季冻区基坑支挡结构的分析及处理措施

季冻区基坑支挡结构的分析及处理措施

张莉金

重庆交通大学 土木工程学院 重庆400074

摘要：我国冻土地区分布广泛，该地区土体具有的特殊物理力学性质是影响基坑稳定性的关键，严寒地区基坑工程在冬季会受到温度影响产生冻胀融沉现象,对现场施工以及人员安全带来危害。季冻区越冬基坑受土体冻胀影响问题随着相关工程事故的日益增多逐步受到广大研究人员的关注。大型基坑因施工周期较长经历越冬冻融阶段，土体受低温影响发生冻胀现象，当产生较大水平冻胀力时基坑支护结构出现水平位移、基底隆起及地表沉降等变形现象，如果变形严重将造成基坑坍塌，对深基坑支护结构的稳定性及施工安全造成严重威胁。

关键词：冻土；冻胀作用；处理措施

0引言

伴随我国建筑业快速发展，城市建筑规模不断扩大，在这种发展趋势的大环境下，基坑工程的安全施工面临着较大的挑战性。虽然基坑工程的大规模发展一方面使得城市建设发展更加完善，但另一方面又会给周边环境造成一定的不良影响。在我国，冻土的分布非常广泛。冻土在冻融过程中土体性质受气温的变化会直接影响到地面建筑的稳定和安全。土体发生冻胀以及升温后土体开始冻融属于较为复杂的物理过程，在冻融循环作用下将增大深基坑支护结构及地表沉降等变形趋势，严重的还会导致支护作用失效，发生基坑垮塌等安全事故。

1冻土工程性质的研究

在冻土力学中，根据岩石和土壤的持续冻结时间，把冻土分成三种类型：短时冻土、季节冻土和多年冻土。冰胶结物是冻土特有的在温度变化中产生的物质，这种胶结物在土体冻结的情况下受温度影响巨大。冻土的黏性变形是不可逆的过程，它是由不可恢复的剪切力，薄膜水携带着土中颗粒重新组合而形成的。其中土中气体的压出和冰、水非还原性的相变过程也是制约着冻土变形的因素，当冻土中的含冰量较高时，土体内部还会出现常速率的黏性流动。这种明显的流变性是与一般非冻土地区土体力学性质的差异所在。

2 支挡结构冻胀因素影响
2.1 温度对基坑支挡结构的影响
土体表面和外界空气的充分接触，使得土体地表面层和外界空气产生温度梯度，随着外界空气温度的降低导致接触土体温度降低，土体温度下降后，此时负温度将从土体表面和支挡结构后侧两个方向同时进入土体，在土中形成双向冻结锋面，导致土中水平冻胀力有所增大，进而导致支挡结构的受力平衡得到一定程度的干扰破坏。
2.2 土体性质对基坑支挡结构的影响
在土体性质方面，土中粒度组成、土体中盐分、土中矿物成分及土体密度等几个方面对支挡结构均有所影响。 亚黏土、黏土中矿物成分对冻胀的影响就十分显著[1]。土体粒径的的大小对土体的冻胀作用有着强烈的作用。粗粒土土颗粒较大，冻结过程中不产生毛细吸水现象，排水较好，无外部的水分迁移，所以一般不会产生冻胀现象。

