季节性冻土区桩锚支护结构水平冻胀演化规律研究

沈宇鹏，王笃礼，林园榕，汤天笑，陈 默

(1.北京交通大学 轨道工程北京市重点实验室，北京 100044；2.中航勘察设计研究院有限公司 技术质量部，北京 100098)

近年来，随着城市地下空间的开发与利用，平面形状复杂多变的基坑数量不断增加，位于季节冻土区的基坑工程经常面临因施工周期长而需要越冬的问题。冬季浅层地表液态水相变成为固态冰，导致土体体积膨胀。土体中的温度梯度使得未冻区中的水分向冻土区迁移并聚集，不断形成冰晶、冰层、冰透镜体等冰侵入体，从而引起土颗粒间的相对位移，这是季节冻土区建筑结构发生冻害的主要原因[1-5]。由于基坑支护一般为临时性工程，在设计中往往很少考虑冻胀的影响，因此存在因冻胀而失稳的隐患。

越冬基坑暴露于寒冷空气中，基坑顶面和侧壁均为散热面，支护结构承受双向冻结作用，这有别于寒区路基结构。目前针对基坑支护结构冻胀现象的研究主要集中在支护结构的水平位移和冻胀力的演化规律等方面。张智浩等[6]对北京某深基坑支护工程进行监测，总结了桩锚支护结构体系的冻胀特征和影响因素。Rui等[7]对预制L型冻土实验墙进行监测，分析其在冻结过程中的变形规律。Zhussupbekov等[8]通过土壤冻胀试验验证了水平冻胀力对支护结构变形的影响，并提出在挡墙设计中应考虑土壤冻胀敏感性的影响。Sun等[9]通过FLAC3D模拟，总结了冻胀作用对支挡结构受力及变形的影响规律。冻结过程中水分迁移引起的分凝冻胀是诱发冻害的主要原因，因此研究冻土的水分迁移机制具有重要意义[10-12]。在水分迁移驱动力的研究方面，Iwata[13]基于Clapeyron方程发现浓度梯度、电位移和压力都是冻结土体发生水分迁移的驱动力。Matsuoka[14]通过监测两个高山斜坡的地温、水分和冻胀特征，结合现场情况提出符合实际工程的水分迁移机理。Yuan等[15]对重塑土进行冻融循环试验，验证了温度梯度引起的土壤水势不同是水分迁移的稳定驱动力。在水分迁移的影响因素方面，张明礼[16]等通过研究铁路路基活动层的水热宏观迁移规律，发现降雨入渗、地表蒸发伴随的液态水和水汽运移对路基表层的水热影响不可忽略。赵国堂等[17]研究不同细颗粒含量下路基粗颗粒填料的冻胀特性，发现冻胀率与细颗粒含量之间呈显著的线性关系。沈宇鹏等[18]在封闭系统条件下对低液限粉土进行了冻胀试验，发现土体含盐量是水分迁移的影响因素之一。

目前针对水分水平迁移的研究成果较少，土体的水平冻胀机理仍不明确，且各因素对水平冻胀力的影响程度尚未量化。本文通过对越冬基坑进行现场试验监测，分析越冬基坑的水分水平迁移规律和冻胀机理，并结合支护结构内力监测结果研究基坑变形和侧向土压力的演化规律，为今后寒区工程支挡结构的设计和施工提供理论支持。

1 工程概况

试验基坑修建场地位于北京市昌平区，该地区位于季节性冻土区，属于温带半湿润季风型气候。最冷的月份为1月，夜间平均气温约为-7 ℃。勘测范围内勘察到两层地下水，第一层埋深1.0～1.1 m，第二层埋深6.5～6.7 m，由粉质黏土层和黏土层隔离。

试验基坑修建地点位于场地的北侧，南北长约6.0 m，东西长约18.0 m，面积约为108 m2。基坑开挖深度为6.0 m，基坑支护深度为10.0 m。

1.1 工程地质条件

根据土体性质不同，试验基坑的天然地层被划分为五个单元层，各土层的分布特征见图1，各土层的物理力学和热力学参数见表1。

图1 地层分布特征(单位：m)

