[摘要] 第1章 绪 论1 1 选题背景及意义冻土，是指含有 0℃或 0
第1章 绪 论
1.1 选题背景及意义
冻土，是指含有 0℃或 0℃以下冰及胶结着松散固体颗粒的岩土体，其是一种多相天然复合体，结构构造上是一种多孔介质。短时冻土、季节性冻土和多年冻土是按保持冻结状态的时间长短来分类的。冬季冻结春季融化，冻结状态连续半月至数月的土体指的是季节性冻土。我国季节性冻土分布相当广泛，遍布于我国北方的十余个省份，占到领土面积的 55%左右[1]，如下图 1-1 所示。 随着我国经济的快速发展，以及建筑用地的不断较少，建筑工程不得不向地下要空间，近年来在我国北方地区，超深超大基坑也越来越多。因为工程规模大工期长，某些基坑就要越冬，基坑越冬的问题亦越来越多，导致的工程事故也逐渐增多。在我国季节性冻土地区的基坑支护工程，不但要经历土体冻胀过程，还要经历土体融陷过程，相关技术问题变得非常复杂，亟待解决。在这些地区随着大气温度的下降，其水冻结，体积增大约为原水体积的 9%，从而引起土层较未冻土层会有较大的冻胀变形。在冻胀的基坑中，因为土体受冻变形，基坑支护结构所承受的土压力变小，以致冻胀作用产生的冻胀力占据主导地位，土压力要小于水平冻胀力几倍甚至十几倍。在春季基坑工程土体融化时，冰融化为水，土体含水率增大，便会对支护结构产生较大的土水压力，并且土体会有较大的沉陷量，最终加剧了基坑变形。造成基坑支护结构破坏，更甚者发生基坑垮塌现象。 现有规范中只是对挡土墙这一支挡结构受冻胀影响进行了讲述，且只考虑冻胀力受土性的影响。未做冻融作用对基坑支护结构影响研究，及各影响因素对支护结构的受力及破坏情况的研究工作[2]。因此，开展季冻区基坑越冬相关问题研究具有重要的研究意义和工程实用价值。本文针对其中典型的应用范围较广的排桩支护方式展开冻融作用影响的相关研究工作。
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1.2 国内外研究现状
冻土是指土中水分冻结，其体积增大量为原水体积的 9%，导致土体膨胀，土体体积变大，是一个物理力学过程。由于冻土的冻胀作用在冻土地区的建设工程必然受到冻胀影响：如工业民用建筑工程中房屋产生裂缝、倾斜以致破坏；农业水利项目工程中大坝受冻开裂；铁路与公路工程中路基冻坏、挡土墙冻胀破坏等，关于冻土产生问题越来越多，关于冻土与冻胀机理的研究也日趋紧迫。 19 世纪 30 年代，前苏联在多年冻土区修筑的首条铁路工程，呈现了很多冻害现象，苏联加大冻融作用及机理研究，使其在此领域一直领先于其他国家[3]。 1937 年，H．A．崔托维奇和苏姆金出版的《冻土力学基础》，为其他国家研究冻土力学起到铺垫作用，同时成为首部冻土力学书；H．A．崔托维奇等人进而出版的《冻土物理学》一书，奠定了冻土力学原理的基础[4]。 在 20 世纪 30 年代，冻土的研究在世界其他国家也逐渐展开，美国科学家根据土体散碎性与毛细管作用，概括了土体冻胀的方式是通过将地下水、土粒性质和毛细水上升高度一起考量[5]。 1955 年，第一冻胀理论由 Everett 首次提出，指出冰透晶体是由冻胀压力与抽吸压力造成的。且无法解释不连续冰透晶体，同时低估了细粒土中的比较大的冻胀压力[6]。 20 世纪 60 年代，施雅风老师带领我国着手设组，开始冻土的专门研究。在此后的 10 年间，冻土研究工作主要依托建设项目，针对冻土地质条件、物理力学性质和地基基础稳定等领域，做了大量研究工作，并积累了许多科学资料[1]。 1972 年，第二冻胀理论以毛细理论为基础由 Miller 提出。提出一个区域无冻胀、低导湿率、低含水率的冻结缘的存在，为后续科研人员对冻结缘的形成、发展及特征做了更深层次的研究[7]。 1973 年由前苏联专家崔托维奇编着的《冻土力学》问世，详细地讲述了冻土力学试验、理论和现实应用，表明冻土各方面的科研工作进入下一阶段[4]。 20 世纪 80 年代，Miller 和 O'Neill K 在冻结缘理论的基础上，完成各种模型的建立与模拟工作。随后，各种冻胀模型相继而出，如数学模型、有限元分析模型与有限差分模型等等，冻胀机理研究进一步发展[8]。
