严寒地区越冬深基坑水平冻胀力影响因素研究

吴 忠 鑫，苗 胜 军，隋 智 力，刘 泽 京

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083； 2.北京城市学院 城市建设学部，北京 100083)

0 引 言

中国是世界上冻土分布最多的国家之一，冻土面积占全国陆地总面积的2/3[1]。冻结过程中岩土体体积膨胀，内部结构破坏，物理力学性质发生改变。基坑土体在越冬期会产生水平冻胀力，水平冻胀力的大小对基坑围护结构设计以及保证基坑的安全稳定具有重要影响。

为探究越冬期基坑变形及水平冻胀力的变化规律，学者们从试验测试、数值模拟及现场监测等方面开展了大量研究。在试验测试方面：王文顺等[2]进行了多次大规模冻融试验，研究了不同系统下温度场的变化情况。姚直书等[3]通过相似模拟试验研究了深基坑冻土墙模型，给出了冻融过程中冻胀力的变化趋势。汪仁和等[4]采用一种自主开发的冻土冻胀试验机对土体侧向冻胀规律进行了研究，总结了多圈环形人工冻结壁温度场和应力场的变化规律。邢爽等[5]通过室内冻胀试验探究了土体温度变化对冻胀力、冻胀位移的影响。李岩等[6]总结了不同最低温度和冻结锋面位置下竖向直排冻结方式水平冻胀力的变化规律。Yu等[7]通过试验提出柔性支挡结构可以降低冻胀力对基坑的影响。王建州等[8]通过物理相似模型试验，分析了越冬深基坑冻胀力在冻融过程中的变化特性。

在数值模拟方面：杨更社等[9]采用有限元软件模拟了冻土深基坑施工开挖过程，得出基坑变形与温度和冻土围护墙厚度之间的关系。李宝花等[10]推导了冻土墙越冬期温度场和应力场的耦合微分控制方程。黄建华[11]针对冻土冻胀性态特征进行了分析，探讨了卸压孔的卸荷作用对水平冻胀力的影响。耿珂[12]采用ANSYS软件模拟不同冻融循环条件下基坑的冻胀力大小，分析了温度场与冻胀力之间的关系。孙超等[13]分析了温度对桩体水平冻胀力大小和分布模式的影响。王绍君等[14]采用ABAQUS软件对内支撑式支护结构体系冻胀变形进行了分析。刘守花等[15]模拟了热对流和热传导对越冬基坑冻胀的影响，总结了基坑温度场的分布规律。

在现场监测方面：Don等[16]对越冬期基坑挡土墙的土压力进行了监测，发现冬季时的土压力是其他季节的5～7倍。谢欣等[17]对越冬期基坑侧壁桩间的气温、土温和水平土应力进行了监测，分析了桩间土体不同阶段的应力变化规律。高鹏飞等[18]对包头某越冬基坑进行了现场监测，探究了越冬时基坑位移和锚杆轴力的变化规律。崔高航等[19-20]对哈尔滨市季冻区某越冬深基坑进行监测和数据统计分析，归纳了坑壁的变形特征。赵春生等[21]结合现场监测数据，发现基坑地下连续墙在冻融过程中的应力变化可达正常气温条件下的3～5倍。

综上所述，学者们通过试验测试、数值模拟以及现场监测等方法分析了水平冻胀力对基坑水平位移和围护结构变形的影响，并探究了水平冻胀力的产生机理，但鲜有文献研究不同基坑施工条件对水平冻胀力的影响程度。为此，本文以哈尔滨地铁3号线会展中心站基坑为依托，通过现场监测和数值模拟，结合多因素分析结果探究不同因素对基坑水平冻胀力的影响，获得各因素对水平冻胀力影响的敏感性，研究成果可为相似基坑工程冻胀灾害的防治提供参考。

1 工程概况

哈尔滨地铁3号线会展中心站基坑全长190.2 m，基坑开挖宽度为22.7 m，深度为20.2 m。设计采用“围护桩+内支撑”的围护结构形式。如图1所示，基坑内部设置4道Φ609、t=16钢支撑，支撑水平间距为3.8～6.0 m，由于支撑跨度较大，为稳固支撑，在支撑中部设置工具柱和Φ1 000 mm、L=8.5 m的基础桩。围护结构采用Φ800 mm@1 200 mm、L=27.2 m钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩间挂设钢筋网并喷射C25混凝土。

