一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法

1.本发明涉及寒区越冬基坑冻胀领域，具体是一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法。


背景技术：

2.城市化进程的推进加速了对地下空间的利用，基坑工程向着“深、大、近、难、险”的趋势发展，相应地，越冬基坑越来越多。现有的基坑设计一般未考虑冻胀对支护结构的影响，相关规范过于笼统而不具可执行性。例如，《冻土地区建筑地基基础设计规范》(jgj118-2011)、《水工建筑物抗冰冻设计规范》(gb/t 50662)、《渠系工程抗冻胀设计规范》(sl23-2006)仅考虑土性影响给出了挡墙结构的水平冻胀力计算方法和分布形式，未考虑温度、约束刚度、水分补给等因素的影响，也未给出基坑支护结构的水平冻胀计算方法；《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)虽明确规定应考虑冻胀、冻融对支护结构影响并采取措施，但如何考虑没有详细条文。基于水-热-力三场耦合的冻胀理论，进行数值模拟分析更接近真实情况，但该理论较为复杂，关键参数之间耦合性强，理解、应用的知识储备要求较高，不利于推广，现有监测和检测技术可以获得越冬基坑的土层参数、气温、支护结构内力等系列数据，基于这些条件，利用本方法可以较为精确地计算基坑侧壁的冻胀量，也可以便捷地利用单温度场分析建立越冬基坑冻胀变形随温度的时空变化关系，为评估冻胀对越冬深基坑的影响，进而提出一定防护措施，提供关键的依据，直接关系到工程建设的安全性。
3.目前，仅有屈指可数的专利涉及冻胀评估，其中：专利cn202210824685.6提出一种渠道冻胀破坏分析方法，可用于渠道基土冻胀和衬砌受力规律，但需要建立冻土渠道的水-热-力三场耦合模型，方法的应用普及存在较大难度；专利cn2021102495070提供了一种高速铁路路基冻胀处的轨道变形预测方法，建立路基冻胀处轨道变形随温度变化的梯形函数关系，但路基的填料和受力与基坑侧壁往往存在较大区别，不能用于评估基坑的冻胀水平；专利cn2015107863980提出一种封闭系统中饱和黏土冻胀率的计算方法，该方法基于室内试验测定的基本参数，但实际基坑侧壁的冻土处于开放系统而并非是封闭系统，水分迁移过程伴随着外部补水，开放场水源补给冻胀是冻胀变形的主要因素。因此，能够应用于越冬基坑冻胀评估与防护的技术与方法仍然较少关注。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，本发明提出了一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法，能利用土体水平多场耦合冻胀试验数据构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系；本发明提出冻胀简化分析方法，提供了越冬基坑温度场分析的流程，用于评估越冬基坑冻胀响应；本发明提出越冬基坑的冻胀防护措施，首次提出适当提高初始约束应力(锚索张拉力、支撑预加力)和改变基坑侧壁的温度场分布(包括a)对基坑侧壁铺设保温层，被动隔绝外界冷空气；b)采用能源桩等加热设备，主动抵抗外界冷空气)，上述两种措施均优于传统防护冻胀措施一味地增加支护结构变形
刚度，且具备更好的经济性。
5.为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法，包括下列步骤：a.构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系；b.提出冻胀简化分析方法，用于评估越冬基坑冻胀响应；c.提出基坑冻胀防护技术措施。
6.1、进一步，(1)确定天然土体的(饱和)含水率ω0和干密度ρd；
7.(2)制备含水率ω0和干密度ρd条件下的土体试样，测定其无约束时冻胀率η0，即此时σ0＝0kpa，k＝0n/mm；
8.(3)对于含水率ω0和干密度ρd条件下的土体，获得在开放场不同初始水平应力σ0和不同支护结构约束变形刚度k条件下土体冻胀率η的数据，该数据可以通过符合条件的已有数据统计分析确定，也可以根据专利cn202010342172.2“寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试方法与装置”开展土的系列水平多场耦合冻胀试验所得数据进行数据回归分析获得；
9.(4)记初始水平应力σ0条件包括i个特征值，分别为σ1,σ2,
