冻融循环对长春典型土层深基坑开挖变形及稳定性影响分析①

□□ 任文峰,赵鹏飞,黄 勤,唐晓林 (.中铁七局集团第二工程有限公司,辽宁 沈阳0005;.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 33003)

引言

随着我国城市建设的不断发展,基础设施建设速度也在不断提升。基坑工程作为地下工程建设的基础,其结构安全稳定至关重要。在我国北部地区,季节性气候导致基坑工程存在许多安全隐患,冻融循环作用对基坑等地下工程周边的土体会产生不利影响,从而影响围护结构的安全稳定[1-3]。

近年来,许多国内外学者对冻融循环作用下土体力学特性进行了不同方向的研究。汪仁和等[4]对不同土体进行冻融循环试验得出,土体粘聚力在冻融前后减少20%～35%,内摩擦角降低1%～7%。王永忠等[5]研究指出,对于粉质黏土随着冻融循环次数增加,土体粘聚力不断降低,内摩擦角不断增大。王伯昕等[6]对不同含水率的粉质黏土进行研究得出与王永忠等不同的结论:随着循环次数增加,含水率为18.7%、20.7%与22.7%的粉质黏土粘聚力与内摩擦角均呈下降趋势。刘晖等[7]对含砂粉土进行冻融循环次数的研究指出,粘聚力随循环次数呈现先减后增,内摩擦角与弹性模量先增后减的趋势。Simonsen E等[8]对不同粒径土体进行冻融循环试验发现循环前后土体弹性模量下降20%～60%,粒径越小下降幅度越大。Lee W等[9]对粘性土进行冻融试验得出,其弹性模量降低幅度与土体应变1%时的应力呈正相关。Graham J等[10]通过对粘性土进行三轴试验得出土体割线压缩模量在冻融前后呈增加趋势。LIU J K等[11]对粉砂进行冻融试验研究发现其弹性模量、粘聚力和内摩擦角随冻融次数增加均有不同程度的降低。蒋婷婷等[12]与张建新等[13]研究发现土体弹性模量会随着循环次数增加不断下降。吕晶等[14]研究素土与灰土在不同含水率受冻融循环影响下的规律发现,土的抗压强度随含水率提高与冻融次数提高而降低。

而通过数值模拟软件,许多学者也进行了不同方向的研究。吴丽萍等[15]通过MidasGTS对基坑进行有限元模拟发现冻融循环降低了土体的抗剪强度。邵莹[16]对呼和浩特市某基坑工程进行数值模拟研究得出,深基坑土体温度变化分布特征、水平冻胀力分布规律及冻胀引起土体和支护结构变形的变化规律。杜东宁[17]依托东森CBD商务广场二期基坑工程,模拟冻融循环作用下的温度环境,从而得到基坑支护在冻融循环下的变形特性及内力变化规律。石冬梅[18]通过Plaxis2d软件对桩锚支护基坑开挖进行热-力耦合模拟,分析土体冻胀作用与基坑桩锚支护结构内力与变形之间的关系。

上述土体力学特性受冻融循环影响程度主要来自于有关学者的研究结果,其影响程度与土体本身性质及试验水平有关,在众多结论的基础上通过原位监测数据与数值模拟结合进行反复分析与甄选,以确定适用于长春复杂地层与类似土层受冻融循环影响的参数折减系数,结合吉林大学第一医院地下停车场基坑工程,运用Plaxis2d有限元分析软件建立二维有限元模型,通过监测数据与数值模拟软件结果对比验证模型的合理性,并探究冻融循环对基坑变形及稳定性的影响。

1 工程概况

吉林大学第一医院地下停车场位于该医院南部,工程包括地下商场、餐厅以及停车库。其基坑工程长宽约为175 m×135 m,深度为9.1～16.8～22.5 m的大型基坑,工程总建筑面积为96 281 m2,其平面如图1所示。基坑大部分采用单排装锚索支护,西侧局部与北侧采用双排桩锚索支护形式,桩间钢筋网喷射混凝土;桩为C30混凝土,桩径d为0.8 m,桩间距为1.2 m和1.3 m;锚索采用7Φ5钢绞线,竖向间距为2～2.7 m,横向间距为1.2～1.4 m。

长春市气候为温带大陆性半湿润季风气候类型,冬季漫长且温度低,季节变化明显,由于渤海湿气补充,其雨水条件较好。据相关资料可知,长春市年平均降水量为600～700 mm,主要集中在6～9月,占全年降雨量的70%以上,冰冻期为11月至次年3月,冻土深度为1.7 m,其年平均气温为4.6 ℃,最高温度为39.5 ℃,最低温度为-39.8 ℃。

2 数值模拟分析

2.1 剖面选取及模型计算参数确定

根据工程地勘资料,典型剖面代表该工程基坑区域土层分布及基坑支护布置情况如图2所示,基坑工程3-3剖面现场如图3所示,其土层厚度通过高程进行计算,土层参数通过试验取得,具体参数见表1。