图1 基坑车站围护结构横剖面(尺寸单位：mm)

该工程地层分布主要为杂填土、粉质黏土、中砂及粗砂，未见不良地质，地表上覆人工填土的厚度约为1.0～1.5 m。具体的地层分布见表1。

表1 土层分层信息

哈尔滨市处于典型的季节性冻土区，冬季冻结时长190 d，平均气温-19.7 ℃，最低值-41.4 ℃，具体温度变化见表2。基坑周边土体的标准冻结深度可达到2.0～2.1 m，岩土层冻胀等级为Ⅰ级不冻胀至Ⅳ级强冻胀。

表2 哈尔滨冬季平均气温

2 基坑冻胀数值模拟

2.1 模型建立

为分析越冬期基坑水平位移和水平冻胀力的变化规律，采用FLAC3D数值软件，应用剑桥模型进行冻融模拟。模型物理参数依据现场土层信息进行设置。基坑模型见图2。

图2 基坑整体模型示意

选取10月中旬到次年1月中旬的平均气温对基坑进行冻胀模拟，具体温度变化见图3，采用二次多项式进行拟合，拟合公式如下：

图3 10月中旬至次年1月中旬气温变化

T=0.0021d2-0.4937d+6.7482

式中：T为温度，d为天数。

2.2 越冬基坑温度变化分析

不同时间的基坑温度场计算结果如图4所示。由图4可知：土体温度场整体呈轴对称分布，地表温度在11月5日达到了-2 ℃，基坑外的土体首先冻结，此时的冻结深度约为0.2 m；基坑坑底和侧壁的温度仍处于0 ℃以上，土体尚未发生冻结。至12月5日，基坑坑底和侧壁温度分别达到了-1.5 ℃和-5 ℃，坑底土体开始冻结，此时地表的冻结深度约为-1.2 m，基坑侧壁的冻结深度约为-0.3 m。随着基坑土体表面温度不断降低，冻结深度不断增大，但坑内土体冻结深度要小于坑外土体。至1月15日，土体表层温度达到了最低，此时地表温度为-20.6 ℃，基坑侧壁温度为-13.5 ℃，基坑底部温度为-7.9 ℃，地表的冻结深度为2.2 m，基坑内部的冻结深度为1.3 m。

图4 不同时间温度场云图

1月15日不同深度的土体温度曲线如图5所示。由图5可知：在基坑越冬期，最低温度位于地表，随着深度的不断增加，温度呈线性增长，在达到基坑底部时，由于导热系数和空气不同，温度变化突然出现转折并急剧上升，当深度达到-25 m左右时，土体温度共计升高到10 ℃左右，此处温度接近土体初始温度，随着深度的继续增加，土体温度基本趋于稳定，在达到12 ℃时温度不再发生变化。这是由于土体内部的温度受地表气温和深层土体温度共同影响，在浅层区域，土体温度主要受地表温度影响；随着土体深度的增加，地表温度的影响减小，深层土体温度的影响开始增大，土体内部的温度逐渐与深层土体的温度趋于一致。

图5 1月15日不同深度土体温度

2.3 水平冻胀位移分析

图6为越冬期间基坑土体水平位移云图。由图6可知，随着气温的降低，土体冻结程度加深，导致基坑侧壁的水平位移随着时间的推移不断增大。10月份基坑侧壁的变形较小，最大水平位移约为3 mm；11月到12月份由于温度大幅降低，侧壁出现了较大的变形，最大位移达到16 mm；1月份温度降至最低，但冻胀过程基本完成，侧壁水平位移逐渐平缓。在冻胀过程中，基坑侧壁的水平位移分布均随基坑深度的增加呈现先增大后减小的趋势。这是由于靠近基坑上部土体的冻胀应力可以向地面释放，减小了水平方向上的位移，基坑中部土体在垂直方向上受到约束，导致水平位移增加，而靠近基坑底部的土体温度相对较高并且受基底土体的约束，故变形较小。

