸こ檀嬖谠S多安全隱患,凍融循環(huán)作用對基坑等地下工程周邊的土體會產(chǎn)生不利影響,從而影響圍護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定[1-3]。

近年來,許多國內(nèi)外學(xué)者對凍融循環(huán)作用下土體力學(xué)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(huán)試驗得出,土體粘聚力在凍融前后減少20%～35%,內(nèi)摩擦角降低1%～7%。王永忠等[5]研究指出,對于粉質(zhì)黏土隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,土體粘聚力不斷降低,內(nèi)摩擦角不斷增大。王伯昕等[6]對不同含水率的粉質(zhì)黏土進行研究得出與王永忠等不同的結(jié)論:隨著循環(huán)次數(shù)增加,含水率為18.7%、20.7%與22.7%的粉質(zhì)黏土粘聚力與內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢。劉暉等[7]對含砂粉土進行凍融循環(huán)次數(shù)的研究指出,粘聚力隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)先減后增,內(nèi)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(huán)試驗發(fā)現(xiàn)循環(huán)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(yīng)變1%時的應(yīng)力呈正相關(guān)。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(fā)現(xiàn)其彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)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(fā)現(xiàn)土體彈性模量會隨著循環(huán)次數(shù)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(huán)影響下的規(guī)律發(fā)現(xiàn),土的抗壓強度隨含水率提高與凍融次數(shù)提高而降低。

而通過數(shù)值模擬軟件,許多學(xué)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(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)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(shù)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(guī)律及凍脹引起土體和支護結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律。杜東寧[17]依托東森CBD商務(wù)廣場二期基坑工程,模擬凍融循環(huán)作用下的溫度環(huán)境,從而得到基坑支護在凍融循環(huán)下的變形特性及內(nèi)力變化規(guī)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(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形之間的關(guān)系。

上述土體力學(xué)特性受凍融循環(huán)影響程度主要來自于有關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果,其影響程度與土體本身性質(zhì)及試驗水平有關(guān),在眾多結(jié)論的基礎(chǔ)上通過原位監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)合進行反復(fù)分析與甄選,以確定適用于長春復(fù)雜地層與類似土層受凍融循環(huán)影響的參數(shù)折減系數(shù),結(jié)合吉林大學(xué)第一醫(yī)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(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬軟件結(jié)果對比驗證模型的合理性,并探究凍融循環(huán)對基坑變形及穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

吉林大學(xué)第一醫(yī)院地下停車場位于該醫(yī)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(cè)局部與北側(cè)采用雙排樁錨索支護形式,樁間鋼筋網(wǎng)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(fēng)氣候類型,冬季漫長且溫度低,季節(jié)變化明顯,由于渤海濕氣補充,其雨水條件較好。據(jù)相關(guān)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(shù)值模擬分析

2.1 剖面選取及模型計算參數(shù)確定

根據(jù)工程地勘資料,典型剖面代表該工程基坑區(qū)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(xiàn)場如圖3所示,其土層厚度通過高程進行計算,土層參數(shù)通過試驗取得,具體參數(shù)見表1。

表1 各層土層參數(shù)

圖2 典型剖面3-3表示基坑土層及結(jié)構(gòu)分布

圖3 吉大第一醫(yī)院3-3剖面現(xiàn)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(jù)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)參數(shù)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(shè)置邊界約束條件,模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為42 757個節(jié)點,地下水深度設(shè)置為-4 m,結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表2。

圖4 整體模型示意圖

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 鉆孔樁剛度等效

(1)

(2)

2.3 開挖工況設(shè)計

模擬基坑開挖工況結(jié)合現(xiàn)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(yīng)深度錨索,如此往復(fù)進行?？紤]基坑存在初始應(yīng)力場,且既有建筑物對土體初始應(yīng)力場的影響,為排除上述因素對基坑變形產(chǎn)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(yīng)性分析