表1 各层土层参数

图2 典型剖面3-3表示基坑土层及结构分布

图3 吉大第一医院3-3剖面现场施工图

2.2 有限元模型建立

采用有限元分析软件Plaxis2d,依据工程情况建立了如图4所示的2维有限元模型。由于基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3～5倍,影响深度为基坑开挖深度的2～4倍,为减小边界效应对基坑开挖的影响,其模型整体大小为110 m×50 m,建立模型时为考虑模型计算精度,土体均采用HSS模型;钻孔桩以及建筑楼板采用板单元模拟,为简便计算钻孔灌注桩支护结构采用等效刚度的原则,将钻孔灌注桩等效为地连墙支护形式,如图5所示,相关参数计算见式(1)和式(2);锚索自由段采用点对点锚杆,锚固段及建筑物下部桩基则采用嵌入桩模拟;整个模型设置边界约束条件,模型网格节点数为42 757个节点,地下水深度设置为-4 m,结构具体参数见表2。

图4 整体模型示意图

表2 结构参数

图5 钻孔桩刚度等效

(1)

(2)

2.3 开挖工况设计

模拟基坑开挖工况结合现场施工工况,将开挖至-20 m与支护步骤分为17步,开挖一步后施工对应深度锚索,如此往复进行。考虑基坑存在初始应力场,且既有建筑物对土体初始应力场的影响,为排除上述因素对基坑变形产生的影响,需在模拟建成建筑物后对基坑位移进行置0。具体工况见表3。

表3 施工工况

2.4 模型适应性分析

由于在基坑开挖过程中,其周围土体的位移及应力场会随施工进度而变化,从而对支护结构产生相应的水平变形,考虑到基坑在开挖第二层前已越冬且经历过一次冻融循环,由于冻融现象会改变土体原有的力学参数,使得数值模型模拟开挖至第二层后变形与监测值无法比较,故选用开挖至-3.8 m时的监测值与模拟结果进行对比,从而验证模型的合理性。基坑开挖至-3.8 m时水平位移云图如图6所示。可以看到位移最大值为-2.2 m处的5.779 mm,由于桩基于-22.3 m处已入岩层,故变形在此深度有一定程度的突变,但变形大致呈“抛物线”状。监测值与模拟结果对比如图7所示。从图7中可以得到二者的整体分布规律相似,监测值为-2.5 m处5.75 mm,与数值模拟结果相当。开挖至基坑底部时模型与监测数据对比如图8所示。图中不同于监测最大位移值的-25.82 mm,模型位移最大值为21.16 mm,这是由于冻融循环导致土体变形相关参数下降,从而导致其变形值增大。因此,通过二者对比可以认为模型能够有效地预测施工过程中围护结构的变形情况,且需找到冻融循环影响土体变形及结构稳定性的相关参数表示方法,进而为现场施工提供指导性建议。

图6 基坑开挖至-3.8 m处水平位移变形云图

图7 监测数据与数值模拟结果对比

图8 开挖至-20 m监测数据与数值模拟结果对比

3 参数分析

3.1 冻融循环作用下土体力学参数折减系数选取

考虑到基坑周围土体受冻融循环影响后力学参数发生一定程度的改变,而土体力学特性受冻融循环影响主要与土体本身性质及基坑支护方式的选取有关,已有学者所确定的折减系数[5-7]在长春典型以粉质黏土为主的土层中适用性还需进一步研究甄选及确定,从而为后续与该工程类似环境的施工提供指导。由于影响因素过多,选取对基坑变形影响最大的三个参数,分别为粘聚力c、内摩擦角φ以及弹性模量E,不同学者研究的折减系数下数值模型开挖至基底的水平位移与监测数据的对比如图9所示。上文提到基坑开挖至-3.8 m时还未受到冻融影响,所以模型在计算总体变形时需对应选取未受影响的开挖至-3.8 m处的位移以及后续工况位移之和,即施工工况中第5步的变形以及受冻融影响的后续变形相加才能与监测数据相符。

图9 不同参数折减下的模型与实测对比

由图9可知,其中(a)与(b)的研究结果相较于长春典型以粉质黏土为主的地层现场情况略显保守,虽然二者在最大水平位移的深度上与实测结果相差无几,但是在最大水平位移的取值上相较于实测值与(c)研究的折减系数数值模型水平位移偏小;(c)折减后的数值模型相较于实测值,其最大水平位移值与实测值相当,但在最大水平位移出现的深度上与实测值的-13.5 m不同,其深度约为-14.4 m。前者出现偏保守的原因可能是由于含水率相较于该工程较小,而含水率是土体受冻融循环影响程度的重要因素;(b)试验土体的含水率、土体性质与该工程相当,但试验时土体冻结温度设置为-10 ℃,而长春的气候类型属于温带大陆性半湿润季风气候,其温度最低可达-40 ℃,相较于-10 ℃偏低;而后者的取样地点为长春的粉质黏土层,其土体性质、力学参数与该工程类似,且试验的冻结温度为-20 ℃,考虑到冻结影响穿过土层表面后会随深度逐渐减小,-20 ℃的取值更为合理。

