綜合管廊基坑邊坡土體凍融對基坑穩(wěn)定性的影響

霍俊晨 徐楊寶

摘 要：凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有地下冰，與其他土體介質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。由于凍土而造成的工程災(zāi)害主要是凍脹和融沉。本文結(jié)合赤峰地下綜合管廊工程，通過對原狀土基坑凍融作用的計算與基坑土釘支護(hù)的抗力分析結(jié)果對比，得出在北方地區(qū)，已開挖基坑可通過土釘支護(hù)的形式抵抗越冬凍融作用對基坑穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：凍融作用；抗剪強(qiáng)度；基坑；土釘；噴射混凝土；穩(wěn)定性

中圖分類號：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

赤峰中心城區(qū)綜合管廊工程位于內(nèi)蒙古赤峰市，屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。大部地區(qū)年平均氣溫為0 ℃～7℃，最冷月（1月）平均氣溫為-10?C左右，極端最低氣溫-27?C。基坑開挖深度為7m，其中下邊坡坡率1∶1，高度5.4m，支護(hù)形式采用土釘支護(hù)，厚度8cm。

赤峰市地處大興安嶺南段和燕山北麓山地，分布在西拉沐淪河南北與老哈河流域廣大地區(qū)，呈現(xiàn)多山多丘陵的地貌特征，本工程位置地質(zhì)條件變化較小，工程區(qū)域內(nèi)大面積存在濕陷性黃土，底部持力層為圓礫；因地處北方，四季分明，氣溫變化較大，允許工程施工的時間均集中在4月～10月份，由此導(dǎo)致部分管廊基坑處于暴露狀態(tài)，經(jīng)歷外界環(huán)境的凍融循環(huán)過程，造成土體性質(zhì)改變，對于基坑的穩(wěn)定性、基坑支護(hù)措施的加固作用產(chǎn)生不同程度的影響。

赤峰中心城區(qū)綜合管廊在結(jié)構(gòu)混凝土施工完成后，因外墻防水涂層未明確，導(dǎo)致基坑無法回填，本文就暴露的基坑土釘支護(hù)是否能夠抵抗邊坡土越冬凍融應(yīng)力產(chǎn)生的破壞，現(xiàn)做如下探討。

由于季節(jié)交替，所以在寒冷地區(qū)施工都會涉及土的凍脹和融沉的問題。不論是凍脹或是融沉，都會影響原狀土的物理力學(xué)性能，土在凍融后，其干密度、塑性指數(shù)、密度會有所降低，內(nèi)摩擦角、液性指數(shù)、孔隙比會有所增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及靈敏度都會有較大幅度降低，而且黏土凍融后，滲透性也會大大增加。

1 研究內(nèi)容及方法

1.1 研究內(nèi)容

以現(xiàn)場用作管廊基坑回填的原狀土（粉質(zhì)黏土）作為試驗(yàn)對象，進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過對其凍融后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值的變化以及對土釘支護(hù)錨固效果的影響進(jìn)行研究，包括如下內(nèi)容：

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定不同溫度變化范圍內(nèi)和不同凍融次數(shù)下，試驗(yàn)土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值的變化規(guī)律。

（2）推理出不同溫度變化范圍t及不同凍融次數(shù)n與試驗(yàn)土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系公式，以及溫度變化范圍t及凍融次數(shù)n與土釘抗力T的計算公式。

（3）分析不同溫度變化范圍和不同凍融次數(shù)下，試驗(yàn)土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值改變對深基坑土釘錨固效果的影響。

1.2 研究方法

本文選擇凍融溫度變化范圍和凍融次數(shù)為影響因素，凍融循環(huán)溫度變化范圍選擇3組：分別為：-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°；凍融循環(huán)次數(shù)選擇兩組，分別為：5次、10次，進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。

2 土樣試驗(yàn)驗(yàn)證情況

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中土的抗剪強(qiáng)度是非常重要的參數(shù)，其土體的剪切破壞抵抗能力將直接影響到基坑邊坡的穩(wěn)定性、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性，對于確定安全、可靠的基坑支護(hù)措施至關(guān)重要。

