冬季凍脹對(duì)基坑安全的影響

冬季凍脹對(duì)基坑安全的影響

0樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用中國(guó)西北部大部分屬于季節(jié)性寒冷地區(qū)。冬季寒冷，土壤受到凍縮性和融化性的影響。近年來，隨著我國(guó)西北部地區(qū)快速發(fā)展，基坑工程數(shù)量也隨之增多。其中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)因具有安全性高、穩(wěn)定性好、施工簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已有眾多學(xué)者對(duì)該結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究筆者結(jié)合樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)室外試驗(yàn)，分析了土體凍脹作用對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁側(cè)土壓力、樁身內(nèi)力和錨桿內(nèi)力的影響，以期為樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在類似地區(qū)的安全應(yīng)用提供參考。1中間支護(hù)樁樁身錨固結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和點(diǎn)面兼顧設(shè)計(jì)原則進(jìn)行樁錨支護(hù)基坑室外試驗(yàn)，研究支護(hù)樁側(cè)土壓力、支護(hù)樁內(nèi)力和錨桿內(nèi)力在歷經(jīng)自然凍融循環(huán)之后的變化規(guī)律。試驗(yàn)場(chǎng)地位于西寧市城北區(qū)，基坑長(zhǎng)寬均為2m，開挖深度為3m，共設(shè)有4根支護(hù)樁。支護(hù)樁總長(zhǎng)為4m，直徑為200mm，樁心間距500mm，其中中間兩根支護(hù)樁布置測(cè)量?jī)x器，樁頂設(shè)有冠梁(支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1)。沿基坑深度方向分別在距離冠梁頂部0.5m和2m處設(shè)置兩排錨桿，每排設(shè)有3根錨桿，錨桿采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑為14mm，錨桿傾角均為15°。第一排錨桿長(zhǎng)4m，錨固段長(zhǎng)度2.5m，第二排錨桿長(zhǎng)3m，錨固段長(zhǎng)度1.5m，兩排錨桿施加預(yù)應(yīng)力均為20kN。中間兩根支護(hù)樁及錨桿上分別貼有鋼筋應(yīng)變計(jì)和電阻應(yīng)變片用以觀測(cè)樁身內(nèi)力與錨桿內(nèi)力變化。選取一中間支護(hù)樁布置土壓力盒以觀測(cè)樁側(cè)土壓力變化。各監(jiān)測(cè)儀器安裝位置如圖1所示，數(shù)據(jù)采集分別使用綜合測(cè)試儀(JMZX—7000)和電阻應(yīng)變儀(JMYJ—2002)。具體試驗(yàn)步驟見表1。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1樁側(cè)土壓力變化規(guī)律對(duì)于寒冷地區(qū)的一些越冬基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)后的土體在有效凍結(jié)深度內(nèi)發(fā)生凍結(jié)膨脹，產(chǎn)生垂直于基坑側(cè)壁的水平凍脹力，支護(hù)結(jié)構(gòu)因此受到土壓力和水平凍脹力的雙重影響?；觽?cè)壁后的土體凍結(jié)會(huì)使土體由松散狀態(tài)變成凍結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致越冬基坑土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用較土體的凍脹作用減小，所以凍脹作用就成為了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要作用，水平凍脹力一般大于土壓力。因此，樁側(cè)土壓力的變化很大程度上取決于溫度等因素變化所引發(fā)的水平凍脹力的變化。樁側(cè)土壓力變化律如圖2所示。從圖2中可以看出樁側(cè)土壓力分布形式大體上呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的規(guī)律，隨著凍脹次數(shù)的增加，從1m處以下各點(diǎn)土壓力出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而0.5m處測(cè)點(diǎn)所得數(shù)據(jù)在初始階段緩慢增大，之后卻呈現(xiàn)出突然增大又下降的變化形式(如圖3所示)。