相同土质以及水分的条件下，随着土体的密度增大，饱和度增加，其受冻胀的强烈程度就越高。反之，当土体的密度减小，饱和度降低，其能够产生的冻胀力也就越低，更适作为支挡结构背后的土体。
2.3 水对基坑支挡结构的影响
在对支挡结构冻胀影响中，水是影响因素占比最多的。这里指的水不仅包含了填土中的水分，也包含了地下水水位等因素。故在设计和施工的过程中，人们往往采取一系列的方法从排水、隔水的角度来减弱土体的冻胀，对支挡结构进行有效防护。 水分对于不同敏感程度的土体来说都是非常重要的[9]。
2.4 支挡结构自身形式的影响
对于整体呈片状、长度较长、刚度较小的支挡式结构，如挡土墙、地下连续墙等支挡结构，由于该类支挡结构的两端受到约束，而中间自由度相对两端时较大，受温度的影响，就会产生较大的挠曲变形，导致结构出现前倾变位。一旦此时产生的应力超过墙体的设计强度时，就会产生裂缝、破坏。
3 支挡结构的冻害破坏特征
3.1 支挡结构的前倾变位
水平冻胀力随着季节的更迭，冻胀作用于支挡结构。这就造成了支挡结构背后的土体产生了沿垂直于墙背的方向的扩张，使支挡结构无法完全恢复到原有的位置，这就使其产生了残余变位。而残余变位积累到一定程度就会造成支挡结构的前倾变位，严重时将会造成支挡结构的整体倾覆。
3.2 支挡结构的强度破坏
当支挡结构既受到来自其背后冻胀土体扩张后的挤压作用，同时也受到其前方的冻土对其产生的约束的共同作用时，支挡结构将会产生剪切破坏，产生水平裂缝；而由于冻胀作用，支挡结构在沿纵向和水平向应力的共同作用下产生约 45°的斜向裂缝。
4 处理措施
由于冻土地区复杂的工程地质和坏境条件，建设季冻区基坑工程历来在岩土工程中被认为是实践性较强的问题。在注重经济性的同时支护结构的安全性就会相应降低，而注重安全性则会导致成本的增加。如何优化季冻区基坑周边的围护结构选型，兼顾安全性与经济性，在目前及以后都是一个需要加以深入研究的课题[2]。
4.1 土钉墙支护结构
土钉墙由土钉、面层、被加固的原位土体以及必要的放排水系统组成。土体具有一定的结构整体性，一般的围护结构均基于被动的制约机制，建立挡土结构来承担基坑周边土体的侧向压力，对于被动受力的土钉墙而言，受外界条件的干扰较大，冻胀作用使得土压力增大，土钉的钉头轴力变化增加，土钉拉力的分布形式改变

[3]，由钉头受力最大且单向分布，随温度的降低呈明显变化，因冻胀而引起的最大拉力能达到冻结前的 2 至 3 倍。当温度上升到土体解冻，产生融沉效应，土钉拉力无法完全恢复到冻胀作用之前，这部分由于冻胀引起的拉力会永久作用在土钉上。
    季节冻土对土钉墙支护结构的影响有一定范围，在冬季施工基坑土钉支护，主要考虑场地温度寒冬程度、土质、地下水等相关因素，尽量不设置短土钉，适当加强面层。加强监测频率以提高发现问题的时间，必要时可采取保温措施[4]。
4.2 桩—锚支护结构
坑桩—锚支护是一种将竖向抗滑桩体系与锚杆预应力体系结合在一起的常见支护结构。其综合了支护桩和锚杆的支护原理，支护结构采用的设备简单易用，适用环境比较广泛，对周边坏境影响较少，在我国已经是一种非常成熟的工艺。
    在季节性冻土区设计桩锚支护结构体系需要充分的考虑到土体冻胀作用的影响，设置锚杆充分预留足够的安全度，减低锚杆初始的应力，防止冻胀拉力过大使锚杆失效[5]。桩体受到冻胀力而导致抗弯、抗剪强度的不足发生剪短破坏。
5 结语
（1）支挡结构冻胀因素有温度、土体性质、水以及支挡结构自身形式，其中水影响因素占比最大。

（2）支挡结构发生冻害破坏不仅强度会降低产生裂缝。还会使支挡结构产生残余变位造成支挡结构的前倾变位，严重时会发生整体倾覆。
  （3）基坑支护还可以采用土钉墙支护结构和桩—锚支护结构。

参考文献(References)：

[1] 宋肖龙.冻融前后土体微观孔隙结构分形特征研究[D].石家庄铁道大学, 2016.
[2] 郑刚, 龚晓南, 谢永利,等.地基处理技术发展综述[J].土木工程学报, 2012,45(02):127-146.
[3] 郭红仙,宋二祥,陈肇元.季节冻土对土钉支护的影响[J].工程勘察,2006(02):1-6.
[4] 郭红仙,宋术双,李秀芬.季节冻土融化对基坑土钉支护的影响[J].工业建筑, 2005(08):67-70.
[5] 闫明慧,闫渊.深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形特性研究[J].湖北工业大学学报, 2017,32(0

5):26-29.