吳 忠 鑫，苗 勝 軍，隋 智 力，劉 澤 京

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083； 2.北京城市學院 城市建設學部，北京 100083)

0 引 言

中國是世界上凍土分布最多的國家之一，凍土面積占全國陸地總面積的2/3[1]。凍結過程中巖土體體積膨脹，內(nèi)部結構破壞，物理力學性質(zhì)發(fā)生改變?；油馏w在越冬期會產(chǎn)生水平凍脹力，水平凍脹力的大小對基坑圍護結構設計以及保證基坑的安全穩(wěn)定具有重要影響。

為探究越冬期基坑變形及水平凍脹力的變化規(guī)律，學者們從試驗測試、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方面開展了大量研究。在試驗測試方面：王文順等[2]進行了多次大規(guī)模凍融試驗，研究了不同系統(tǒng)下溫度場的變化情況。姚直書等[3]通過相似模擬試驗研究了深基坑凍土墻模型，給出了凍融過程中凍脹力的變化趨勢。汪仁和等[4]采用一種自主開發(fā)的凍土凍脹試驗機對土體側向凍脹規(guī)律進行了研究，總結了多圈環(huán)形人工凍結壁溫度場和應力場的變化規(guī)律。邢爽等[5]通過室內(nèi)凍脹試驗探究了土體溫度變化對凍脹力、凍脹位移的影響。李巖等[6]總結了不同最低溫度和凍結鋒面位置下豎向直排凍結方式水平凍脹力的變化規(guī)律。Yu等[7]通過試驗提出柔性支擋結構可以降低凍脹力對基坑的影響。王建州等[8]通過物理相似模型試驗，分析了越冬深基坑凍脹力在凍融過程中的變化特性。

在數(shù)值模擬方面：楊更社等[9]采用有限元軟件模擬了凍土深基坑施工開挖過程，得出基坑變形與溫度和凍土圍護墻厚度之間的關系。李寶花等[10]推導了凍土墻越冬期溫度場和應力場的耦合微分控制方程。黃建華[11]針對凍土凍脹性態(tài)特征進行了分析，探討了卸壓孔的卸荷作用對水平凍脹力的影響。耿珂[12]采用ANSYS軟件模擬不同凍融循環(huán)條件下基坑的凍脹力大小，分析了溫度場與凍脹力之間的關系。孫超等[13]分析了溫度對樁體水平凍脹力大小和分布模式的影響。王紹君等[14]采用ABAQUS軟件對內(nèi)支撐式支護結構體系凍脹變形進行了分析。劉守花等[15]模擬了熱對流和熱傳導對越冬基坑凍脹的影響，總結了基坑溫度場的分布規(guī)律。

在現(xiàn)場監(jiān)測方面：Don等[16]對越冬期基坑擋土墻的土壓力進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)冬季時的土壓力是其他季節(jié)的5～7倍。謝欣等[17]對越冬期基坑側壁樁間的氣溫、土溫和水平土應力進行了監(jiān)測，分析了樁間土體不同階段的應力變化規(guī)律。高鵬飛等[18]對包頭某越冬基坑進行了現(xiàn)場監(jiān)測，探究了越冬時基坑位移和錨桿軸力的變化規(guī)律。崔高航等[19-20]對哈爾濱市季凍區(qū)某越冬深基坑進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，歸納了坑壁的變形特征。趙春生等[21]結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基坑地下連續(xù)墻在凍融過程中的應力變化可達正常氣溫條件下的3～5倍。

綜上所述，學者們通過試驗測試、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測等方法分析了水平凍脹力對基坑水平位移和圍護結構變形的影響，并探究了水平凍脹力的產(chǎn)生機理，但鮮有文獻研究不同基坑施工條件對水平凍脹力的影響程度。為此，本文以哈爾濱地鐵3號線會展中心站基坑為依托，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，結合多因素分析結果探究不同因素對基坑水平凍脹力的影響，獲得各因素對水平凍脹力影響的敏感性，研究成果可為相似基坑工程凍脹災害的防治提供參考。

1 工程概況

哈爾濱地鐵3號線會展中心站基坑全長190.2 m，基坑開挖寬度為22.7 m，深度為20.2 m。設計采用“圍護樁+內(nèi)支撐”的圍護結構形式。如圖1所示，基坑內(nèi)部設置4道Φ609、t=16鋼支撐，支撐水平間距為3.8～6.0 m，由于支撐跨度較大，為穩(wěn)固支撐，在支撐中部設置工具柱和Φ1 000 mm、L=8.5 m的基礎樁。圍護結構采用Φ800 mm@1 200 mm、L=27.2 m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁間掛設鋼筋網(wǎng)并噴射C25混凝土。

