嚴(yán)寒地區(qū)深基坑土體溫度場動(dòng)態(tài)變化研究

邵 瑩

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

在嚴(yán)寒地區(qū)，低溫及大溫差對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土壤帶來的影響是不可忽視的[1]，地鐵基坑常用止水和豎向深基坑開挖方式[2]，基坑開挖后，坑底及支護(hù)結(jié)構(gòu)背側(cè)水土將受到低溫的嚴(yán)重影響，嚴(yán)寒條件下易引起水土凍脹，目前水土凍脹的機(jī)理研究尚不深入，國內(nèi)設(shè)計(jì)和施工規(guī)范規(guī)程也未明確水土凍脹力計(jì)算方式以及水土凍脹對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的量化計(jì)算，對(duì)嚴(yán)寒條件下明挖基坑支護(hù)設(shè)計(jì)造成很大的困擾。

季節(jié)性凍土地區(qū)溫度是影響凍脹的重要因素[3]，準(zhǔn)確掌握越冬基坑溫度變化規(guī)律對(duì)研究基坑凍脹具有重要意義，分析凍脹應(yīng)力首先需要建立合理的土體溫度場。近年來，國內(nèi)對(duì)凍融環(huán)境下深基坑溫度場分布及凍脹應(yīng)力影響進(jìn)行了大量研究，杜東寧[4]依托毗鄰沈陽市政府的東森CBD商務(wù)廣場二期基坑工程，模擬研究凍融循環(huán)作用下基坑在越冬過程中基坑支護(hù)變形和內(nèi)力規(guī)律；武軍紅[5]在北京地鐵十三陵景區(qū)站基坑采用COMSOL數(shù)值模擬軟件，建立水、熱、力三相耦合數(shù)值模型，揭示越冬基坑溫度場、水分場及應(yīng)力場中變量及參數(shù)的分布變化規(guī)律；彭第[6]通過有限元數(shù)值分析軟件，建立基坑凍結(jié)過程中溫度場模型，研究凍土墻用于深基坑支護(hù)工程凍結(jié)過程中凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)距離與凍結(jié)溫度的關(guān)系；王艷杰[7]通過COMSOL多物理場耦合有限元分析軟件，建立越冬基坑模型，對(duì)水平凍脹力的影響因素進(jìn)行了研究；孫超、邵艷紅[8]通過有限差分軟件FLAC3D，建立季節(jié)性凍土地區(qū)基坑樁錨支護(hù)計(jì)算模型，模擬分析基坑工程凍融作用。

本文結(jié)合呼和浩特地鐵1號(hào)線地下車站深基坑土溫測試結(jié)果，以及深基坑溫度場的數(shù)值模擬，分析和研究嚴(yán)寒條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)背側(cè)水土溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究溫度及含水量變化條件下水土凍脹應(yīng)力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 工程概況

2.1 場地水文和氣象條件

呼和浩特市屬于溫帶干旱半干旱氣候區(qū)，冬季時(shí)間較夏季長，且冬季溫度較低，季節(jié)變化劇烈且四季變化明顯，全年降水較少，受陰山山脈的影響較大。據(jù)相關(guān)資料，呼和浩特地區(qū)降水集中在7～9月，占全年降雨量的70%以上，極端最高氣溫為38.5℃，歷史記錄最低氣溫為-41.5℃；呼和浩特市城區(qū)的主要?dú)庀笾笜?biāo)如表1所示。

表1 主要?dú)庀笾笜?biāo)

場地賦存地下水類型為潛水，潛水水位埋深為4.30～8.6 m，含水層主要為粉土③3層、粉砂③4層、細(xì)砂③5層、中砂③6層、粗砂③7層、圓礫③9層，主要接受北部山前的側(cè)向徑流補(bǔ)給及大氣降水入滲補(bǔ)給，排泄方式以徑流排泄為主；動(dòng)態(tài)變化約在1.5～3.0 m。

2.2 場地地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，場地土層主要由人工堆積層、砂土、黏土三類組成。基坑外側(cè)土體大致分為3個(gè)大層。

2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

地鐵車站采用地下兩層雙柱三跨的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場測試位置基坑寬度22.7 m，深度約18.4 m，車站采用明挖(局部蓋挖)順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)設(shè)砼/鋼管內(nèi)支撐，車站主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置全外包防水層。

