沈阳某越冬桩锚基坑现场冻胀力试验研究

沈阳越冬桩锚基坑现场冻胀力试验研究摘要：本文通过现场试验对水平冻胀力进行研究分析，试验结果表明：水平冻胀力的大小约为20kPa，在冻胀开始阶段水平冻胀力增加很快，随着时间的推移及温度的逐渐降低，其变化速率逐渐减小直至稳定，当温度上升至冰点以上时，冻胀力逐渐减小。对另一个失败工程进行的分析研究，验证了本试验结果的合理性。关键词：试验；水平冻胀力；时间；温度；合理性0引言随着城市的建设发展，建筑基坑的深度以及面积逐渐加大，很多基坑因不能当年回填而需要越冬，随之而来的是冻胀对基坑支护结构的影响问题。目前，国内尚很缺乏对水平冻胀力的大小及其变化规律的研究，本文通过现场试验对其进行研究分析。1.实验方案冻胀的发生与土层性质密切相关，粉质粘土属于冻胀敏感性土，本实验在沈阳某桩锚基坑支护结构外侧粉质粘土层中埋设土压力盒，通过冻胀情况下土压力盒压力的变化反应出水平冻胀力的变化。1.1试验基坑概况试验基坑长92.0m，宽86.0m，坑深21.07m，采用桩锚支护体系，工程地质条件见表1.1-1，支护结构平面图见图1.1-1，支护结构剖面图见图1.1-2。表1.1-1工程地质条件土层名称埋深/m重度/(kN/m³)粘聚力/(kPa)内摩擦角/(°)土层状态杂填土1.818510松散粉质粘土3.619.245.58.3可塑中砂5.518.5031.0密实砾砂18.219036.6中密粉质粘土2019.142.08.1可塑砾砂1019034.6中密图1.1-1支护结构平面布置图图图1.1-2支护结构剖面图1.2土压力盒布置根据基坑周边环境及地层情况，在支护结构外侧0.5m范围内埋置土压力盒，土压力盒分两层布置，第一层埋深2.7m，位于第一层粉质粘土层内，第二层埋深19.1m，位于第二层粉质粘土内，土压力盒埋设在锚索附近以减小支护结构变形对土压力的影响。现场共埋设32个土压力盒，每层16个，如图1.2-1、图1.2-2、图1.2-3所示。图1.2-1土压力盒布置平面图图1.2-2土压力盒布置剖面图图1.2-3土压力盒布置大样图1.3土压力监测基坑在冬季之前已经开挖到底，自2011年11月17日开始监测记录土压力盒频数并测量温度直至2012年5月5日气温上升至冰点以上结束。2.试验数据整理分析2.1土压力盒压力计算经过近半年的监测，每层粉质粘土中土压力盒测得181组频数，每组16个，通过下式将实测频数换算成压力：20211000ffKPP压力（kPa）K压力换算系数1f压力盒实测频数0f压力盒初始频数对每组16个压力数据进行统计，取得每组压力的平均值nPPnii/1_16n统计分析每层粉质粘土中土土压力盒压力平均值_P与时间以及温度之间的关系（图2.1-1、图2.1-2、图2.1-3、图2.1-4所示）。图2.1-1上层粉质粘土压力随时间变化图图2.1-2上层粉质粘土压力随温度变化图图2.1-3下层粉质粘土压力随时间变化图图2.1-2下层粉质粘土压力随温度变化图2.2冻胀力计算由图2.1-1、图2.1-2、图2.1-3、图2.1-4可知压力平均值在随时间以及温度的变化而逐渐增大，由于土压力盒设置在锚索附近，且经过实测锚索处支护结构的位移基本无变化，故可以忽略由支护结构变形而引起的压力变化，即压力的增大仅因冻胀引起。在开始几天，温度在冰点以上，土体未发生冻胀，此阶段压力虽有波动，但基本保持平稳，此阶段压力平均值为主动土压力0P，水平冻胀力0__PPF。统计分析每层粉质粘土水平冻胀力_F与时间以及温度之间的关系（图2.2-1、图2.2-2、图2.2-3、图2.2-4所示）。图2.2-1上层粉质粘土水平冻胀力随时间变化图图2.2-2上层粉质粘土水平冻胀力随温度变化图图2.2-1下层粉质粘土水平冻胀力随时间变化图图2.2-2下层粉质粘土水平冻胀力随温度变化图2.3数据图表分析根据试验监测数据以及以上图表对粉质粘土的冻胀情况进行分析，可以得到以下几点结论：1）根据图表可以将粉质粘土的冻胀分为四个阶段，分别是未冻胀阶段、冻胀发展阶段、冻胀稳定阶段、冻胀融解阶段。基坑在进入冬季之前，气温在冰点以上，粉质粘土中水未结冰，此阶段压力基本稳定，水平冻胀力为零，为未冻胀阶段（图中Ⅰ区）。当气温逐渐降低至冰点以下，粉质粘土中的自由水以及薄膜水开始结冰形成冰晶，因体积增大而产生水平冻胀力，由于粉质粘土颗粒间距小，有的颗粒相互接触，颗粒间薄膜水形成公共薄膜水，在冰晶形成的同时，夺走公共及相邻土颗粒的薄膜水，这样未冻的颗粒薄膜水不断向已冻颗粒方向迁移，使得粉质粘土中冰封面附近冻土含水量增大，冻胀量就进一步加大。