圖1 基坑車站圍護結構橫剖面(尺寸單位：mm)

該工程地層分布主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂及粗砂，未見不良地質(zhì)，地表上覆人工填土的厚度約為1.0～1.5 m。具體的地層分布見表1。

表1 土層分層信息

哈爾濱市處于典型的季節(jié)性凍土區(qū)，冬季凍結時長190 d，平均氣溫-19.7 ℃，最低值-41.4 ℃，具體溫度變化見表2?；又苓呁馏w的標準凍結深度可達到2.0～2.1 m，巖土層凍脹等級為Ⅰ級不凍脹至Ⅳ級強凍脹。

表2 哈爾濱冬季平均氣溫

2 基坑凍脹數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為分析越冬期基坑水平位移和水平凍脹力的變化規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值軟件，應用劍橋模型進行凍融模擬。模型物理參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場土層信息進行設置?；幽Ｐ鸵妶D2。

圖2 基坑整體模型示意

選取10月中旬到次年1月中旬的平均氣溫對基坑進行凍脹模擬，具體溫度變化見圖3，采用二次多項式進行擬合，擬合公式如下：

圖3 10月中旬至次年1月中旬氣溫變化

T=0.0021d2-0.4937d+6.7482

式中：T為溫度，d為天數(shù)。

2.2 越冬基坑溫度變化分析

不同時間的基坑溫度場計算結果如圖4所示。由圖4可知：土體溫度場整體呈軸對稱分布，地表溫度在11月5日達到了-2 ℃，基坑外的土體首先凍結，此時的凍結深度約為0.2 m；基坑坑底和側壁的溫度仍處于0 ℃以上，土體尚未發(fā)生凍結。至12月5日，基坑坑底和側壁溫度分別達到了-1.5 ℃和-5 ℃，坑底土體開始凍結，此時地表的凍結深度約為-1.2 m，基坑側壁的凍結深度約為-0.3 m。隨著基坑土體表面溫度不斷降低，凍結深度不斷增大，但坑內(nèi)土體凍結深度要小于坑外土體。至1月15日，土體表層溫度達到了最低，此時地表溫度為-20.6 ℃，基坑側壁溫度為-13.5 ℃，基坑底部溫度為-7.9 ℃，地表的凍結深度為2.2 m，基坑內(nèi)部的凍結深度為1.3 m。

圖4 不同時間溫度場云圖

1月15日不同深度的土體溫度曲線如圖5所示。由圖5可知：在基坑越冬期，最低溫度位于地表，隨著深度的不斷增加，溫度呈線性增長，在達到基坑底部時，由于導熱系數(shù)和空氣不同，溫度變化突然出現(xiàn)轉折并急劇上升，當深度達到-25 m左右時，土體溫度共計升高到10 ℃左右，此處溫度接近土體初始溫度，隨著深度的繼續(xù)增加，土體溫度基本趨于穩(wěn)定，在達到12 ℃時溫度不再發(fā)生變化。這是由于土體內(nèi)部的溫度受地表氣溫和深層土體溫度共同影響，在淺層區(qū)域，土體溫度主要受地表溫度影響；隨著土體深度的增加，地表溫度的影響減小，深層土體溫度的影響開始增大，土體內(nèi)部的溫度逐漸與深層土體的溫度趨于一致。

圖5 1月15日不同深度土體溫度

2.3 水平凍脹位移分析

圖6為越冬期間基坑土體水平位移云圖。由圖6可知，隨著氣溫的降低，土體凍結程度加深，導致基坑側壁的水平位移隨著時間的推移不斷增大。10月份基坑側壁的變形較小，最大水平位移約為3 mm；11月到12月份由于溫度大幅降低，側壁出現(xiàn)了較大的變形，最大位移達到16 mm；1月份溫度降至最低，但凍脹過程基本完成，側壁水平位移逐漸平緩。在凍脹過程中，基坑側壁的水平位移分布均隨基坑深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于靠近基坑上部土體的凍脹應力可以向地面釋放，減小了水平方向上的位移，基坑中部土體在垂直方向上受到約束，導致水平位移增加，而靠近基坑底部的土體溫度相對較高并且受基底土體的約束，故變形較小。