3 現(xiàn)場土體溫度測試

3.1 土溫現(xiàn)場測試

本次測試主要對(duì)基坑周圍土體溫度、土壓力進(jìn)行測試。測點(diǎn)的選擇集中在已經(jīng)開挖到底部的基坑的坑壁。布置測量土壓力的測點(diǎn)集中在離基坑最近的探測孔內(nèi)，距離地下連續(xù)墻10 cm左右，以便能更好地測得土體凍脹力。為了能夠更好地分析溫度沿著基坑的分布情況，溫度探測器沿著平行于地下連續(xù)墻豎直方向進(jìn)行布置，一共布設(shè)2個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置4個(gè)探測孔，每個(gè)探測孔離地下連續(xù)墻距離分別為10、60、110、160 cm，對(duì)應(yīng)每個(gè)探測孔的深度依次是26、22、17、17 m。因?yàn)閮雒浿饕l(fā)生在基坑上部，為了能對(duì)探測孔內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加精確的分析，故每個(gè)探測孔在深度方向的布置密度按照“上密下疏”的原則進(jìn)行布設(shè)。本次溫度測試時(shí)間是從2017年11月至2018年4月，測試頻率按照地溫和氣溫進(jìn)行綜合考慮[9]。

3.2 溫度場現(xiàn)場測試結(jié)果

起始狀態(tài)的測試結(jié)果見圖1，從2017年11月監(jiān)測數(shù)據(jù)可見此時(shí)土體溫度橫向較為均勻，且土體凍深較小。此后隨著氣溫降低，土體溫度出現(xiàn)明顯的梯度，距離坑壁土體最遠(yuǎn)端探測孔溫度較距離坑壁土體近端探測孔溫度高，且有距離坑壁越遠(yuǎn)土體溫度越高的趨勢。由于基坑側(cè)壁處于雙向凍結(jié)過程中，距坑壁10 cm處探測孔數(shù)據(jù)為溫度場數(shù)據(jù)包絡(luò)溫度線，在2017年12月最大凍深為6 m，溫度場在2018年2月底達(dá)到最大凍深13 m，見圖2。溫度變化波動(dòng)主要集中在3 m以上的范圍內(nèi)，3 m以下范圍的溫度場具有明顯的規(guī)律性。溫度梯度在2017年11月至2017年12月較大，2018年3月達(dá)到極小值。由于基坑凍脹初期土體溫度的滯后性導(dǎo)致基坑側(cè)壁土體初期具有較大的溫度梯度，且由于凍土與非凍土熱學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致此時(shí)的凍結(jié)過程為非穩(wěn)定態(tài)。在基坑側(cè)壁凍結(jié)鋒面停止移動(dòng)后溫度梯度達(dá)到最小值，且溫度曲線呈相對(duì)線性，凍土與非凍結(jié)土之間熱學(xué)性質(zhì)差異減小。

圖1 2017年11月溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 2018年2月溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 深基坑溫度場數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬基于COMSOL Multiphysics對(duì)溫度場進(jìn)行分析。溫度場分析基于傅里葉定律與能量守恒定律建立溫度場方程，水分場分析基于達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律建立水分場方程[10]。計(jì)算模型采用多孔介質(zhì)模塊、微分方程模塊分析流熱耦合，其中多孔介質(zhì)模塊為系統(tǒng)內(nèi)置模塊，微分方程為自定義耦合模塊，在COMSOL Multiphysics計(jì)算過程中，先將各個(gè)模塊轉(zhuǎn)換為弱微分方程并求解該微分方程，通過對(duì)該方程的求解，進(jìn)一步得到溫度場的變化情況[11-12]。

基坑表層土體溫度基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地區(qū)氣溫?cái)?shù)據(jù)，為獲取基坑表層土體溫度數(shù)據(jù)，通過對(duì)該氣溫?cái)?shù)據(jù)的擬合得出基坑表層土體溫度曲線，由于監(jiān)測時(shí)間間隔較長，故在實(shí)際建模計(jì)算的過程中需要對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，如圖3所示。由于數(shù)據(jù)本身離散點(diǎn)多，且數(shù)據(jù)震蕩較為頻繁，為了避免過擬合或出現(xiàn)龍格現(xiàn)象，對(duì)溫度場數(shù)據(jù)采用三次插值[13]，如式(1)所示。