图6 不同时间基坑水平位移云图

选取基坑侧壁中部和边角截面进行分析，不同深度下侧壁水平位移变化如图7所示。接近地表位置水平位移较小，从地表开始到7 m深的位置处，侧壁水平位移随着深度的增加急剧增大，随后变形增加幅度减小，在8 m左右的位置，侧壁水平位移达到最大。中部与边角的最大水平位移分别为19.8 mm和14.6 mm，这是由于边角位置受到临边影响，支撑效果较好，所以位移偏小。随深度增加，侧壁位移开始减小，当到达基底时，基坑侧壁的水平位移最终稳定在3 mm左右，这是由于基坑底部和底板对侧壁的约束作用导致的。基坑边角和中部位置变形规律一致，但由于边角侧壁土体的推挤作用，导致其水平位移远小于基坑中部。

图7 侧壁水平位移随深度变化

选取基坑侧壁中部最大水平位移点进行分析，绘制不同时间下侧壁水平位移变化曲线如图8所示。由图8可知，随着时间的增加，水平位移整体呈现上升趋势。其中在10月15日到11月5日期间，水平位移的上升趋势较为缓慢，因为该时间段是土体发生冻胀的初始阶段，温度对土体的影响较小，基坑基本稳定。11月5日后土体冻胀现象加快，随着温度的降低，基坑侧壁的水平位移开始快速增大。到了1月5日，水平位移的增大趋势减缓，逐渐趋于水平，水平位移达到最大，约为19.8 mm。这时基坑周边土体已经基本完成冻结，冻结深度变化缓慢，基坑趋于稳定。

图8 基坑侧壁最大水平位移随时间变化

2.4 水平冻胀力分析

对基坑侧壁水平冻胀力进行研究，选取基坑侧壁中部截面，绘制不同深度下基坑水平冻胀力变化曲线如图9所示。基坑侧壁水平冻胀力接近地表位置水平冻胀力较小，从地表到8 m深的位置，基坑水平冻胀力呈增加趋势，这是由于基坑土体对水平冻胀力的释放产生了约束效果。随着深度增加，上部土体的约束变大，水平冻胀力随之增大。随后，水平冻胀力呈波动趋势，并逐渐减小，随基坑深度的增加，侧壁温度逐渐升高，导致侧壁下部的水平冻胀力出现一定回落趋势。而基坑底部水平冻胀力则突然增大，基底受到土体约束，其侧壁变形较小，水平冻胀力无法释放从而急剧增大。在基坑围护结构和钢支撑加固位置，基坑水平冻胀力出现突然增大现象。

图9 基坑侧壁水平冻胀力随深度变化

根据JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》要求，冻土地区基坑水平冻胀力设计值为200 kPa，在模拟结果中可以发现部分位置水平冻胀力已经超出规范设计值，坑底最大值甚至达到了291.4 kPa，远超规范设计标准。为保证基坑施工过程安全稳定，需要对基坑水平冻胀力及其影响因素进行研究，以探寻适合季冻区基坑越冬的施工措施。

3 水平冻胀力影响因素分析

3.1 模拟试验设计

水平冻胀力的大小受到多种因素影响。刘炳宇等[22]的研究表明，越冬期间对水平冻胀力变化影响较大的因素包括冷端温度、降温时长和围护桩刚度等。本文通过模拟试验探究各因素对基坑水平冻胀力影响的敏感性。参考现场实际工况选取不同参量水平，建立三因素三水平的正交试验方案如表3所列。运用FLAC3D进行基坑越冬模拟，分别设置9种不同参数的工况，得到模拟结果见表4。

表3 正交模拟试验设计

表4 正交模拟试验模拟结果

不同工况下水平冻胀力随基坑深度变化规律见图10。不同工况下基坑水平冻胀力变化趋势基本保持一致，随着基坑深度的增加，水平冻胀力从地面开始逐渐呈现增大趋势。在达到8 m深左右，水平冻胀力不再继续增大，而是出现波动；当达到14 m时，水平冻胀力出现小幅度减小，最后在基坑底部突然增大。水平冻胀力最大值均出现在基坑底部，不同工况下最大水平冻胀力值为318.0 kPa。为获得不同因素的敏感性，应用方差分析和极差分析进一步研究各因素对水平冻胀力的影响。