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第2章 基坑排桩受冻融影响理论分析
2.1 基坑排桩受冻融影响规律及其破坏形式
我国北方季冻地区的基坑工程，由于工程量较大，工程工期变长，一些基坑工程就要过冬，这些越冬工程就要受到气温降低，土体冻胀的影响，引发土体发生冻胀。因大气气温的上升，土体气温上升而冰变成水，含水量变大，导致土体成为饱和及软化状态。且土体的粘聚力和内摩擦角变小，抵抗变形能力减小，使土体易发生变形，最后对各种构筑物形成冻融破坏。 土体的冻融现象是土体状态变化过程，致使排桩基坑的冻融亦是变化的工程问题。冬季温度降低至土中水的冻结点，基坑顶部、侧壁、坑底的土体会产生冻胀现象。在桩锚支护结构中，由于冻胀在桩后产生大于土压力几倍或十几倍的水平冻胀力，桩受外力变大，桩产生较大的水平位移，且锚杆轴力增大。春季气温回升至正温，已冻结的土体开始融化，冰融化为水，且由土体冻胀致使之后土体的孔隙率变大，冻土融化后必然导致沉陷现象，土体位移发生变化。最终导致支护桩的水平位移继续增加或者有所回弹，但增加速率降低，支护桩与土体可能出现脱空现象。或者可能支护体系中的锚杆由于冻融作用产生过大变形，最终锚杆结构的预拉力消失或锚杆被拉断，或桩体结构发生过大位移，或受力过大，引起桩锚支护基坑的坍塌破坏。
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2.2 基坑排桩冻融影响因素分析
在诸多因素中，影响排桩基坑冻融作用的因素有内在因素和外在因素。内在因素主要有土体粒径的大小、矿物成分组成、土体密度、土体含水率等。外在因素主要有温度、外部荷载作用等同样影响排桩基坑冻融作用。依据实验及研究表明：土粒径的大小显着影响土体的冻结现象。土粒径的大小导致土粒表面力场的不同，颗粒的比表面积代表颗粒表面效应，且粒径的大小与其表面积成反比关系。土的水在冻胀过程中的迁移能力由这种不同直接影响，最后致使冻结后位移变化出现不同，故而依据土粒径大小与水相互作用关系来确定各类土的冻胀变形能力与特征。 依据吴紫汪等的实验结果表明：如下图 2-1[37]所示为不同粒径的细颗粒含量与冻胀系数 η 的影响关系。一般情况下，当土体粒径较大时，即粒径 d 为0.1-0.05mm 之间时，即使土中含水量较大时，土体冻胀量也会很小，此时的土体为弱冻胀土。再者土体的冻胀性与粉、粘粒占总土量的百分比亦有关，当小于 0.05mm 的粉、粘粒含量大于 12%时，且土的冻胀系数也较小，小于 2%时，此时的土体为弱冻胀土。粉、粘粒含量大于 12%时，冻胀系数 η 明显变大，但小于 8%。粉、粘粒相对含量超过总重的 50%时，冻胀系数 η 增大到 8%，属于强冻胀。
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第 3 章 FLAC3D 在冻融基坑模拟分析中的应用 ...... 16
3.1 FLAC3D 软件基本简介 ...... 16
3.2 有限差分原理 ........... 17
3.2.1 有限差分法 ........ 17
3.2.2 混合离散法 ........ 18
3.3 本构模型 ......... 18
3.4 建模方式 ......... 21
3.5 热力学模块 ..... 25
3.6 本章小结 ......... 27
第 4 章 冻融作用对基坑排桩影响数值模拟研究 ...... 28
4.1 基本模型建立 ........... 28
4.2 本构模型及边界条件 ......... 29
4.3 材料参数确定 ........... 30
4.4 模拟计算步骤 ........... 32
4.5 计算结果及分析 ....... 33