圖3 2017年11月至2018年4月呼和浩特地區(qū)溫度氣候變化圖

土層材料參數(shù)與溫度計(jì)算物理參數(shù)如表2所示。

表2 土體熱物理參數(shù)及材料參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

為了與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，模型求解總時(shí)長為150 d，步距為1 d，溫度變化情況基于2017年11月至2018年4月呼和浩特地區(qū)溫度變化情況進(jìn)行設(shè)定。圖4表示30 d時(shí)基坑溫度場分布情況。通過對(duì)比分析，土體表面溫度變化受氣溫影響較大，與氣溫存在實(shí)時(shí)變化趨勢。

圖4 30 d時(shí)基坑溫度場數(shù)值計(jì)算(單位：℃)

為分析模型溫度場隨時(shí)間變化規(guī)律，對(duì)三維模型截面進(jìn)行研究，選取典型截面進(jìn)行溫度場分析。初始狀態(tài)下，基坑表層溫度在氣溫的影響下變化較大。圖5給出了基坑截面溫度場在150 d時(shí)的變化情況。

圖5 150 d后基坑截面溫度場變化

在模型降溫初期，土體溫度變化集中在表層，土體內(nèi)部溫度變化較小，溫度梯度較大。隨著模型降溫時(shí)間增加，溫度曲線逐漸擴(kuò)展，土體內(nèi)部溫度變化較為平緩，溫度梯度逐漸減小?？諝鉁囟冉档偷阶畹忘c(diǎn)時(shí)，土體溫度擴(kuò)散未達(dá)到極大值。土體溫度場呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大趨勢，但擴(kuò)展速度較緩慢。50 d后基坑外側(cè)土體溫度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，是由于基坑外側(cè)地下連續(xù)墻導(dǎo)熱系數(shù)較大，使得外側(cè)土體受氣溫影響較小。基坑上側(cè)土體溫度較基坑外側(cè)土體溫度較低，故呈現(xiàn)溫差拐點(diǎn)。100 d后基坑上側(cè)土體等溫線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，是由于此時(shí)地表溫度開始回升，表層土體受氣溫影響較大。地表氣溫回升對(duì)基坑溫度場影響于150 d時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)基坑土體溫度存在明顯的溫度夾層，使得夾層中溫度較上下兩側(cè)溫度較低，土體溫度處于雙向升溫的狀態(tài)。

4.3 與測試數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)比檢測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，得到檢測斷面距離地下連續(xù)墻0.3 m土體位置實(shí)際凍深與模擬凍深的關(guān)系。如圖6所示，現(xiàn)場檢測試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值變化規(guī)律一致。由于測點(diǎn)位于基坑外側(cè)邊緣，故受到地下連續(xù)墻外側(cè)溫度影響較大。觀察可知，土體在凍結(jié)過程中初期凍結(jié)深度較小，當(dāng)土體處于雙向凍結(jié)狀態(tài)時(shí)凍深迅速增大直至最大凍深。隨著基坑內(nèi)側(cè)溫度升高，凍深隨著土體溫度的回升而快速減小。

圖6 基坑凍深實(shí)際值與模擬值對(duì)比

5 結(jié)束語

(1)土體中溫度存在兩個(gè)變化區(qū)段，第一個(gè)變化區(qū)段為距離擋土墻頂部0～5 m范圍，第二個(gè)變化區(qū)段為距離擋土墻頂部15～20 m范圍，第一個(gè)變化區(qū)段受大氣溫度影響較大，且在土體的兩個(gè)變化區(qū)段中存在一個(gè)恒溫層。凍脹初期受表層溫度影響較大的范圍主要集中在5 m以內(nèi)，恒溫層范圍為5 m以下。隨著外部溫度的逐漸下降，土層凍結(jié)深度在逐漸增大，且恒溫層也隨之下降，在2月初達(dá)到最低。

(2)基坑外側(cè)邊緣土體溫度由于受雙向降溫的影響，故其最大凍深較一般情況下土體凍深大，且在距離基坑0.5 m范圍內(nèi)最大凍深達(dá)到15 m。在基坑外側(cè)邊緣的土體零攝氏度等溫線較陡峭，其溫度下降速率較大，但該區(qū)域土體低于零攝氏度范圍相對(duì)較小，且受氣溫影響較大。

(3)基于水熱力耦合模型，使用COMSOL Multiphysics有限元軟件對(duì)基坑溫度場進(jìn)行模擬仿真，模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本相同，可以作為基坑溫度場模擬計(jì)算有效手段。