综合管廊基坑边坡土体冻融对基坑稳定性的影响

霍俊晨 徐杨宝

摘 要：冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有地下冰，与其他土体介质有本质的区别。由于冻土而造成的工程灾害主要是冻胀和融沉。本文结合赤峰地下综合管廊工程，通过对原状土基坑冻融作用的计算与基坑土钉支护的抗力分析结果对比，得出在北方地区，已开挖基坑可通过土钉支护的形式抵抗越冬冻融作用对基坑稳定性的影响。

关键词：冻融作用；抗剪强度；基坑；土钉；喷射混凝土；稳定性

中图分类号：TU473 文献标志码：A

0 引言

赤峰中心城区综合管廊工程位于内蒙古赤峰市，属于中温带半干旱大陆性季风气候区。大部地区年平均气温为0 ℃～7℃，最冷月（1月）平均气温为-10?C左右，极端最低气温-27?C。基坑开挖深度为7m，其中下边坡坡率1∶1，高度5.4m，支护形式采用土钉支护，厚度8cm。

赤峰市地处大兴安岭南段和燕山北麓山地，分布在西拉沐沦河南北与老哈河流域广大地区，呈现多山多丘陵的地貌特征，本工程位置地质条件变化较小，工程区域内大面积存在湿陷性黄土，底部持力层为圆砾；因地处北方，四季分明，气温变化较大，允许工程施工的时间均集中在4月～10月份，由此导致部分管廊基坑处于暴露状态，经历外界环境的冻融循环过程，造成土体性质改变，对于基坑的稳定性、基坑支护措施的加固作用产生不同程度的影响。

赤峰中心城区综合管廊在结构混凝土施工完成后，因外墙防水涂层未明确，导致基坑无法回填，本文就暴露的基坑土钉支护是否能够抵抗边坡土越冬冻融应力产生的破坏，现做如下探讨。

由于季节交替，所以在寒冷地区施工都会涉及土的冻胀和融沉的问题。不论是冻胀或是融沉，都会影响原状土的物理力学性能，土在冻融后，其干密度、塑性指数、密度会有所降低，内摩擦角、液性指数、孔隙比会有所增大，无侧限抗压强度及灵敏度都会有较大幅度降低，而且黏土冻融后，渗透性也会大大增加。

1 研究内容及方法

1.1 研究内容

以现场用作管廊基坑回填的原状土（粉质黏土）作为试验对象，进行室内冻融循环试验，通过对其冻融后的抗剪强度参数c、φ值的变化以及对土钉支护锚固效果的影响进行研究，包括如下内容：

（1）根据实验数据确定不同温度变化范围内和不同冻融次数下，試验土体黏聚力c和内摩擦角φ值的变化规律。

（2）推理出不同温度变化范围t及不同冻融次数n与试验土体黏聚力c和内摩擦角φ的关系公式，以及温度变化范围t及冻融次数n与土钉抗力T的计算公式。

（3）分析不同温度变化范围和不同冻融次数下，试验土体黏聚力c和内摩擦角φ值改变对深基坑土钉锚固效果的影响。

1.2 研究方法

本文选择冻融温度变化范围和冻融次数为影响因素，冻融循环温度变化范围选择3组：分别为：-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°；冻融循环次数选择两组，分别为：5次、10次，进行室内冻融试验和剪切试验。

2 土样试验验证情况

在深基坑支护结构设计中土的抗剪强度是非常重要的参数，其土体的剪切破坏抵抗能力将直接影响到基坑边坡的稳定性、基坑支护结构的有效性，对于确定安全、可靠的基坑支护措施至关重要。

土的抗剪强度主要由土体黏聚力和土体内摩阻力两个力学指标所决定，可由库仑定律表达式计算确定：

τ=σtanφ+c （1）

式中：

τ为土的抗剪强度，kPa；

σ为滑动面上法向应力，kPa；

c为土的黏聚力，kPa（对于黏性土，c不为0，对于砂土，c为0）；

φ为土的内摩擦角（°）。

2.1 试验土样物理参数

根据《赤峰市中心城区综合管廊小新地组团地质勘察报告》，选用土样为地勘报告中③1层粉质黏土，褐黄色，土质均匀，含钙质条纹、云母，可塑～坚硬状态。项目所送检土工击实报告截图如图1所示。

根据上述土样土工击实试验报告（图1）显示，当含水率接近13.3%时，土体达到最大干密度，此时土的黏聚力接近最大值，其他相关技术指标见表1。

2.2 冻融循环试验

将试验土样放入冻融机内，在3组不同温度变化范围（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）内进行冻融试验，分别在完成5次、10次冻融后取出两组（每组12个）试样进行剪切试验；

剪切试验采用固结快速不排水法进行，分析确定冻融前、后试验土样的黏聚力c和内摩擦角φ的变化，同一组试样在不同轴向压力σ（100kPa；200kPa；300kPa；400kPa）下剪切，得到不同轴向压力相对应的抗剪强度τ，根据公式（1）绘制σ～τ关系曲线，如图2所示。