究其原因，12月2日試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)有降雪之后樁側(cè)土壓力開始突然增大，根據(jù)土體凍脹機(jī)理并分析凍脹力影響因素因此，土中含水率變化會(huì)對(duì)樁側(cè)土壓力產(chǎn)生影響。依據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的含水率測(cè)試數(shù)據(jù)作出含水率變化曲線(圖4)并與圖3進(jìn)行比較，可以看出0.5m處樁側(cè)土壓力與淺層土體含水率的變化規(guī)律一致，降雪之后的融雪過程使得土中含水量出現(xiàn)增長(zhǎng)引起樁側(cè)土壓力變大，而隨著水分蒸發(fā)流失，樁側(cè)土壓力又開始出現(xiàn)下降最后壓力值小于降雪之前，這是因?yàn)殡S著水分減少土中的冰晶聚合體體積也開始變小，導(dǎo)致土中原本撐大的孔隙開始出現(xiàn)坍縮，土體相較于降雪前又變得松散，從而對(duì)支護(hù)樁的擠壓減小，所以樁側(cè)土壓力會(huì)變得更小。目前，現(xiàn)有的凍脹力分布模型2.2土體凍脹作用支護(hù)樁內(nèi)力試驗(yàn)研究支護(hù)樁豎向鋼筋應(yīng)力在自然凍脹作用下的變化規(guī)律，借此判斷樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在歷經(jīng)凍脹作用之后的安全狀態(tài)與受力特性，為實(shí)際工程的安全順利進(jìn)行提供參考。選取一中間支護(hù)樁為試驗(yàn)樁，樁上共布置有14個(gè)測(cè)點(diǎn)，樁身鋼筋擋土側(cè)(以下稱D側(cè))布置鋼筋應(yīng)變計(jì)，臨空側(cè)(以下稱L側(cè))對(duì)稱布置電阻應(yīng)變片，各測(cè)點(diǎn)具體位置如圖1，樁身鋼筋應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可以得出，支護(hù)樁兩側(cè)除樁頂部0.5m處以外其余各位置鋼筋應(yīng)力隨凍脹次數(shù)的增加而逐漸增大。其中，D側(cè)鋼筋應(yīng)力在凍脹初期增長(zhǎng)緩慢，之后受凍融次數(shù)增多以及室外平均溫度下降原因的影響，各點(diǎn)應(yīng)力增長(zhǎng)幅度開始增大。對(duì)比之下，L側(cè)各點(diǎn)鋼筋應(yīng)力在整個(gè)試驗(yàn)過程中增長(zhǎng)平緩，未出現(xiàn)應(yīng)力增長(zhǎng)幅度變大的現(xiàn)象。兩側(cè)鋼筋最大、最小應(yīng)力分別出現(xiàn)在距冠梁頂部0.5m和2m處，這與兩排錨桿的布置位置重合。在第二排錨桿位置處出現(xiàn)最小應(yīng)力，說明樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿能夠控制部分土體凍脹對(duì)支護(hù)樁的擠壓作用，減小支護(hù)樁內(nèi)力。而在距冠梁頂部0.5m處雖布設(shè)有第一排錨桿，但由于該位置埋深較淺，受土體凍脹擠壓作用影響嚴(yán)重，故兩側(cè)鋼筋應(yīng)力值上均大于其余各點(diǎn)，但在錨桿的反向力作用下，應(yīng)力增長(zhǎng)幅度一直較小，這說明第一排錨桿對(duì)該點(diǎn)應(yīng)力變化存在限制作用。根據(jù)支護(hù)樁兩側(cè)鋼筋應(yīng)變計(jì)算得出樁身彎矩，繪制樁身彎矩圖(圖6)。整體上看樁身彎矩以正彎矩為主，在凍脹初期各點(diǎn)彎矩增長(zhǎng)緩慢，隨著凍脹次數(shù)增多，樁身上部0.5m、1m和1.5m處三點(diǎn)彎矩增長(zhǎng)幅度開始變大，這說明土體凍脹作用主要對(duì)樁身上部彎矩變化產(chǎn)生影響。另結(jié)合圖7可發(fā)現(xiàn)，12月17日、12月25日兩日溫度下降明顯，最高溫度降至0℃以下，與之對(duì)應(yīng)的是兩日彎矩增長(zhǎng)明顯;之后的1月1日與1月7日溫度出現(xiàn)上升，兩日彎矩增幅減小，未出現(xiàn)顯著變化。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，室外溫度變化能夠影響樁身彎矩，溫度降低會(huì)使樁身彎矩有所增大，其中樁身上部彎矩變化受溫度影響更為明顯?？偟膩碚f，凍脹作用引發(fā)的土體膨脹會(huì)使支護(hù)樁的應(yīng)力與彎矩增大，其中，淺層土體凍結(jié)程度較重，導(dǎo)致支護(hù)樁上部位置的內(nèi)力與彎矩相比其余位置增幅較大。