圖6 不同時間基坑水平位移云圖

選取基坑側壁中部和邊角截面進行分析，不同深度下側壁水平位移變化如圖7所示。接近地表位置水平位移較小，從地表開始到7 m深的位置處，側壁水平位移隨著深度的增加急劇增大，隨后變形增加幅度減小，在8 m左右的位置，側壁水平位移達到最大。中部與邊角的最大水平位移分別為19.8 mm和14.6 mm，這是由于邊角位置受到臨邊影響，支撐效果較好，所以位移偏小。隨深度增加，側壁位移開始減小，當?shù)竭_基底時，基坑側壁的水平位移最終穩(wěn)定在3 mm左右，這是由于基坑底部和底板對側壁的約束作用導致的?；舆吔呛椭胁课恢米冃我?guī)律一致，但由于邊角側壁土體的推擠作用，導致其水平位移遠小于基坑中部。

圖7 側壁水平位移隨深度變化

選取基坑側壁中部最大水平位移點進行分析，繪制不同時間下側壁水平位移變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著時間的增加，水平位移整體呈現(xiàn)上升趨勢。其中在10月15日到11月5日期間，水平位移的上升趨勢較為緩慢，因為該時間段是土體發(fā)生凍脹的初始階段，溫度對土體的影響較小，基坑基本穩(wěn)定。11月5日后土體凍脹現(xiàn)象加快，隨著溫度的降低，基坑側壁的水平位移開始快速增大。到了1月5日，水平位移的增大趨勢減緩，逐漸趨于水平，水平位移達到最大，約為19.8 mm。這時基坑周邊土體已經(jīng)基本完成凍結，凍結深度變化緩慢，基坑趨于穩(wěn)定。

圖8 基坑側壁最大水平位移隨時間變化

2.4 水平凍脹力分析

對基坑側壁水平凍脹力進行研究，選取基坑側壁中部截面，繪制不同深度下基坑水平凍脹力變化曲線如圖9所示?；觽缺谒絻雒浟咏乇砦恢盟絻雒浟^小，從地表到8 m深的位置，基坑水平凍脹力呈增加趨勢，這是由于基坑土體對水平凍脹力的釋放產(chǎn)生了約束效果。隨著深度增加，上部土體的約束變大，水平凍脹力隨之增大。隨后，水平凍脹力呈波動趨勢，并逐漸減小，隨基坑深度的增加，側壁溫度逐漸升高，導致側壁下部的水平凍脹力出現(xiàn)一定回落趨勢。而基坑底部水平凍脹力則突然增大，基底受到土體約束，其側壁變形較小，水平凍脹力無法釋放從而急劇增大。在基坑圍護結構和鋼支撐加固位置，基坑水平凍脹力出現(xiàn)突然增大現(xiàn)象。

圖9 基坑側壁水平凍脹力隨深度變化

根據(jù)JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》要求，凍土地區(qū)基坑水平凍脹力設計值為200 kPa，在模擬結果中可以發(fā)現(xiàn)部分位置水平凍脹力已經(jīng)超出規(guī)范設計值，坑底最大值甚至達到了291.4 kPa，遠超規(guī)范設計標準。為保證基坑施工過程安全穩(wěn)定，需要對基坑水平凍脹力及其影響因素進行研究，以探尋適合季凍區(qū)基坑越冬的施工措施。

3 水平凍脹力影響因素分析

3.1 模擬試驗設計

水平凍脹力的大小受到多種因素影響。劉炳宇等[22]的研究表明，越冬期間對水平凍脹力變化影響較大的因素包括冷端溫度、降溫時長和圍護樁剛度等。本文通過模擬試驗探究各因素對基坑水平凍脹力影響的敏感性。參考現(xiàn)場實際工況選取不同參量水平，建立三因素三水平的正交試驗方案如表3所列。運用FLAC3D進行基坑越冬模擬，分別設置9種不同參數(shù)的工況，得到模擬結果見表4。

表3 正交模擬試驗設計

表4 正交模擬試驗模擬結果

不同工況下水平凍脹力隨基坑深度變化規(guī)律見圖10。不同工況下基坑水平凍脹力變化趨勢基本保持一致，隨著基坑深度的增加，水平凍脹力從地面開始逐漸呈現(xiàn)增大趨勢。在達到8 m深左右，水平凍脹力不再繼續(xù)增大，而是出現(xiàn)波動；當達到14 m時，水平凍脹力出現(xiàn)小幅度減小，最后在基坑底部突然增大。水平凍脹力最大值均出現(xiàn)在基坑底部，不同工況下最大水平凍脹力值為318.0 kPa。為獲得不同因素的敏感性，應用方差分析和極差分析進一步研究各因素對水平凍脹力的影響。