随着时间的推移、气温逐渐降低，粉质粘土中冰封面逐渐向土层内部发展，冻胀量逐渐增加，水平冻胀力逐渐加大，此阶段为冻胀发展阶段（图中Ⅱ区）。当气温达到最低值以后，气温逐渐升高，此时未冻的颗粒薄膜水向已冻颗粒的迁移逐渐减弱，冰封面发展缓慢，水平冻胀力基本保持不变，此阶段为冻胀稳定阶段（图中Ⅲ区）。当气温升高至冰点以上，粉质粘土中冰晶开始融化，水平冻胀力有减小的趋势，此阶段为冻融阶段（图中Ⅳ区）。2）对比上下两层粉质粘土中压力及水平冻胀力的变化可以发现，上层粉质粘土的土压力以及水平冻胀力离散性较大，这是因为基坑周边为市政道路，动荷载对上层粉质粘土影响加大，对下层粉质粘土影响较小。3）监测数据显示，上层粉质粘土水平冻胀力最大值为20.08kPa，平均值为17.52kPa;下层粉质粘土水平冻胀力最大值为20.33kPa，平均值为15.40kPa。3.结合实际工程分析试验结果合理性图3-1所示为某越冬基坑因冻胀而发生破坏后的情况，该基坑深10.0m，基坑外侧约5m处有一道砖砌围墙，采用桩锚支护，基坑在冬季之前已经开挖到底，冬季停工，在停工期间桩顶产生过大水平位移，第一道锚索被拔出，支护结构发生破坏，基坑外砖砌围墙倾倒，造成很大的经济损失，所幸无人员伤亡。分析发现该工程地层除上部1.5m厚杂填土图3-1外，其余全为软塑~可塑状态的粉质粘土（表3-1所示），基坑原计划在冬季之前回填完毕，故设计时未考虑冻胀对基坑的影响（设计概况详见表3-2、表3-3），而且在基坑越冬期间未采取支护结构加强措施。表3-1工程地质条件土层名称埋深/m重度/(kN/m³)粘聚力/(kPa)内摩擦角/(°)土层状态杂填土1.518510松散粉质粘土6.219.135.110.3可塑粉质粘土9.519.622.75.3软塑粉质粘土1519.236.811.2可塑表3-2原设计支护桩概况一览表桩径/mm桩间距/m桩长/m配筋混凝土强度等级计算桩顶位移/mm6001.21510Φ18C2528.61表3-3原设计锚索概况一览表锚索号水平间距/m设置深度/m自由段长度/m锚固段长度/m锚索型号12.43.57.012.02Φ15.221.27.06.014.02Φ15.2现将本试验得到的水平冻胀力值施加至支护结构进行核算，得到表3-4、表3-5的计算结果。表3-4考虑水平冻胀力支护桩设计结果一览表桩径/mm桩间距/m桩长/m配筋混凝土强度等级计算桩顶位移/mm6001.21512Φ18C25152.88表3-5考虑水平冻胀力锚索设计结果一览表锚索号水平间距/m设置深度/m自由段长度/m锚固段长度/m锚索型号12.43.57.017.03Φ15.221.27.06.016.03Φ15.2经过对比分析可以发现，按本试验结果考虑水平冻胀力以后，计算桩顶位移显著增大，由28.61mm增大到152.88mm，与现场实际情况相符；此外支护桩配筋由10Φ18增大至12Φ18，配筋率增大了20%；第一道锚索锚固段计算长度增长5.0m，第二道增长2.0m，即考虑冻胀力以后，原设计锚索锚固段长度不足，这与第一道锚索被拔出的实际情况相符，综合分析本次试验结果是合理的，对实际工程有很好的指导作用。4.结语1）本次试验受现场环境以及周边动荷载影响较大，建议结合室内模型试验进一步研究对比分析。2）本次试验土压力盒布设在靠近锚索附近，不考虑支护结构变形对水平冻胀力的影响，在实际工程中，水平冻胀力会随支护结构发生位移而有所衰减，具体应通过室内模型试验以及理论分析进一步确定水平冻胀力随支护结构位移的变化规律，并结合现场试验应用于实际工程。3）本次试验未考虑冻融阶段水平冻胀力的变化以及冻融以后土层性质的变化，在实际工程中冻融以后图层中自由水含量增加使粉质粘土发生软化，主动土压力会有所增大，水平冻胀力会有所衰减，建议通过试验以及理论分析对其进行分析研究。4）目前针对基坑工程水平冻胀力的研究较少，随着深大基坑工程的发展，水平冻胀力的研究将更好地保障基坑工程的安全。参考文献[1]孙家学刘斌冻结壁原始冻胀力的分析与计算方法东北大学学报1995(6)[2]孙廷栋葛树东季节冻土区与多年冻土区的冻胀浅析东北水利水电2005（12）[3]中华人民共和国行业标准《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-98[4]张智浩季节性冻土区深基坑桩锚支护结构冻胀变形控制研究岩土工程学报2012（11）[5]朱彦鹏深基坑支护桩与土相互作用研究岩土力学2010（9）