淺談季節(jié)性凍脹對基坑工程施工的影響

王永仲

【摘 要】基坑工程一般為臨時性的支護工程，在設(shè)計中很少考慮由于土體的凍融對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響，這也是北方基坑工程事故頻發(fā)的原因之一。本文根據(jù)某樁錨支護結(jié)構(gòu)基坑工程現(xiàn)場觀測資料為依據(jù)，分析了凍脹、凍融對樁錨支護結(jié)構(gòu)變形的影響。結(jié)果表明，凍脹引起支護結(jié)構(gòu)的水平位移主要發(fā)生在基坑支護結(jié)構(gòu)上部含水量較為豐富的區(qū)域，在基坑支護結(jié)構(gòu)的下部，凍脹作用影響較?。浑S著氣溫的升高凍土開始融化，基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移繼續(xù)增大；在基坑外側(cè)，由于土體含水量和孔隙比增大，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】凍脹；凍融；水平位移；支護結(jié)構(gòu)；融沉

樁錨支護結(jié)構(gòu)在深基坑支護工程中得到廣泛的應(yīng)用。在北方地區(qū)基坑工程多數(shù)為跨年度越冬工程，因此基坑支護結(jié)構(gòu)的錨固土體，易受凍融作用破壞，凍融前后土體的物理、力學性質(zhì)變化造成深基坑邊坡的失穩(wěn)，導致基坑工程事故頻發(fā)。冬季由于大氣溫度為負溫，基坑坑壁的土體會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。在基坑施工過程中往往由于基坑滲水如地下管線的跑冒滴漏，使部分地段土體的含水量增加，產(chǎn)生的凍脹更加嚴重，在支護結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的凍脹力，增大了支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，同時使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移；隨著氣溫的升高，凍土開始融化，而支護結(jié)構(gòu)水平位移繼續(xù)增加，支護樁和土體產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，同時樁錨支護結(jié)構(gòu)中錨索的錨頭會因為土體凍脹發(fā)生較大位移，導致錨索的預應(yīng)力損失甚至拉斷引起支護結(jié)構(gòu)的破壞。在基坑外側(cè)的土體，由于凍滲的作用產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。本文結(jié)合沈陽某越冬基坑支護工程凍脹、凍融和融沉的變形觀測數(shù)據(jù)，給出了越冬基坑支護工程凍脹。

1.土體的凍融

當氣溫低于 0℃而長期處于負溫度時，土體開始產(chǎn)生凍結(jié)，土中的水變成冰，其體積增大 9%，體積膨脹引起土顆粒之間發(fā)生相對位移，伴隨著土中形成的孔隙水和外給水結(jié)晶體、透鏡體、冰夾層等冰侵入體，土體積增大，導致地表不均勻上升，這就是凍脹現(xiàn)象。土體的凍脹就是土中水分遷移的過程，土中冰體（特別是凸鏡狀冰體）的增長不斷從臨近的水化膜中奪走水分，造成臨近的水化膜變薄，這樣的傳遞就形成了水分向凍結(jié)面的遷移過程。正凍土和已凍土中的水分遷移過程引起凍土中含水量的重新分布，并且土的強度和位移隨之改變。土的凍結(jié)過程中，隨著凍結(jié)鋒面的形成，土中的水重新分布，造成土中某些區(qū)域的含水量超過原始的孔隙體積，聚集成單個冰透鏡體或者沿深度呈規(guī)律分布的冰透鏡體，產(chǎn)生巨大的凍脹力使土顆?；蛑ёo樁發(fā)生位移，產(chǎn)生凍害。因此，土的凍脹不僅是水結(jié)冰時體積增加的結(jié)果，更主要的是在凍結(jié)過程中下部未凍土中的水分向上部遷移富集再凍結(jié)的結(jié)果。

基坑的凍脹變形是指凍結(jié)膨脹中在凍脹力和約束力作用下圍護結(jié)構(gòu)和土體的變形，凍脹變形源于土中液相水變?yōu)楣滔啾蟮捏w積膨脹。而影響凍脹性及凍脹量的因素很多，包括土壤本身的內(nèi)在因素（土體密度、顆粒級配、礦物成分、滲透性、壓縮性、比表面積、飽和度、含水率及土壤水中的鹽分組成及含量），與凍結(jié)條件有關(guān)的外來因素（凍結(jié)時的孔隙水壓力、凍結(jié)時的約束力、凍結(jié)速度、溫度梯度），以及水分補給條件等。

當凍土融化時，其內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生激烈變化，凍土中的冰融化后體積縮小，使土在原來的受力狀態(tài)下產(chǎn)生一定量的融陷現(xiàn)象，對建筑物的穩(wěn)定性造成危害。凍土融化過程中，將發(fā)生兩個相反的作用，由于冰層變成水，在荷載與自重作用下被排出，出現(xiàn)排水固結(jié)作用，以及由于顆粒集合體的膨脹使得融化后土體的孔隙率增加。凍土出現(xiàn)的凍脹和融沉現(xiàn)象與其微結(jié)構(gòu)隨溫度的變化密切相關(guān)，溫度的變化誘發(fā)微結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒間連接剛度的變化，正是這些變化導致了凍脹、融沉現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.工程實例