表1 各土层的物理力学和热力学参数

1.2 基坑支护方案

桩锚支护段采用21根钢筋混凝土灌注桩作为护坡桩。自桩顶开始，每隔1.5 m设一道加强筋，加强筋与桩内纵筋全部焊牢。基坑桩锚支护剖面见图2。其中护坡桩、冠梁混凝土强度为C25，钢筋均选用HRB400级钢筋，基坑设计1道预应力锚杆，锚杆锁在工字钢组合腰梁上。护坡桩桩径为400 mm，桩间距为800 mm(基坑外侧的两个桩间距为1 000 mm)；锚杆两种设计参数：①自由度长度L1=5 m，锚固段长度L2=15 m，锁定力为150 kN；②自由度长度L1=8 m，锚固段长度L2=12 m，锁定力为100 kN。

2 测试元件布置方案

为对比分析不同补水条件下基坑冻胀特性的差异，同时为使冻胀效果更加明显，因此在基坑部分区域内通过埋设地下补水管进行补水，把规格为40 mm且经钻孔处理形成环向出水孔(孔径为2.8 mm)的PVC管埋设在距离地表1 m的土壤中，再将PVC管连接水箱实现不间断补水，补水速率约为0.11 m3/h。基坑的监测平面布置见图3。试验设置了以下监测项目：土体温度监测、土体含水率监测、土压力监测、基坑水平位移以及支护结构内力监测。其中，每个土体温度监测点断面设置了三组监测点，分别距离坑壁0.5、1.0、1.5 m；每个土体含水率监测点断面设置了两组监测点，分别距离坑壁0.5、1.0 m；以距基坑54 m的一个地标作为监测基坑水平位移的基准点。

图3 基坑监测平面布置图(单位：mm)

按照不同工况将基坑分为三个区域，见图3，不同监测区域的工况条件见表2。

表2 不同监测工况条件

基坑断面各测试项目及测点布置见图4。

图4 基坑监测布置横断面图(单位：mm)

3 结果分析

为研究基坑在越冬过程中各项监测指标的变化规律，分析基坑的冻胀特性，现场监测由2018年11月开始到2019年3月结束，监测频率为每3天一次。其中工程施工周期为19 d，于2018年11月19日竣工。

3.1 地温变化特性分析

2018年12月至2019年3月天然地表下土体的冻融曲线见图5。由图5可知，天然地表以下土体从2018年12月8日开始冻结，随着时间的进行，冻结深度呈逐渐增加的趋势，并于2019年2月14日达到季节冻结深度1.2 m，随后冻结深度逐渐减小。天然地表以下土体在2019年3月1日以后全部恢复正温，即冻结土体在三月份开始发生融化。不同监测工况的基坑断面温度场见图6。

图5 天然地表以下土体冻融曲线(单位：℃)

图6 不同监测工况基坑断面的温度场等值线(单位：℃)

由图6可知，监测初期，不同工况的土温变化基本相同。季节性冻土区的地温大多高于0 ℃，只有在冻结期间才由地表向下冻结，直至达到季节冻结深度。以0 ℃等温线作为确定土体冻结深度的依据，由于基坑土体同时受到地表和基坑侧壁两个方向散热的作用，加剧了散热过程，监测工况土体的冻结深度明显大于天然地表以下土体的冻结深度。

监测结果表明三个监测工况的地温变化规律相似，因此选取工况1进一步分析不同深度处地温的时程变化规律，见图7。

图7 不同深度处地温随时间的变化曲线

由图7可知，随着深度的增加，外部环境对基坑土体温度的影响逐渐减小，达到深度7 m后，土体温度几乎不受环境气温变化的影响。且基坑土体距离坑壁越远，其温度变化规律与天然地表越接近。

3.2 水分迁移规律分析

监测工况2护坡桩桩间土的含水率变化曲线见图8，为分析土中水分在冻结过程的迁移量，将冻结期间土体含水率与土体初始含水率相减，含水率增加为正值，含水率减小为负值。

图8 工况2不同时间的含水率变化曲线

由图8可知，在整个越冬期，位于冻结区的基坑土体含水率较初始值增大，而位于未冻区的基坑土体含水率较初始值减小。这表明在基坑土体发生冻胀时，下层土体水分不断通过土体孔隙向上迁移，进行补给，即土体中水分从未冻区迁移至冻结区。在负温条件下，非饱和土中的孔隙水发生冻结，产生冰晶体并不断增长，增长的冰晶从周围的水化膜中夺取水分，为了恢复平衡状态，邻近厚的水化膜向薄的水化膜补充水分从而使土中水分不断向冻结锋面迁移。