圖10 基坑側壁不同工況水平凍脹力變化

3.2 方差分析

根據(jù)數(shù)值模擬結果，由方差分析確定不同因素對水平凍脹力影響的顯著性，如表5所列。采用F檢驗法對影響水平凍脹力的因素進行檢驗，冷端溫度、降溫時長、圍護樁剛度的F值分別為142.61，16.39，5.09，冷端溫度F>F0.01(2，2)，降溫時長F

表5 方差分析

不同因素對水平凍脹力的影響曲線如圖11所示。冷端溫度的影響程度曲線起伏最大，最大凍脹力在冷端溫度的影響下增幅達到156.5%，降溫時間和圍護樁剛度的影響程度曲線則較小，水平凍脹力的增幅僅為27.6%和13.2%。這說明冷端溫度是影響水平凍脹力大小的關鍵因素，為使水平凍脹力在基坑越冬期滿足規(guī)范要求，應優(yōu)先考慮通過保溫措施改變冷端溫度。

圖11 不同因素影響程度

3.3 極差分析

不同因素對水平凍脹力影響顯著性的極差分析結果如表6所列。冷端溫度、降溫時間和圍護樁剛度的極差分別為144.27，48.10，25.57。由此可見，在試驗范圍內(nèi)，各參數(shù)對試驗指標的影響從大到小的順序為冷端溫度、降溫時間、圍護樁剛度，且冷端溫度對水平凍脹力的影響遠大于降溫時間和圍護樁剛度，這一結果與方差顯著性分析結果吻合。

表6 極差分析

根據(jù)正交模擬試驗結果可知：冷端溫度-6 ℃、降溫時長30 d、圍護樁剛度300 MN·m2為模擬結果中的最優(yōu)工況。通過模擬得出該水平下最大水平凍脹力為122.1 kPa。另外，結合模擬結果，當滿足冷端溫度高于-13 ℃時，可保證基坑最大水平凍脹力在規(guī)范設計值200 kPa以內(nèi)，即應優(yōu)先通過設置一定保溫措施，使基坑內(nèi)部處于較高溫度，以降低水平凍脹力對基坑的影響，從而保證基坑越冬期的穩(wěn)定和安全。

依據(jù)正交模擬試驗結果，采用棉氈和暖風炮對該越冬基坑進行保溫處理，并對基坑側壁中部及邊角處的棉氈進行了加厚處理，以保持越冬期間基坑內(nèi)部處于較為安全的溫度。在越冬期間，對基坑進行監(jiān)測，圖12為基坑側壁中部截面監(jiān)測結果與模擬工況6的水平位移對比圖?；觽缺谡w變形規(guī)律與模擬結果較為一致，水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。最大水平位移位于基坑10 m深處，約為13 mm，與工況6模擬結果相比，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變形更小?，F(xiàn)場的保溫措施極大地提高了基坑側壁的溫度，減弱了側壁水平凍脹力對基坑的影響，降低了基坑越冬期的凍脹變形量，保證了基坑越冬期間的安全與穩(wěn)定。

圖12 側壁水平位移對比

4 結 論

本文結合工程實例，對哈爾濱地區(qū)超深基坑越冬期進行數(shù)值模擬、正交模擬試驗分析以及現(xiàn)場監(jiān)測，得出以下結論：

(1) 模擬結果顯示越冬期基坑側壁最大水平位移約為20.3 mm，位于基坑中部偏上位置；基坑最大水平凍脹力為291.4 kPa，位于側壁和底部交會位置。水平凍脹力變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小最后在基底處突然增大的規(guī)律，并且在基坑中部和底部均超出規(guī)范允許值，存在一定安全風險。

(2) 針對基坑水平凍脹力的不同影響因素，設計了正交模擬試驗，其影響結果為冷端溫度>降溫時長>圍護樁剛度。結果表明，冷端溫度對水平凍脹力的影響要遠大于降溫時長和圍護樁剛度。為保證基坑安全，應優(yōu)先考慮采取相應保溫措施提高基坑內(nèi)部溫度。另外通過模擬可知，當冷端溫度高于-13 ℃時即可滿足規(guī)范要求，通過保溫措施降低凍脹對基坑側壁的影響為最優(yōu)方案，可極大增強基坑的穩(wěn)定性。

(3) 結合正交模擬試驗結果以及現(xiàn)場工程條件，對越冬期基坑采用棉氈和暖風炮進行保溫處理，并對基坑側壁中部及邊角處的棉氈進行加厚。實際監(jiān)測的側壁水平位移最大值為13 mm，現(xiàn)場保溫效果良好，保證了基坑越冬期間的安全穩(wěn)定。