土的抗剪強(qiáng)度主要由土體黏聚力和土體內(nèi)摩阻力兩個力學(xué)指標(biāo)所決定，可由庫侖定律表達(dá)式計算確定：

τ=σtanφ+c （1）

式中：

τ為土的抗剪強(qiáng)度，kPa；

σ為滑動面上法向應(yīng)力，kPa；

c為土的黏聚力，kPa（對于黏性土，c不為0，對于砂土，c為0）；

φ為土的內(nèi)摩擦角（°）。

2.1 試驗(yàn)土樣物理參數(shù)

根據(jù)《赤峰市中心城區(qū)綜合管廊小新地組團(tuán)地質(zhì)勘察報告》，選用土樣為地勘報告中③1層粉質(zhì)黏土，褐黃色，土質(zhì)均勻，含鈣質(zhì)條紋、云母，可塑～堅(jiān)硬狀態(tài)。項(xiàng)目所送檢土工擊實(shí)報告截圖如圖1所示。

根據(jù)上述土樣土工擊實(shí)試驗(yàn)報告（圖1）顯示，當(dāng)含水率接近13.3%時，土體達(dá)到最大干密度，此時土的黏聚力接近最大值，其他相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

2.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣放入凍融機(jī)內(nèi)，在3組不同溫度變化范圍（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）內(nèi)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，分別在完成5次、10次凍融后取出兩組（每組12個）試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)；

剪切試驗(yàn)采用固結(jié)快速不排水法進(jìn)行，分析確定凍融前、后試驗(yàn)土樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化，同一組試樣在不同軸向壓力σ（100kPa；200kPa；300kPa；400kPa）下剪切，得到不同軸向壓力相對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τ，根據(jù)公式（1）繪制σ～τ關(guān)系曲線，如圖2所示。

表2為各組試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)后，所測定的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，見表2。

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示：

（1）在不同的凍融循環(huán)溫度變化（-5°～5°、-15°～15°、

-25°～25°）范圍內(nèi)，粉質(zhì)黏土經(jīng)過同等次數(shù)的凍融作用后，其黏聚力c值、內(nèi)摩擦角φ值存在極顯著性差異。

（2）在相同凍融循環(huán)溫度變化（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）范圍內(nèi)，粉質(zhì)黏土經(jīng)不同次數(shù)（5次、10次）凍融作用后，其黏聚力c值、內(nèi)摩擦角φ值存在極顯著性差異。

通過表2的c值、φ值，繪制出粉質(zhì)黏土在不同溫度變化范圍內(nèi)經(jīng)相同次數(shù)凍融作用后的c值和φ值的變化曲線，如圖3、圖4所示。

經(jīng)相同次數(shù)凍融作用后試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：試驗(yàn)土樣的粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值是隨溫度降低而增大，主要原因?yàn)殡S著溫度的不斷降低，土體內(nèi)含冰率增大，土顆粒與冰晶產(chǎn)生膠結(jié)，使得土體的抗剪強(qiáng)度逐步增大。

不同次數(shù)凍融作用后數(shù)據(jù)顯示：試驗(yàn)土樣的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，主要原因?yàn)榉磸?fù)凍融循環(huán)使得土體向著新的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，抗剪強(qiáng)度特性參數(shù)也趨于穩(wěn)定。

通過表2 的c值、φ值，繪制粉質(zhì)粘土在相同溫度變化范圍內(nèi)，經(jīng)不同次數(shù)凍融作用后黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值的變化曲線，如圖5、圖6所示。

根據(jù)關(guān)系曲線顯示，在相同凍融循環(huán)溫度變化范圍（-5°～5°、-15°～15°、-25°～25°）內(nèi)，試驗(yàn)土樣的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值隨著凍融作用次數(shù)的增加而減小，主要原因?yàn)榉磸?fù)凍融循環(huán)作用導(dǎo)致土體含水量增大，干容重減小，而土中的水分在結(jié)冰過程中體積增大，所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力擴(kuò)展了土顆粒間的間隙，減少了土顆粒之間的接觸面積，造成凍土的孔隙率增大，導(dǎo)致其黏聚力及內(nèi)摩擦角減小。