为对比水平方向土体水分迁移的情况，绘制工况2不同断面的土体含水率变化曲线见图9。

图9 工况2不同监测断面的含水率变化曲线

由图9可知，距基坑坑壁0.5 m的土体含水率明显大于距基坑坑壁1.0 m的土体含水率，表明土体水分从距坑壁较远处向较近处迁移。这是因为越冬基坑是双向传热，近坑壁断面土体温度低于远坑壁土体，相应的水分迁移作用也更强。由此可以看出，基坑土体冻结是由竖向水分迁移和侧向水分迁移共同作用引起的。

为分析温度梯度与水分迁移的内在联系，绘制工况2土体的含水率与温度梯度的关系曲线见图10。

由图10可知，不同深度处基坑土体的水分变化量与温度梯度呈正相关关系，表明温度梯度是诱发水分迁移的重要因素。基坑土体冻结期间，受双向传热的影响，近坑壁的土体表面温度迅速降低，在水平和竖直方向形成温度梯度，促使水分迁移现象的发生，且随着土体温度梯度增大，土体水分迁移量逐渐增加，水分迁移现象更为显著。

图10 工况2土体温度梯度与含水率的变化曲线

3.3 基坑变形分析

3.3.1 桩顶水平位移

不同监测工况的桩顶水平位移变化曲线见图11。

图11 不同监测工况的桩顶水平位移变化曲线

由图11可以看出，整个监测周期桩顶水平位移的变化大致分为四个阶段。

(1)平稳发展阶段：从开始监测至2018年12月上旬，即越冬期的初期，三个监测点的桩顶水平位移变化均很小，最大值约为3 mm，此时土体尚未达到初始冻胀状态，桩顶水平位移的变化由基坑开挖引起。

(2)快速发展阶段：从2018年12月中旬至2019年1月中旬，即越冬期的中期，土体温度迅速下降，桩顶水平位移均开始快速增长，工况1、工况2、工况3的最大桩顶水平位移分别达到40、45、30 mm，此时基坑土体开始发生冻胀，且水平冻胀效果明显。

(3)趋于稳定阶段：从2019年1月中旬至2月末，即越冬期的后期，土体温度保持，桩顶水平位移均开始趋于平稳，其中工况1最大水平位移达到47 mm，工况2达到50 mm，工况3达到35 mm。

(4)位移回落阶段：从2019年3月初开始，即越冬期结束，桩顶水平位移稍有回落，基坑土体冻胀开始融化。

不同时期护坡桩水平位移的变化特征与冻结温度有关。冻结期间，工况2、工况3中监测点的桩顶水平位移分别增大了47、32 mm，可见补水会增大基坑的桩顶水平位移。此外，在桩顶水平位移快速发展阶段，观测到冠梁顶部出现了明显的裂缝，补水条件下冠梁顶部的裂缝宽度大于不补水条件。

经过测量，工况1、2、3冠梁顶部形成的裂缝宽度分别为20、25、14 mm，与上述桩顶位移分析结果对比，可得冠梁顶部形成的裂缝是由于桩顶发生水平位移造成的。

由监测结果分析可以看出，由于受到水平冻胀作用，基坑在冻结期间发生的水平位移较大，且在补水条件下桩顶水平位移和冠梁顶部形成的裂缝宽度均大于不补水条件下的位移和裂缝，因此对越冬基坑进行结构设计时，应考虑土体的水平冻胀作用，设计合理的排水隔水措施，减小土体的水平冻胀作用。此外，监测工况2的监测点位于基坑桩锚支护段中部(9#护坡桩顶端)，监测工况1的监测点位于基坑桩锚支护段两端(6#护坡桩顶端)，若不考虑刚度条件的影响，基坑桩锚支护段中部的桩顶水平位移应远大于两端的桩顶水平位移，但根据监测结果，基坑桩锚支护段中部的桩顶水平位移仅稍大于两端的桩顶水平位移，因此认为刚度条件是越冬基坑桩顶水平位移的重要影响因素，刚度越大的桩锚支护结构对基坑的约束作用越大，基坑水平冻胀变形越小。

3.3.2 护坡桩桩体水平位移

不同监测工况桩体的水平位移变化曲线见图12。

图12 不同监测工况的桩体水平位移变化曲线

由图12可以看出，护坡桩桩体均向基坑内侧变形，且桩体上部的水平位移变化较大，随着深度的增加，桩体的水平位移逐渐减小，从监测开始至2018年12月上旬，桩体的水平位移变化均很小，变化规律类似于桩顶水平位移。由于深度为0.5 m处的桩体水平位移变化最大，为更直观地分析，提取深度为0.5 m处的桩体水平位移进行研究，见图13。

