自然冻融条件下深基坑支护结构受力变形试验研究

自然冻融条件下深基坑支护结构受力变形试验研究

0支护结构变形在北方的季节性冻土区，许多深基坑项目面临着冬季寒冷的问题。土体在越冬过程中经历冻融作用后，土体性质发生改变，导致土体强度削弱学者们针对土体冻胀融沉作用下支护结构的变形及破坏做了相关研究。LiuJK等综上所述，数值模拟手段、实际工程监测是用于研究土体冻融对基坑支护结构变形影响的主要方法，前者因模拟参数设置比较单一，与实际基坑施工情况存在很大差异;后者因基坑工程的地域性，各地区基坑施工所遇情况大相径庭，故都在一定程度上限制了对土体冻融与支护结构受力特点的认识。本文以西宁地区为例，采用室外试验的方法，研究西北地区土体冻融与支护结构间的相互作用规律，为此类地区深基坑施工提供一些参考。1室外试验总结1.1基坑支护结构在西宁市城北区某场地内进行深基坑桩锚支护结构室外试验。根据地勘报告可知，该试验场地土质为黄土，土质均匀、松散、欠固结。最大冻土深度为1.32m，通过室内试验测得0.5m至2m范围内地基土的平均天然含水率为12.34%，内摩擦角15°，粘聚力24.87kPa。经综合判定地基土的冻胀类别为Ⅱ类，属弱冻胀土层，平均冻胀率为1%<η≤3.5%。基坑尺寸为:2m×2m×3m，在基坑南面进行支护，支护结构参数如表1所示。基坑采用分步开挖，第一步完成4根支护桩钢筋笼绑扎与6根锚杆相应传感器安装;第二步采用钻孔灌注支护桩，先进行人工钻孔，孔径约200mm，使安装土压力盒的一侧钢筋笼贴近挡土侧，并放入钢筋笼，钢筋笼直径约160mm，最后完成支护桩与冠梁混凝土浇筑;第三步基坑开挖至1m处，在距基坑顶0.5m处布设第一排锚杆，锚杆采用HRB400级钢筋，在确定各排锚杆位置后进行人工钻孔，入倾角为15°，孔径约70mm，并在锚固段绑扎环形支架以确保锚杆锚固段跟土体间有一定空隙，而后利用PVC管对锚固段进行水泥砂浆浇筑，待凝固后对锚杆进行预应力张拉20kN，最后将腰梁与锚杆锚定。其中第一排共3根锚杆，自由段1.5m，锚固段2.5m;第四步开挖至2.8m处，在距基坑顶2m处布设第二排锚杆，自由段与锚固段均为1.5m，其施工方法与第一排锚杆相同;最后开挖至基坑底部3m处。1.2土压力盒支护在基坑支护前侧距坑壁1.4m处分别于0.4m～1.4m竖向深度位置埋布设4个温度监测点，并在基坑坑壁桩间土埋设3个横向温度计。基坑支护后侧竖向0.5m处布设水分计，用以测量土体含水率变化。于支护桩桩身临土侧埋设土压力盒，土压力盒采用绑扎法安装在支护桩钢筋笼一侧，间距为0.5m～0.75m，共7个，监测不同温度下不同深度的土压力值。其中第一排锚杆M1、M2自由段分别间隔0.75m、0.85m，锚固段间隔0.8m布置应变片，共计4个应变片;第二排锚杆M3、M4自由段间隔0.75m，锚固段间隔0.5m布置应变片，共计4个应变片，锚杆上应变片均采用粘贴的方式安装，用于监测锚杆应力随时间的变化值。各测点布置位置详见基坑支护剖面图1。该基坑支护工程开挖工作结束于2019年11月4日，基于西宁地区的气温变化现状，整个基坑支护结构开始实现自然冻融，基坑开挖完成后四周无堆载、卸载等情况发生。试验数据监测自2019年11月12日起，截至2019年12月29日。2发酵时期土体温度变化土体温度变化是实现自然冻融循环的重要因素，其具有明显的时间、空间特征。