……
,σi；支护结构约束变形刚度k条件包括j个特征值，分别为k1,k2,
……
,kj；通过两个条件组合，共计开展了n组试验，测定的冻胀率η包括n个特征值，分别为η1,η2,
……
,ηn。整理试验数据，并根据数据发展趋势，采用双曲线的形式进行联合拟合，得到形如式(1)的函数关系：
10.η＝f(σ0,k)＝η0(1+σ0)-α
(1+k)-β
ꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)
11.其中，α,β为待拟合参数，η0为无约束自由冻胀率。
12.(1)进一步，(1)建立越冬基坑的几何模型，其关键参数包括：基坑深度h，桩长l，桩径d，模型的宽度w(w≥2h)，模型的高度(即所有分析土层的总厚度)h(h≥1.5h)；
13.(2)确定越冬基坑的分析时间t及对应的气温t
t
，其中t可以是一个越冬期，也可以是一整年或多年；气温t
t
为当日的平均气温，可根据实测天气数据确定，也可根据当地气象资料确定；
14.(3)特别地，当通过当地气象资料确定气温t
t
时，可采用式(2)的函数关系对年度气象数据进行拟合：
[0015][0016]
tb，δt，tm，φ为具有一定物理含义的参数，其中，tb为地面年平均温度，δt为地面年平均升温，tm为地面温度变化幅值，φ为拟合函数的初始相位。
[0017]
(4)建立越冬基坑的温度场控制方程，如式(3)所示：
[0018][0019]
其中，c
*
为土体的体积比热容，λ
*
为土体的导热系数，t为计算单元温度，且通常地，c
*
、λ
*
取值可根据土体冻结状态取值。边界条件即t＝t
t
。
[0020]
(5)建立越冬基坑的应力场平衡方程，仅分析温度变化产生的冻胀变形，而不考虑开挖过程产生的变形，此时不考虑重力场的影响，如式(4)所示：
[0021][0022]
其中，σ
x
、σy为x、y方向的正应力，τ
xy
为剪应力。
[0023]
(5)建立越冬基坑的几何方程，如式(5)所示：
[0024][0025]
其中，ε
x
、ε
x
为x、y方向的正应变，ε
xy
为剪应变，u、v为单元体在x，y方向的变形。且对于整个模型而言，模型左右两侧为辊支撑边界条件，底部为固定约束边界条件。
[0026]
(6)基于上述各个方程，输入分析涉及的地层、结构的材料参数，包括：密度、泊松比、孔隙率、弹性模量、导热系数、比热容。
[0027]
采用有限元软件对上述模型进行分析，完成对越冬基坑温度场的数值模拟，通过温度场分析确定的冻结区判断冻胀量。读取分析结果中的结构变形、温度分布、基坑侧壁冻深等数据，即可用于进一步的监测数据对比、结构受力分析等工作，从而评估越冬基坑冻胀响应。
[0028]
进一步，(1)根据权利要求2所述的冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系，通常而言，拟合参数α》β，随着σ0的增大冻胀率η衰减更快，在保证支护体系节点性能的前提下，适当提高初始约束应力(锚索张拉力、支撑预加力)，该措施可有效降低冻胀量。
[0029]
(2)传统冻胀防护措施主要是提高支护结构约束刚度k，即采用更大的桩径、更小的桩间距和支撑间距、更多的锚索线束、更长更粗的锚固段、更大的腰梁截面，这意味着更多的经济投入。越冬基坑设计通常以桩身变形作为结构尺寸设计的关键控制指标，结构的实际受力相比于其极限承载能力往往存在较大富余，因此权利要求4中1)所述的措施可以在不增加经济投入的前提下降低基坑的冻胀变形。
[0030]
(3)根据权利要求3所述的冻胀简化分析方法，基坑侧壁的冻胀变形源于冻结深度以内的土体冻胀。改善基坑侧壁的温度场分布，该措施可以有效降低冻结深度，从而降低冻胀量。
[0031]
(4)上述改变基坑侧壁的温度场分布，主要有2种途径：(a)对基坑侧壁铺设保温层，被动隔绝外界冷空气；(b)采用能源桩等加热设备，主动抵抗外界冷空气，实现降低基坑临空面冻结温度及温度梯度的目的，从而有效抑制冻胀。亦可结合采用2种途径，其材料投入成本仍然小于提高支护结构约束刚度k的材料成本。
[0032]
本发明与现有的技术相比的优点在于：
[0033]
(1)本发明提出了一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法，基坑侧壁土体在水平约束下的冻胀率主要受两个因素影响，即支护结构的约束刚度和水平应力。这两个因素通
过设计图纸、现场监测手段即可获取。
[0034]