2.1工程概況

某基坑工程占地面積約 2.5 萬平方米。基坑開挖深度為 16.4 米，采用樁錨支護結(jié)構(gòu)?；颖眰?cè)靠近繁華的商業(yè)街，為了保證基坑的穩(wěn)定性，在北側(cè)同時設(shè)計了四排錨索和五排錨索。該場地工程地質(zhì)條件復雜，在基坑北側(cè)上部主要為粉質(zhì)粘土，厚度 0.0-4.0 米，其次為中粗砂和圓礫層。粉質(zhì)粘土中存在著上層滯水和地下舊管線跑冒滴漏的生活用水。隨著基坑的開挖，在基坑的北側(cè)出現(xiàn)滲水點，且水流較大，滲水并未引起基坑的坍塌，但是隨著冬季的到來，在滲水處的土體出現(xiàn)了凍脹現(xiàn)象，支護結(jié)構(gòu)的變形增大，在冬季時，該側(cè)基坑出現(xiàn)坍塌事故。

2.2凍脹監(jiān)測

在基坑北側(cè)支護結(jié)構(gòu)上設(shè)置2個觀測點zw1、zw2，其中zw1點處為四排錨索，zw2點處為五排錨索，觀測時間為2010-11-15至2011-2-18。從觀測點zw1、zw2的水平凍脹位移隨時間溫度的變化曲線可以看出，隨著冬季氣溫的逐漸降低，觀測點 zw1、zw2 處的凍脹量逐漸增加。在2010年11月15日至2011年12月15日氣溫從-5℃變化到-17℃，觀測點 zw1 的位移量為9mm，2011年1月5日氣溫降為-19℃，zw1的位移量達到26.4mm，而后隨著氣溫的進一步降低，支護結(jié)構(gòu)的位移增長緩慢。在2011年的2月份，盡管氣溫有所回升，但是支護結(jié)構(gòu)的水平位移仍然在緩慢增長。這說明，土體的凍脹對支護結(jié)構(gòu)的影響主要發(fā)生在凍脹前期，隨著土體凍脹量的基本穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)的水平位移也趨于穩(wěn)定。采用五排錨索的觀測點zw2與zw1點具有相似的結(jié)果，但是位移量小于四排錨索的觀測點zw1。

2.3凍融監(jiān)測

春季隨著氣溫不斷升高，凍脹土體開始逐漸融化，導致土體的含水量增加，抗剪強度降低，而基坑支護結(jié)構(gòu)的變形仍在繼續(xù)增加。從 觀測點的水平位移圖和觀測期間的溫度圖可以看出，隨著氣溫的升高支護結(jié)構(gòu)位移呈非線性的增加，其中觀測點zw1在2011年4月5日，位移達到最大值81.3mm，當天溫度為 14℃。雖然，這段時間內(nèi)氣溫有時會下降，但氣溫的整體趨勢是升高的，在凍結(jié)溫度以上，支護結(jié)構(gòu)的水平位移繼續(xù)增加，支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增大，使支護結(jié)構(gòu)的破壞的可能性增大。

2.4融沉監(jiān)測

在土體凍融的過程中，在支護結(jié)構(gòu)的水平位移繼續(xù)增加的同時，基坑周圍土體發(fā)生沉降即土體的融沉現(xiàn)象。因此在基坑支護結(jié)構(gòu)上的觀測點zw1外2米處設(shè)置1個外圍土體融沉觀測點s1。從觀測點s1 沉降量隨時間變化的曲線圖可以看出，在氣溫回暖期間基坑周圍的土體沉降量有明顯的增長，在2011年4月5日，沉降量高達124mm，基坑很容易發(fā)生坍塌事故。土體中冰的融化造成土體的強度降低，自身的孔隙比、含水量、壓縮性、滲透性顯著增大，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角明顯降低，這是土體發(fā)生融沉的主要原因。

3.結(jié)論

本文結(jié)合一工程實例，以支護結(jié)構(gòu)水平位移的方式分析土體凍脹對基坑工程的影響，得出結(jié)論：（1）土體的凍脹主要發(fā)生在土體的頂端以及地下水較豐富的區(qū)域，在此范圍內(nèi)支護結(jié)構(gòu)的變形也較大；（2）土體的凍脹主要發(fā)生在凍脹前期，此時土體的凍脹量增加明顯，對支護結(jié)構(gòu)的影響也較為突出；（3）在樁頂和地下水豐富的區(qū)域內(nèi)增加錨索的排數(shù)可以更好的限制土體的凍脹，從而顯著控制支護結(jié)構(gòu)的水平位移。（4）隨著氣溫的升高，基坑周圍土體孔隙比、含水量、壓縮性、滲透性明顯增大，土體產(chǎn)生融沉現(xiàn)象，這是基坑發(fā)生坍塌事故的原因之一。

【參考文獻】

[1]奧蘭多·B·安德斯蘭德.凍土工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.