值得注意的是,图中(a)对于c、φ以及E的折减系数均>1,而(b)对于粘聚力c的折减系数<1,φ与E的折减系数均>1,而(c)的各个参数的折减系数均<1,具体参数折减系数见表4。不难看出基坑变形受冻融循环的影响程度主要是这三者耦合产生的结果,但这三者对于该工程桩锚式基坑支护受冻融循环下的影响程度是不同的。因而分别研究三者对于桩锚式基坑支护变形的影响程度至关重要。

表4 折减系数

3.2 土体力学参数折减分析

由于锚索锚固力的来源主要由锚固体与锚固层界面相互作用产生的摩阻力提供,而摩阻力与土体的剪切特性有关,即当土体与剪切特性有关参数受到冻融循环影响时,锚索锚固力也会随之变化,为探究不同剪切特性有关参数对桩锚支护结构变形特性的影响,选取模型(c)作为研究对象,分别对土体粘聚力c(-20%～20%)、内摩擦角φ(-10%～10%)和弹性模量E(-10%～10%)的不同参数变化下桩锚支护结构基坑开挖水平位移变形特性进行研究。土体粘聚力c、内摩擦角φ以及弹性模量E变化后基坑开挖至基底桩身水平位移随深度变化曲线如图10～图12所示。

图10为保持土体与支护结构其他参数不变,只对土体粘聚力c值进行“减少20%、减少10%、增加10%、增加20%”,再与无变化组进行对比,5组数据均取开挖至基坑底部的桩身水平位移为对比,由于改变c值对基坑变形的影响不明显,故选择的折减参数偏大。从图中也可看出,当基坑开挖至基底-20 m时,支护桩水平位移变形总体随c值增大而减小的,但c值无论是减少还是增加对基坑桩身水平位移的变化影响较小,在减少20%时,其最大水平位移值仅增大6%,在深度0～-5 m水平位移有所增大。

图11与图12则反映出不同于图10的变化曲线,无论是对内摩擦角φ还是对弹性模量E进行变化,其对基坑桩身水平位移的影响都非常大,图11为不改变除内摩擦角φ以外的其他参数,只对φ值取“减少10%、减少5%、增加5%、增加10%”,再与无折减开挖至基坑底的情况做对比。从图中可以看出,当内摩擦角减小时,桩身水平位移急剧增大,在φ减少10%时,其最大水平位移增大了27%,且0～-5 m深度的水平变形极大;而φ增大10%后,其水平位移变形也急剧减小,其幅值为16.4%。结合图10可知,出现这种情况的原因是锚索锚固力值是由锚固体与其周围土体界面之间的切应力提供的,其切应力的变化符合切应力公式τ=σtanφ+c。

图11 内摩擦角φ变化后桩身水平位移图

图12 弹性模量E变化后桩身水平位移图

与内摩擦角做同样处理的弹性模量在减少10%时的变化与图11相似。由图12可知,虽然在减少5%时变形仅比无处理组增大7%,但其在减少10%后,其变形最大值比无处理组增大了21%。值得注意的是,在E值增大5%与10%后,其变形并未出现与图11相同的情况,而是出现与图10类似情况,尽管E值增大后变形略有减少,但幅度并不大。三者对桩身水平位移的影响程度为φ>E>c。

4 结论

以吉林大学第一医院地下停车场工程作为研究背景,采用Plaxis2d有限元软件对基坑进行数值模拟分析,建立2维有限元模型模拟深基坑开挖过程和桩锚支护结构,经分析基坑开挖后冻融循环对长春典型粉质黏土为主的土体结构以及基坑支护变形的影响,结论如下:

4.1 对于以粉质黏土层为主的长春典型土层,当桩锚式基坑工程周围土体经过一次冻融循环后,对土体粘聚力c、内摩擦角φ和弹性模量E进行一定系数折减能有效地反映及预测其受冻融循环下地变形特性,与实测值作比较误差较小。

4.2 对于桩锚式基坑支护结构,受冻融影响的土体参数改变后对基坑支护变形影响最大的是内摩擦角φ,仅小幅度下降就会使基坑桩身水平位移剧增,小幅增大也使桩身水平位移减小程度较为明显;对于粘聚力c增大或减小等比例系数均对基坑桩身水平位移影响程度较小。

4.3 对于土体弹性模量E,其下降幅度较小时桩身水平位移增大程度不明显,但下降幅度增加后使桩身水平位移增大较多,增大E时对桩身水平位移影响不大。