(2)本评估方法提出了冻胀简化分析方法，仅需对温度场进行数值模拟分析，相比于传统的水-热-力(水分场、温度场、应力场)耦合分析，显著降低了应用难度和计算耗时。
[0035]
(3)本评估方法提出的冻胀防护措施，克服了传统冻胀防护措施一味地增加支护结构变形刚度的误区，显著地降低了越冬基坑冻胀防护成本。
附图说明
[0036]
图1是本发明土体水平多场耦合冻胀试验结果数据图。
[0037]
图2是本发明冻胀率随水平初始应力和约束刚度变化图
[0038]
图3是本发明基坑模型图。
[0039]
图4是本发明土层热力学参数表。
[0040]
图5本发明计算结果与实测值对比。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
[0042]
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0043]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0044]
如图1和图2所示，1.下面以某粉质粘土冻胀率数据为例，构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束变形刚度k的函数关系。
[0045]
所测土体的干密度为1.6g/cm3，饱和含水率为25.4％。测定其无约束时冻胀率η0＝0.14545。记初始水平应力σ0条件包括11个特征值，支护结构约束刚度k条件包括6个特征值，通过两个条件组合，共计开展了16组试验，测定的冻胀率η包括16个特征值，如图1所示，对图1数据，按照式(1)的函数关系进行联合拟合，得到：
[0046]
η＝η0·
f(σ0)
·
g(k)＝0.146(1+σ0)-0.4
(1+k)-0.092
，r2＝0.810
[0047]
即α＝0.4，β＝0.092，α》β，随着σ0的增大冻胀率η衰减更快。将上述函数关系绘制在三维坐标系中，可以更直观地理解其变化趋势，如图2所示。如图3所示，下面以某粉质粘土越冬基坑为例，实施冻胀简化分析方法。
[0048]
建立越冬基坑的几何模型，其关键参数包括：基坑深度h＝23m，桩长l＝31m，桩径d＝1m，模型的宽度w＝45m，模型的高度(即所有分析土层的总厚度)h＝36m。其几何模型如图3，根据基坑当地的气象资料，按照式(2)确定气温变化规律，并且计算日期为10月16日(t＝289)至翌年3月22日(t＝81)，共计157天：
[0049][0050]
将式(3)、(4)、(5)所述方程输入至comso l有限元分析软件中，并为土体、桩赋予其材料参数。
[0051]
如图4所示，在comso l软件中，计算该基坑模型，查看计算结果，即可整理得到：基
坑侧壁土体在不同高度、深度的温度场分布，以及基坑支护结构的冻胀变形。该计算结果可与设计值或是现场监测的实测值进行对比，进一步分析冻胀响应。
[0052]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法，其特征在于：包括下列步骤：a.构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系；b.提出冻胀简化分析方法，用于评估越冬基坑冻胀响应；c.提出基坑冻胀防护技术措施。2.根据权利要求1所述构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系，其特征在于包括下列步骤：(1)确定天然土体的(饱和)含水率ω0和干密度ρ
d
；(2)制备含水率ω0和干密度ρ
d
条件下的土体试样，测定其无约束时冻胀率η0，即此时σ0＝0kpa，k＝0n/mm；(3)对于含水率ω0和干密度ρ
d
条件下的土体，获得在开放场不同初始水平应力σ0和不同支护结构约束变形刚度k条件下土体冻胀率η的数据，该数据可以通过符合条件的已有数据统计分析确定，也可以根据专利cn202010342172.2“寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试方法与装置”开展土的系列水平多场耦合冻胀试验所得数据进行数据回归分析获得；(4)记初始水平应力σ0条件包括i个特征值，分别为σ1,σ2,
……
,σ
i
；支护结构约束变形刚度k条件包括j个特征值，分别为k1,k2,
……
,k
j
；通过两个条件组合，共计开展了n组试验，测定的冻胀率η包括n个特征值，分别为η1,η2,
……
,η
n