4.6 本章小结 ......... 47
第 5 章 不同因素对冻融基坑排桩影响研究 .... 49
5.1 基本模型与实施方案 ......... 49
5.2 温度对冻融基坑排桩的影响研究 ......... 51
5.3 土性对冻融基坑排桩的影响研究 ......... 55
5.4 土体含水量对冻融基坑排桩的影响研究 ....... 60
5.5 本章小结 ......... 64
第5章 不同因素对冻融基坑排桩影响研究
5.1 基本模型与实施方案
冻、融土性质受到温度、土性及土体含水量等因素影响，以一个因素为变量，限制其他影响因素，利用 FLAC3D 数值模拟软件，建立基本模型，选用合适方案对排桩基坑进行冻融作用模拟，计算对比分析得出温度、土性及土体含水量对冻融基坑排桩的受力及变形影响规律。基本模型选用长 35m，宽 1m，高 25m。网格划分：模型下部 15m 中 X 方向 35m，35 个单元；Y 方向 1m，分成 1 个单元；Z 方向 15m,分成 15 个单元；模型上部 10m 中 X 方向 35m，35 个单元；Y 方向 1m，分成 1 个单元；Z 方向10m，分成 20 个单元。基坑开挖 6 米，几何模型如下图 5-1 所示。采用排桩支护结构体系，桩长 11m，采用桩结构单元进行模拟，单根桩 12 个节点（node），11 个结构构件（sels）。 针对温度对冻融基坑排桩的影响研究，建立 2 组冻融基本模型，第 1组为不限制桩体位移的 4 个基本模型，分别为未冻融模型（基坑开挖完，未加入温度场计算）和-10℃至 10℃、-15℃至 10℃、-20℃至 10℃3 种冻融循环温度，冻胀 2 个月，升温融化 2 个月；第 2 组为限制桩体位移的 3 个基本模型，分别为-10℃至 10℃、-15℃至 10℃、-20℃至 10℃3 种冻融循环温度，冻胀 2 个月，升温融化 2 个月。土体含水量、土性等其他影响冻胀力的因素全部相同，只改变冻融循环的冻胀温度，分析温度对冻融基坑排桩受力及变形的影响规律。
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结论
本文以有限差分分析软件 FLAC3D 为基础，按长春某年月平均气温对某一桩锚支护基坑进行热力耦合分析。即对基坑进行一个冻融循环数值模拟，得出基坑温度场变化规律，桩顶位移变化规律，桩所受水平力的变化规律，锚杆轴力的变化规律及基坑冻融破坏机理；针对不同因素对冻融基坑排桩的受力及变形影响，建立不同条件的分析模型，研究各因素对冻融基坑排桩的受力及变形的影响规律。主要结论如下：
（1）随冻胀时间增加、冻胀温度的降低，冻深逐渐增加；桩顶位移不断变大；桩后所受水平作用力整体在增大；锚杆轴力值逐渐增大。当气温回升冻土融化时，冻深温度线上移，最后整个模型处于正温；桩顶位移仍然增加，但位移增长速率要明显小于冻胀阶段的桩顶位移增长速率；锚杆轴力不断减小。数值模拟分析结论与已有现场监测结果对比，基本规律一致，一定程度上验证了数值模拟方法的可靠性。
（2）冻融作用开始，基坑被支护土体气温降低，土体受冻膨胀；在距地表大约 1∕3 基坑深度处对支护桩产生较大的冻胀力，桩所受水平力最大；桩顶位置产生最大位移值，且自地表至坑底桩体位移值依次减小，可能导致支护桩发生倾覆破坏；锚杆轴力值逐渐增大至最大，可能锚杆达到极限承载力拉断破坏或者融化时预应力锚杆失效，导致支护桩变形过大或倾覆，致使基坑发生破坏。
（3）冻融作用时-10℃、-15℃、-20℃的起始负温对基坑排桩受力、变形影响都较大。在冻胀和融化阶段，温度越低桩体位移越大，由于桩所受的水平力受桩体位移影响较大，桩所受的水平力不一定较大。通过限定桩体位移，表明在冻融作用的冻胀和融化阶段都是温度越低，桩所受水平力越大，水平冻胀力越大。
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参考文献(略)