3 凍融循環(huán)后土釘錨固效果分析

3.1 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)赤峰中心城區(qū)綜合管廊小新地組團(tuán)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖顯示，本工程所設(shè)計的基坑支護(hù)主要由邊坡土釘加固與掛網(wǎng)噴射混凝土面層組成，如圖7所示。

3.1.1 土釘

本工程中土釘為成孔注漿型土釘。注漿材料為水泥砂漿，水泥砂漿的水灰比為0.45，注漿壓力均為0.4 MPa～0.6MPa，注漿采用底部注漿法。土釘與水平夾角為20°。

3.1.2 噴射砼面層

邊坡采用C20噴射混凝土護(hù)坡，面層厚度及鋼筋網(wǎng)配筋詳見圖8，鋼筋單層雙向布置，土釘與網(wǎng)筋外的加強(qiáng)筋焊接。

3.1.3 土釘支護(hù)原理分析

根據(jù)設(shè)計計算，土釘鉆孔深度應(yīng)穿透土體滑裂面，土釘長度與鉆孔深度一致，深入土體滑裂面后方，在土釘安裝完成后，采用壓力注漿進(jìn)行錨固，使土體、漿液、錨桿形成一個整體進(jìn)行受力；當(dāng)邊坡面層產(chǎn)生滑移的趨勢時，土體與漿液、漿液與錨桿間的摩擦力將阻止周邊土體產(chǎn)生移動。

3.2 土釘抗拔承載力檢測

依據(jù)設(shè)計提供的土釘抗拔承載力檢測值表見表3。

假設(shè)土釘?shù)哪Σ亮Γɑ蚣魬?yīng)力）沿土釘長度均勻分布，采用下式計算土釘剪切面處的剪應(yīng)力：

τ==σvtanφ+c （1）

式中：T為頂端抗拔力，kN；

D為土釘與漿體的復(fù)合直徑，cm；

L為土釘長度，cm；

σv為土釘平均深度處垂直應(yīng)力，kPa；

c為土的黏聚力，kPa；

φ為土的內(nèi)摩擦角，°。

3.3 凍融循環(huán)作用對土釘錨固的影響

由公式（1）可知：

T=πDL（σvtanφ+c） （2）

根據(jù)公式（2）可計算出粉質(zhì)黏土在不同凍融循環(huán)溫度變化范圍及不同次數(shù)凍融作用下其頂端抗拔力的大小，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

說明：根據(jù)圖紙?zhí)峁?shù)據(jù)取值，D=12cm；第一道土釘L=950cm，第二道土釘L=650cm，第三道土釘L=500cm，第四道土釘L=500cm；σv=65kPa。

由表4數(shù)據(jù)可以得出，相同凍融循環(huán)溫度變化范圍內(nèi)，T5>T10；相同次數(shù)凍融作用下，T（-25°～25°）>T（-15°～15°）>T（-5°～5°）；計算抗拔力均遠(yuǎn)大于設(shè)計要求抗拔承載力，基坑支護(hù)措施滿足設(shè)計要求，基坑越冬處于安全狀態(tài)。

結(jié)論

（1）開挖土層為粉質(zhì)黏土的基坑受凍后，隨著溫度的不斷降低，土體自身抗剪強(qiáng)度特性參數(shù)不斷增大，有利于基坑邊坡的穩(wěn)定。

（2）開挖土層為粉質(zhì)黏土的基坑經(jīng)過反復(fù)凍融作用，土體自身抗剪強(qiáng)度特性參數(shù)隨著凍融次數(shù)的增加而減小，但最終會趨于穩(wěn)定，但多次反復(fù)凍融不利于基坑邊坡的穩(wěn)定。

（3）基坑支護(hù)采用土釘+掛網(wǎng)錨噴支護(hù)時，土釘與土體之間的錨固作用會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，隨著溫度的降低而增加。

（4）結(jié)合設(shè)計及現(xiàn)場情況計算結(jié)果顯示，該基坑支護(hù)形式經(jīng)凍融作用后釘端抗拔力會有所變化，但均能滿足設(shè)計土釘抗拔承載力要求，基坑穩(wěn)定性及安全性不會受到影響。

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