图10 基坑侧壁不同工况水平冻胀力变化

3.2 方差分析

根据数值模拟结果，由方差分析确定不同因素对水平冻胀力影响的显著性，如表5所列。采用F检验法对影响水平冻胀力的因素进行检验，冷端温度、降温时长、围护桩刚度的F值分别为142.61，16.39，5.09，冷端温度F>F0.01(2，2)，降温时长F

表5 方差分析

不同因素对水平冻胀力的影响曲线如图11所示。冷端温度的影响程度曲线起伏最大，最大冻胀力在冷端温度的影响下增幅达到156.5%，降温时间和围护桩刚度的影响程度曲线则较小，水平冻胀力的增幅仅为27.6%和13.2%。这说明冷端温度是影响水平冻胀力大小的关键因素，为使水平冻胀力在基坑越冬期满足规范要求，应优先考虑通过保温措施改变冷端温度。

图11 不同因素影响程度

3.3 极差分析

不同因素对水平冻胀力影响显著性的极差分析结果如表6所列。冷端温度、降温时间和围护桩刚度的极差分别为144.27，48.10，25.57。由此可见，在试验范围内，各参数对试验指标的影响从大到小的顺序为冷端温度、降温时间、围护桩刚度，且冷端温度对水平冻胀力的影响远大于降温时间和围护桩刚度，这一结果与方差显著性分析结果吻合。

表6 极差分析

根据正交模拟试验结果可知：冷端温度-6 ℃、降温时长30 d、围护桩刚度300 MN·m2为模拟结果中的最优工况。通过模拟得出该水平下最大水平冻胀力为122.1 kPa。另外，结合模拟结果，当满足冷端温度高于-13 ℃时，可保证基坑最大水平冻胀力在规范设计值200 kPa以内，即应优先通过设置一定保温措施，使基坑内部处于较高温度，以降低水平冻胀力对基坑的影响，从而保证基坑越冬期的稳定和安全。

依据正交模拟试验结果，采用棉毡和暖风炮对该越冬基坑进行保温处理，并对基坑侧壁中部及边角处的棉毡进行了加厚处理，以保持越冬期间基坑内部处于较为安全的温度。在越冬期间，对基坑进行监测，图12为基坑侧壁中部截面监测结果与模拟工况6的水平位移对比图。基坑侧壁整体变形规律与模拟结果较为一致，水平位移呈现先增大后减小的变化规律。最大水平位移位于基坑10 m深处，约为13 mm，与工况6模拟结果相比，现场监测数据变形更小。现场的保温措施极大地提高了基坑侧壁的温度，减弱了侧壁水平冻胀力对基坑的影响，降低了基坑越冬期的冻胀变形量，保证了基坑越冬期间的安全与稳定。

图12 侧壁水平位移对比

4 结 论

本文结合工程实例，对哈尔滨地区超深基坑越冬期进行数值模拟、正交模拟试验分析以及现场监测，得出以下结论：

(1) 模拟结果显示越冬期基坑侧壁最大水平位移约为20.3 mm，位于基坑中部偏上位置；基坑最大水平冻胀力为291.4 kPa，位于侧壁和底部交会位置。水平冻胀力变化规律呈现出先增大后减小最后在基底处突然增大的规律，并且在基坑中部和底部均超出规范允许值，存在一定安全风险。

(2) 针对基坑水平冻胀力的不同影响因素，设计了正交模拟试验，其影响结果为冷端温度>降温时长>围护桩刚度。结果表明，冷端温度对水平冻胀力的影响要远大于降温时长和围护桩刚度。为保证基坑安全，应优先考虑采取相应保温措施提高基坑内部温度。另外通过模拟可知，当冷端温度高于-13 ℃时即可满足规范要求，通过保温措施降低冻胀对基坑侧壁的影响为最优方案，可极大增强基坑的稳定性。

(3) 结合正交模拟试验结果以及现场工程条件，对越冬期基坑采用棉毡和暖风炮进行保温处理，并对基坑侧壁中部及边角处的棉毡进行加厚。实际监测的侧壁水平位移最大值为13 mm，现场保温效果良好，保证了基坑越冬期间的安全稳定。