图13 不同监测工况的桩体最大水平位移

由图13可以看出，桩体水平位移在刚进入越冬期时变化较为缓慢，均在5 mm以内，此时水平位移的变化是由基坑开挖引起的。在越冬中后期，由于土体冻胀的影响，水平位移变化迅速增大。三个监测点的桩体最大水平位移分别达到41、48、35 mm，比未冻结时分别增加了39、43、30 mm。但随着时间的增加，增加的速率逐渐减小，在越冬期结束后，位移出现回落。对比工况2和工况3，可以看出冻结期间补水条件下桩体最大水平位移始终大于不补水条件下的位移。

3.4 支护结构内力分析

不同监测工况的锚杆拉力变化情况见图14。由图14可以看出，监测工况1的锚杆初始拉力约为31 kN，在越冬初期变化很小，在整个越冬期最大锚杆拉力达到75 kN；在土体解冻后，锚杆拉力开始迅速下降，直至降至初始值左右。监测工况2的锚杆的初始拉力约为56 kN，在越冬期初期，锚杆拉力基本不变，在冻结期间最大拉力达到100 kN。监测工况3的锚杆初始拉力约为54 kN，在整个越冬期最大锚杆拉力达到68 kN。

图14 不同监测工况的锚索拉力变化曲线

由上述分析可知，补水条件下土体冻胀对桩锚支护段的影响显著增强，因此越冬基坑应采取必要的排水防护措施，防止锚杆失效。此外，800 mm桩间距的桩锚支护段的锚杆拉力明显大于1 000 mm桩间距的桩锚支护段，表明刚度大的支护锚杆对基坑的约束作用更强。

为研究锚索拉力与基坑由水平冻胀引起的位移之间的关系，绘制工况1的桩体最大水平位移变化和锚索拉力变化曲线，见图15。

图15 工况1的桩体最大水平位移和锚索拉力变化曲线

冻结初期，在负温的作用下，水平冻胀力使得桩体最大水平位移明显增加；此时基坑侧壁土体应力重新分布，侧壁出现滑移趋势，逐渐形成潜在滑移面；为了使基坑支护结构稳定，在协调变形的过程中，锚杆会阻碍基坑土体的变形，即对支护结构施加一定的主动作用力，把荷载传递至土层中，此时锚杆与基坑土体共同承受荷载。基坑发生位移会改变锚杆的受力状态，锚杆拉力在这一阶段会随着桩体最大水平位移的增加而增加。冻结后期，由于基坑冠梁处产生裂缝，支护结构对基坑土体的约束作用减小，相应的锚杆拉力也逐渐减小，直到冻结期结束后恢复到初始值左右。

3.5 侧向土压力分析

基坑侧向土压力的变化情况见图16。由图16可以看出，监测工况的基坑侧向土压力值很小，基本小于20 kPa。究其原因，越冬基坑在冻胀作用下发生水平方向的变形，冠梁顶部出现明显的裂缝，导致支护结构对护坡桩桩间土的约束减小，土体应力得到释放。

图16 监测工况2的基坑侧向土压力变化曲线

4 结论

(1)基坑土体冻结由竖向和侧向水分迁移共同作用引起。冻结期间，由于温度梯度的作用引起土壤水势变化，产生水分驱动力并导致土体内部水分迁移。水分从基坑下层未冻区竖向迁移至上层冻结区，从距基坑侧壁较远处水平迁移至较近处，并产生冻胀。

(2)水分迁移引起的基坑水平冻胀作用会使护坡桩桩顶水平位移和桩体水平位移发生变化，从而导致基坑冠梁顶部产生裂缝。不同时期护坡桩水平位移的变化特征与冻结温度有关。

(3)桩体水平位移是影响锚杆拉力的主要因素。冻结初期，锚杆拉力随着桩体最大水平位移的增加而增加；在冻结后期，锚杆拉力随着桩体最大水平位移的减小而减小，直至到冻结期结束后恢复到初始值附近。

(4)基坑土体中水分的补充显著增强水平冻胀作用，导致更大的护坡桩水平位移和冠梁顶部裂缝，应考虑设计合理的排水隔水措施减小土体水平冻胀作用；刚度较大的支护结构对基坑的约束作用更强，能有效限制基坑水平冻胀变形。