土体温度受气温变化较为显著，分析气温及土体温度的变化规律是研究土体冻融对桩锚支护结构变形影响的基础。由图2可见，西宁地区于10月下旬其日最低温度逐渐降至0℃以下，后续在整个试验期间气温增减交错，随着时间的变化，温度总体呈下降趋势。土体温度在监测过程中分“骤降、平缓下降、波动下降”三个阶段。10月30日～11月19日土体温度急剧下降，当温度降低至土中水的结晶点时，土体表层开始产生冻结现象，其中0.4m处最低降至-7℃，此阶段突显出温度骤降对土体温度的影响;11月20日～11月28日气温相对稳定，土体温度无明显变化，处于平缓下降阶段，此阶段1.2m处土体温度下降较明显;11月29日～12月29日最低温度持续处于-10℃以下，受最高温度波动的影响，此时土体温度呈波动下降状态，冻融作用持续发生。土体温度是气温、地热、辐射等不同因素相互作用的结果。土体表层与大气相接触，受气温与辐射影响较大，随温度变化，土体与大气间经历热交换过程。温度降低时，土表温度最先降至0℃以下，故0.4m的处土体温度较低于其他三处的土体温度，土体经历反复冻融后，0.4m处土体温度与其他位置处土体温度温差逐渐增大，与1.4m处土体温度最大差值约达12℃。且随着土体深度的加深，土体温度受地热影响较大，受气温影响作用逐渐减弱，因此，基坑0.4m处土体温度受气温变化较敏感，温度降低速率最快，0.8m与1.2m处的土体温度大致趋近。而1.4m处土体温度基本高于0℃，这一特征与最大冻结深度为1.32m相吻合，可见1.4m深度下土体基本无冻胀现象发生。试验中发现最低温度降至0℃以下时，土体温度下降明显，而最低温度处于-10℃至0℃之间时，土体温度差异性较小，当最低温度降至-10℃以下，土体温度开始持续下降，但下降速度缓慢且受最高气温影响变化较为明显，随温度降低，土体温度总体呈下降趋势。可见，土体温度与气温变化呈正相关关系，-10℃与0℃是影响该地区土体温度变化的突变点，土体温度与天气气温变化情况紧密相关。3土体表层冻胀力值试验数据分析在北方季节性冻土区的越冬基坑，支护侧土体会因温度降低在一定深度范围内产生冻胀现象，此时支护结构将受到冻胀力与土压力的双重作用，且冻胀力远大于土压力从图3可以看出，冻胀力自11月12日至12月01日，变化量较小，不同深度冻胀力变化趋势基本一致，此时日最低气温降至零下且持续下降(图2)，土体中的水逐渐开始冻结成冰，土体体积增大不明显，基坑土体冻胀类型属于原位冻胀。因11月30日西宁降雪，积雪厚度约50mm，随后气温回升，地面积雪开始融化成水，水分沿土体孔隙渗透到表层土体内，导致表层土体含水率增大，为土体表层冻结面提供了补给水，12月2日气温骤降至-13℃，由于外界水分迁移与成冰作用导致土体产生分凝冻胀，其与原位冻胀相比变形量较大，故12月3日至5日，0.5m处土体表层冻胀力值骤增，相对增长约78%，且冻胀力与土体含水率变化规律一致，均于12月5日达到峰值(图4)。而12月5日至13日，气温回升，表层冻土体中部分冰晶体融化为液态水，土体体积减小，因支护桩自身具有一定的刚度，土体体积减小使其变形有所回缩，故作用于桩侧的0.5m处冻胀力急剧减小;12月17日后土体中液态水与固态冰达到动态平衡，冻胀力减幅缩小趋于稳定，最终减少为初始值的32%。试验中基坑上部及中部冻胀力值变化较为明显，其他深度冻胀力变化幅度相对较小。