表2为各组试样进行剪切试验后，所测定的黏聚力c和内摩擦角φ值，见表2。

根据上述试验数据统计结果显示：

（1）在不同的冻融循环温度变化（-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°）范围内，粉质黏土经过同等次数的冻融作用后，其黏聚力c值、内摩擦角φ值存在极显著性差异。

（2）在相同冻融循环温度变化（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）范围内，粉质黏土经不同次数（5次、10次）冻融作用后，其黏聚力c值、内摩擦角φ值存在极显著性差异。

通过表2的c值、φ值，绘制出粉质黏土在不同温度变化范围内经相同次数冻融作用后的c值和φ值的变化曲线，如图3、图4所示。

经相同次数冻融作用后试验数据表明：试验土样的粘聚力c值和内摩擦角φ值是随温度降低而增大，主要原因为随着温度的不断降低，土体内含冰率增大，土颗粒与冰晶产生胶结，使得土体的抗剪强度逐步增大。

不同次数冻融作用后数据显示：试验土样的黏聚力c值和内摩擦角φ值随着冻融循环次数的增加而减小，主要原因为反复冻融循环使得土体向着新的稳定状态发展，抗剪強度特性参数也趋于稳定。

通过表2 的c值、φ值，绘制粉质粘土在相同温度变化范围内，经不同次数冻融作用后黏聚力c值和内摩擦角φ值的变化曲线，如图5、图6所示。

根据关系曲线显示，在相同冻融循环温度变化范围（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）内，试验土样的黏聚力c值和内摩擦角φ值随着冻融作用次数的增加而减小，主要原因为反复冻融循环作用导致土体含水量增大，干容重减小，而土中的水分在结冰过程中体积增大，所产生的膨胀应力扩展了土颗粒间的间隙，减少了土颗粒之间的接触面积，造成冻土的孔隙率增大，导致其黏聚力及内摩擦角减小。

3 冻融循环后土钉锚固效果分析

3.1 土钉支护结构

根据赤峰中心城区综合管廊小新地组团基坑支护结构设计图显示，本工程所设计的基坑支护主要由边坡土钉加固与挂网喷射混凝土面层组成，如图7所示。

3.1.1 土钉

本工程中土钉为成孔注浆型土钉。注浆材料为水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比为0.45，注浆压力均为0.4 MPa～0.6MPa，注浆采用底部注浆法。土钉与水平夹角为20°。

3.1.2 喷射砼面层

边坡采用C20喷射混凝土护坡，面层厚度及钢筋网配筋详见图8，钢筋单层双向布置，土钉与网筋外的加强筋焊接。

3.1.3 土钉支护原理分析

根据设计计算，土钉钻孔深度应穿透土体滑裂面，土钉长度与钻孔深度一致，深入土体滑裂面后方，在土钉安装完成后，采用压力注浆进行锚固，使土体、浆液、锚杆形成一个整体进行受力；当边坡面层产生滑移的趋势时，土体与浆液、浆液与锚杆间的摩擦力将阻止周边土体产生移动。

3.2 土钉抗拔承载力检测

依据设计提供的土钉抗拔承载力检测值表见表3。

假设土钉的摩擦力（或剪应力）沿土钉长度均匀分布，采用下式计算土钉剪切面处的剪应力：

τ==σvtanφ+c （1）

式中：T为顶端抗拔力，kN；

D为土钉与浆体的复合直径，cm；

L为土钉长度，cm；

σv为土钉平均深度处垂直应力，kPa；

c为土的黏聚力，kPa；

φ为土的内摩擦角，°。

3.3 冻融循环作用对土钉锚固的影响

由公式（1）可知：

T=πDL（σvtanφ+c） （2）

根据公式（2）可计算出粉质黏土在不同冻融循环温度变化范围及不同次数冻融作用下其顶端抗拔力的大小，相关数据见表4。

说明：根据图纸提供数据取值，D=12cm；第一道土钉L=950cm，第二道土钉L=650cm，第三道土钉L=500cm，第四道土钉L=500cm；σv=65kPa。

由表4数据可以得出，相同冻融循环温度变化范围内，T5>T10；相同次数冻融作用下，T（-25°～25°）>T（-15°～15°）>T（-5°～5°）；计算抗拔力均远大于设计要求抗拔承载力，基坑支护措施满足设计要求，基坑越冬处于安全状态。

结论

（1）开挖土层为粉质黏土的基坑受冻后，随着温度的不断降低，土体自身抗剪强度特性参数不断增大，有利于基坑边坡的稳定。

（2）开挖土层为粉质黏土的基坑经过反复冻融作用，土体自身抗剪强度特性参数随着冻融次数的增加而减小，但最终会趋于稳定，但多次反复冻融不利于基坑边坡的稳定。

（3）基坑支护采用土钉+挂网锚喷支护时，土钉与土体之间的锚固作用会随着冻融循环次数的增加而减小，随着温度的降低而增加。

（4）结合设计及现场情况计算结果显示，该基坑支护形式经冻融作用后钉端抗拔力会有所变化，但均能满足设计土钉抗拔承载力要求，基坑稳定性及安全性不会受到影响。

参考文献

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[5] JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].