支護(hù)樁彎矩對(duì)溫度變化反應(yīng)敏感，溫度降低會(huì)使樁身彎矩增幅變大。此外，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿能夠控制樁身內(nèi)力變化，減輕凍脹作用對(duì)支護(hù)樁的破壞。2.3．錨桿錨固段應(yīng)力增大，自由段拉應(yīng)力加大預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)維持樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起重要作用。因此，研究錨桿錨固段與自由段應(yīng)力在凍脹作用影響下的變化規(guī)律，對(duì)于分析冬季錨桿受力機(jī)理具有實(shí)際意義。選取每排錨桿的中間錨桿為試驗(yàn)對(duì)象，第一排錨桿為1#錨桿，第二排錨桿為2#錨桿。兩根錨桿應(yīng)變片布置位置如圖1，兩根錨桿應(yīng)力沿長(zhǎng)度變化曲線分別如圖8所示。兩根錨桿應(yīng)力沿錨桿長(zhǎng)度呈減小趨勢(shì)，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在自由段，錨固段應(yīng)力與自由段差距明顯。兩根錨桿錨固段均出現(xiàn)拉應(yīng)力增大現(xiàn)象，分析其原因?yàn)槎纠淇諝膺M(jìn)入到錨孔中，導(dǎo)致錨桿錨固段(與自由端連接一端)附近土體發(fā)生凍脹，對(duì)錨固段產(chǎn)生向外“拉拔”作用，錨固段應(yīng)力因此增大。而錨固段與自由段交接處同時(shí)受到凍脹力與自由段預(yù)應(yīng)力影響，兩種力相互間有所抵消，故該位置應(yīng)力小于錨固段其他位置。另作出錨桿各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線圖9(圖中0.75m表示錨桿自由段應(yīng)力，其余表示錨固段應(yīng)力)，可以看出，相較于錨固段，兩根錨桿自由段應(yīng)力均有明顯的增長(zhǎng)，且自由段應(yīng)力大于錨固段。1#錨桿自由段應(yīng)力始終大于錨固段，這說明其受凍脹作用影響明顯。由于溫度降低使土體產(chǎn)生凍結(jié)體積膨脹擠壓腰梁，而腰梁又將凍脹力傳到錨桿使錨桿受到拉力作用，同時(shí)土體體積增大又對(duì)錨桿的錨固段產(chǎn)生擠壓，土體與錨固段的摩阻力增大使錨固段更加牢固，拉力對(duì)錨固段的影響減弱，從而自由段應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。而相對(duì)于1#錨桿，由于2#錨桿所處位置距離地表2m，所受到的土的凍結(jié)影響小于1#錨桿。所以2#錨桿自由段應(yīng)力在凍脹初始階段與錨固段應(yīng)力相差不多，之后隨著土體水平方向凍脹作用加重，自由段應(yīng)力出現(xiàn)增長(zhǎng)并大于錨固段應(yīng)力。綜上所述，土體凍脹會(huì)導(dǎo)致錨桿自由段應(yīng)力發(fā)生增大，兩根錨桿自由段應(yīng)力均大于錨固段應(yīng)力，其中，位于淺層土體的1#錨桿的自由段與錨固段應(yīng)力差距更明顯。因此，在樁錨支護(hù)越冬基坑中，應(yīng)當(dāng)對(duì)淺層土體錨桿應(yīng)力予以關(guān)注，防止因自由段應(yīng)力過大導(dǎo)致錨桿失效，影響樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。3土體凍脹對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響通過進(jìn)行樁錨支護(hù)基坑冬季室外試驗(yàn)，對(duì)凍脹作用對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁側(cè)壓力、樁身鋼筋應(yīng)力與彎矩分布形式和錨桿應(yīng)力變化影響進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下:(1)寒冷地區(qū)的越冬基坑樁側(cè)土壓力主要為水平凍脹力，其變化趨勢(shì)易受溫度與土體含水率影響;淺層土體凍脹力變化頻繁，分布形式不符合現(xiàn)有的凍脹力分布模型，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際工程中引起注意。(2)土體凍脹主要使支護(hù)樁身上部鋼筋應(yīng)力與彎矩產(chǎn)生增長(zhǎng)，溫度降低會(huì)使樁上部彎矩明顯增大。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿能夠減弱凍脹作用對(duì)支護(hù)樁內(nèi)力的影響，使支護(hù)樁不易破壞。(3)兩根錨桿自由段應(yīng)力均大于錨固段，