由于在基坑開挖過程中,其周圍土體的位移及應(yīng)力場會隨施工進度而變化,從而對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的水平變形,考慮到基坑在開挖第二層前已越冬且經(jīng)歷過一次凍融循環(huán),由于凍融現(xiàn)象會改變土體原有的力學(xué)參數(shù),使得數(shù)值模型模擬開挖至第二層后變形與監(jiān)測值無法比較,故選用開挖至-3.8 m時的監(jiān)測值與模擬結(jié)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(jiān)測值與模擬結(jié)果對比如圖7所示。從圖7中可以得到二者的整體分布規(guī)律相似,監(jiān)測值為-2.5 m處5.75 mm,與數(shù)值模擬結(jié)果相當。開挖至基坑底部時模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖8所示。圖中不同于監(jiān)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(huán)導(dǎo)致土體變形相關(guān)參數(shù)下降,從而導(dǎo)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(yù)測施工過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形情況,且需找到凍融循環(huán)影響土體變形及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)表示方法,進而為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)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(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖8 開挖至-20 m監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

3 參數(shù)分析

3.1 凍融循環(huán)作用下土體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)選取

考慮到基坑周圍土體受凍融循環(huán)影響后力學(xué)參數(shù)發(fā)生一定程度的改變,而土體力學(xué)特性受凍融循環(huán)影響主要與土體本身性質(zhì)及基坑支護方式的選取有關(guān),已有學(xué)者所確定的折減系數(shù)[5-7]在長春典型以粉質(zhì)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(xù)與該工程類似環(huán)境的施工提供指導(dǎo)。由于影響因素過多,選取對基坑變形影響最大的三個參數(shù),分別為粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及彈性模量E,不同學(xué)者研究的折減系數(shù)下數(shù)值模型開挖至基底的水平位移與監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yīng)選取未受影響的開挖至-3.8 m處的位移以及后續(xù)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(xù)變形相加才能與監(jiān)測數(shù)據(jù)相符。

圖9 不同參數(shù)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(jié)果相較于長春典型以粉質(zhì)黏土為主的地層現(xiàn)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(jié)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(shù)數(shù)值模型水平位移偏小;(c)折減后的數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)影響程度的重要因素;(b)試驗土體的含水率、土體性質(zhì)與該工程相當,但試驗時土體凍結(jié)溫度設(shè)置為-10 ℃,而長春的氣候類型屬于溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)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(zhì)黏土層,其土體性質(zhì)、力學(xué)參數(shù)與該工程類似,且試驗的凍結(jié)溫度為-20 ℃,考慮到凍結(jié)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(shù)均>1,而(b)對于粘聚力c的折減系數(shù)<1,φ與E的折減系數(shù)均>1,而(c)的各個參數(shù)的折減系數(shù)均<1,具體參數(shù)折減系數(shù)見表4。不難看出基坑變形受凍融循環(huán)的影響程度主要是這三者耦合產(chǎn)生的結(jié)果,但這三者對于該工程樁錨式基坑支護受凍融循環(huán)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(guān)重要。

表4 折減系數(shù)

3.2 土體力學(xué)參數(shù)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(chǎn)生的摩阻力提供,而摩阻力與土體的剪切特性有關(guān),即當土體與剪切特性有關(guān)參數(shù)受到凍融循環(huán)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(guān)參數(shù)對樁錨支護結(jié)構(gòu)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(nèi)摩擦角φ(-10%～10%)和彈性模量E(-10%～10%)的不同參數(shù)變化下樁錨支護結(jié)構(gòu)基坑開挖水平位移變形特性進行研究。土體粘聚力c、內(nèi)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(jié)構(gòu)其他參數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)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(nèi)摩擦角φ以外的其他參數(shù),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(nèi)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(jié)合圖10可知,出現(xiàn)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(yīng)力提供的,其切應(yīng)力的變化符合切應(yīng)力公式τ=σtanφ+c。

圖11 內(nèi)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(nèi)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(xiàn)與圖11相同的情況,而是出現(xiàn)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(jié)論

以吉林大學(xué)第一醫(yī)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(shù)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(jié)構(gòu),經(jīng)分析基坑開挖后凍融循環(huán)對長春典型粉質(zhì)黏土為主的土體結(jié)構(gòu)以及基坑支護變形的影響,結(jié)論如下:

4.1 對于以粉質(zhì)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(jīng)過一次凍融循環(huán)后,對土體粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E進行一定系數(shù)折減能有效地反映及預(yù)測其受凍融循環(huán)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(jié)構(gòu),受凍融影響的土體參數(shù)改變后對基坑支護變形影響最大的是內(nèi)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(shù)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。