。整理试验数据，并根据数据发展趋势，采用双曲线的形式进行联合拟合，得到形如式(1)的函数关系：η＝f(σ0,k)＝η0(1+σ0)-α
(1+k)-β
ꢀꢀꢀꢀ
式(1)(5)其中，α,β为待拟合参数，η0为无约束自由冻胀率。3.根据权利要求1所述提出冻胀简化分析方法，其特征在于包括下列步骤：(1)建立越冬基坑的几何模型，其关键参数包括：基坑深度h，桩长l，桩径d，模型的宽度w(w≥2h)，模型的高度(即所有分析土层的总厚度)h(h≥1.5h)；(2)确定越冬基坑的分析时间t及对应的气温t
t
，其中t可以是一个越冬期，也可以是一整年或多年；气温t
t
为当日的平均气温，可根据实测天气数据确定，也可根据当地气象资料确定；(3)特别地，当通过当地气象资料确定气温t
t
时，可采用式(2)的函数关系对年度气象数据进行拟合：t
b
，δt，t
m
，φ为具有一定物理含义的参数，其中，t
b
为地面年平均温度，δt为地面年平均升温，t
m
为地面温度变化幅值，φ为拟合函数的初始相位。(4)建立越冬基坑的温度场控制方程，如式(3)所示：其中，c
*
为土体的体积比热容，λ
*
为土体的导热系数，t为计算单元温度，且通常地，c
*
、λ
*
取值可根据土体冻结状态取值。边界条件即t＝t
t
。(5)建立越冬基坑的应力场平衡方程，仅分析温度变化产生的冻胀变形，而不考虑开挖过程产生的变形，此时不考虑重力场的影响，如式(4)所示：
其中，σ
x
、σ
y
为x、y方向的正应力，τ
xy
为剪应力。(6)建立越冬基坑的几何方程，如式(5)所示：其中，ε
x
、ε
x
为x、y方向的正应变，ε
xy
为剪应变，u、v为单元体在x，y方向的变形。且对于整个模型而言，模型左右两侧为辊支撑边界条件，底部为固定约束边界条件。(7)基于上述各个方程，输入分析涉及的地层、结构的材料参数，包括：密度、泊松比、孔隙率、弹性模量、导热系数、比热容。(8)采用有限元软件对上述模型进行分析，完成对越冬基坑温度场的数值模拟，通过温度场分析确定的冻结区判断冻胀量。读取分析结果中的结构变形、温度分布、基坑侧壁冻深等数据，即可用于进一步的监测数据对比、结构受力分析等工作，从而评估越冬基坑冻胀响应。4.根据权利要求1所述提出的冻胀防护措施，其特征在于包括下列步骤：(1)根据权利要求2所述的冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度k的函数关系，通常而言，拟合参数α>β，随着σ0的增大冻胀率η衰减更快，在保证支护体系节点性能的前提下，适当提高初始约束应力(锚索张拉力、支撑预加力)，该措施可有效降低冻胀量。(2)传统冻胀防护措施主要是提高支护结构约束刚度k，即采用更大的桩径、更小的桩间距和支撑间距、更多的锚索线束、更长更粗的锚固段、更大的腰梁截面，这意味着更多的经济投入。越冬基坑设计通常以桩身变形作为结构尺寸设计的关键控制指标，结构的实际受力相比于其极限承载能力往往存在较大富余，因此权利要求4中1)所述的措施可以在不增加经济投入的前提下降低基坑的冻胀变形。(3)根据权利要求3所述的冻胀简化分析方法，基坑侧壁的冻胀变形源于冻结深度以内的土体冻胀。改善基坑侧壁的温度场分布，该措施可以有效降低冻结深度，从而降低冻胀量。(4)上述改变基坑侧壁的温度场分布，主要有2种途径：(a)对基坑侧壁铺设保温层，被动隔绝外界冷空气；(b)采用能源桩等加热设备，主动抵抗外界冷空气，实现降低基坑临空面冻结温度及温度梯度的目的，从而有效抑制冻胀。亦可结合采用2种途径，其材料投入成本仍然小于提高支护结构约束刚度k的材料成本。

技术总结
本发明公开了一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护方法，包括下列步骤：a.构建土体冻胀率η与初始水平应力σ0和支护结构约束刚度K的函数关系；b.提出冻胀简化分析方法，用于评估越冬基坑冻胀响应；C.提出基坑冻胀防护技术措施。本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明本发明提出了一种寒区越冬基坑冻胀评估与防护技术，基坑侧壁土体在水平约束下的冻胀率主要受两个因素影响，即支护结构的约束刚度和水平应力。这两个因素通过设计图纸、现场监测手段即可获取。手段即可获取。手段即可获取。


技术研发人员：辛全明 苏艳军 佘小康 曹洋 孙振华 李智明 梁海 付丹 赵亮 朗猛
受保护的技术使用者：黑龙江科技大学 中建东设工程技术（上海）有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15