其中2.0m处冻胀力初始值趋近于0kPa，究其原因为土压力盒安装误差较大，导致土压力初始值数据突变。土体表层0.5m处冻胀力值变化受多种因素影响，土体含水率的增加，使其在低温作用下冻结现象加剧，是影响土体表层冻胀力值骤变的重要因素。支护桩中部2m处冻胀力值在长期冻胀作用下持续增长，使基坑中部变形增大，故冻胀力导致基坑上部与中部的变形不容忽视。根据冻胀力的大小与分布规律可知冻胀力最大值大都集中在基坑中下部位置，而该试验中冻胀力最大值位于基坑上部，两者存在一定的差异性，可见西北黄土地区土体冻融对基坑上部变形影响甚大，在施工监测中应引起重视。4锚杆应力分析桩锚支护结构中锚杆对支护桩变形起一定的约束作用，维护整个支护结构的稳定性，故可以通过分析锚杆的应力变化情况，来探究土体冻融对支护结构整体安全性的影响。试验中第一排M1、M2锚杆布设在自由段和锚固段的应变片存活率100%，第二排M3锚杆上布设的应变片存活率100%,M4锚杆的锚固段上2m处的应变片损坏，存活率为75%。由图5、图6可知，自11月12日至12月29日间，同一锚杆不同位置的应力值随时间变化趋势基本一致，其中自由段应力值变化趋势较大。从土体温度分布图7可得，土体竖向与侧向温度与土体深度呈反比。在基坑开挖完成后，锚杆自由段所在位置基坑坑壁土体温度相对较低，受侧向冻融作用明显，土体因冻胀作用体积膨胀，腰梁受力增加，拉拔锚杆，而锚杆锚固段所处位置坑壁土体温度较高，受侧向冻融作用影响较小，且与土体存在一定摩阻力，故锚杆自由段变化量较大，应力增大效果更为明显。由于12月11日最低温度降至最低-13℃，土体中水分发生相变，液态水大面积冻结成冰，支护桩后侧土体体积明显增大，使作用于支护桩上的力变大，导致支护桩变形加剧，故第一排M1、M2与第二排M3、M4锚杆应力均达到峰值。对比两排锚杆的应力值可见，第一排锚杆应力最大值为4.3MPa，而第二排仅为3.7MPa，因第一排锚杆位于0.5m处，此位置土体温度相对较低，受竖向与侧向双向冻胀作用，其支护结构内部双向受力，而该地区最大冻结深度约为1.32m，第二排锚杆所在2.0m处已超出该地区冻结深度范围，故第一排锚杆应力略大于第二排锚杆。由于基坑冠梁对支护桩上部变形的约束作用，一定程度上减轻上部锚杆受力，故其应力最终均减小约25%。在经历土体冻融反复作用后，支护桩中部受力逐渐增大，导致基坑中部变形加剧，故下部M3、M4锚杆应力最终增大且M4应力增大约56%。因此，应密切关注各排锚杆自由段与下部锚杆的应力值变化趋势，避免应力过大引发锚杆失效，危害基坑支护安全。5土体温度与锚杆应力通过自然冻融条件下桩锚支护结构室外试验，结合气温变化条件，对土体冻融特性、冻胀力、锚杆应力分别进行研究分析，得到以下结论:1)表层土体温度受气温影响较为显著且降低速率最快，-10℃与0℃是影响土体温度变化的突变点，土体温度随深度增加，其受气温的影响逐渐减弱。2)在自然冻融作用下，气温降低与土体含水率增加等因素，加剧基坑冻胀作用，导致支护结构上部所受冻胀力产生突变，监测时应引起重视。故基坑在季节性冻土区冬季施工时应密切关注降雨、降雪天气，及时清扫基坑周边所覆盖的积水及积雪，防止其给土体表层冻结面提供外部补给水，从而增加土体含水率使土体大面积产生冻胀，导致基坑变形加剧，影响基坑支护安全。3)由土体温度分布图可得，上部锚杆周围土体温度相对较低，受竖向与横向双向冻结作用，故其锚