季节性冻土区深基坑桩锚支护结构冻胀变形控制研究

梁玉柏

摘要：季节性冻土地区由于温差小，冻容时间短导致膨胀对地壳的影响往往被忽视，但在特殊情况下，往往可以看到由此引起的坍塌安全事故。文章对支护结构的冻胀原理和计算方法做出了分析，结合长春深基坑工程，对其基坑监测效果及相应的解决措施过程进行探讨，总结出桩基支护结构体系的影响因素，并提出注意事项进行预防和解决。

关键词：季节性冻土区；深基坑支护；结构冻胀变形控制；措施研究；

前言

冻胀是低温常见的问题之一。由于胀形变形，许多基础建筑设备失去了原有的功能，给今后的工作带来了相当大的不便和风险。在季节性霜冻地区，深井更容易造成挡块和锚固支护设备的变形，直接导致寒冷地区有关地区地下资源勘探和开发的瓶颈。因此，在过去的几年中，越来越多的人研究了挡块和支护锚的结冰引起的胀形变形，并在有效解决这一问题方面取得了很大进展。

一、冻胀原理

1.土体冻胀是一个复杂的物理过程。随着形成温度的降低和热交换过程的进行，土壤温度到土壤中水的结晶点就会结冰。缝隙里的水从晶状体、透镜体和冰层之间的缝隙里流入，冰渗入土壤，增加土壤质量，这就是土壤的冻胀。土壤温度增高时，冻土层土壤熔化，冰侵蚀体在土壤中熔化，同时饱和度和过饱和的土壤减少土壤承受力，称为土壤熔化沉降。季节性冻土区一般位于湿地地区，夏季气温低，水分贮存在土壤中。冬天地下水的水和土壤完全结冰了。这种现象导致冬季冻土地区稳定性下降，建筑基础不稳定，容易受到损伤。特别是对于在建筑物地下容易发生变形会影响设备功能的“膨胀现象”，目前世界上还未有有效解决冻土膨胀的方案，应该长期研究并探讨季节性冻土地区的基坑锚柱支护设备的“膨胀变形”问题。

2.冻土胀形可分为原位胀形和凝胶胀形。多孔水的原位凝胶，即原位冻伤，使多孔水的体积增加了约9%。霜冻是由外部的水重新形成的，并被转移到土壤的一个特定点，称为部分霜冻，占体积增加的109%。因此，开放系统的局部胀形是土壤胀形的主要组成部分。由于霜冻和解冻而引起的土壤性质的变化对地下和上层结构有直接影响。在地下工作中，结冰引起的胀形会引起外壳的位移和破裂。地下管道在膨胀和解冻过程中，如果受到过大的土体拉伸和剪切应力，就会受到破坏。因此，有必要研究和分析季节性冻结区深井结冰胀形的影响。

二、工程概况

长春地区日平均气温稳定低于5℃时间大约自11月1日至次年4月1日，长达五个多月。长春市的地貌形态属于波状台地和一级阶地。白垩纪泥岩和砂岩构成基底，台地的覆盖层为10～30m左右厚的粘性土层，底部为厚度不等的砾砂层。东部为伊通河一级阶地，上部为含少量有机质的粘性土，下部为中、粗砂、砾砂层。长春的气候属欧亚大陆东部中温带大陆性半湿润～半干旱季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。

1.工程地形地貌

本工程勘察时，场地地貌单元为波状台地，全场地孔口高程最大值为201.44m，最小值为191.31m，最大高差10.13m。依据设计提供勘察任务书，本次勘察的最大深度为30.00m，拟建场地地层由上部杂填土、粉质粘土、中砂和下部白垩纪泥岩组成。现由上至下分述如下：杂填土、粉质粘土、中砂、全风化泥岩、强分化泥岩。

2.水文地质

（1）拟长春地区较大河流为伊通河和饮马河，由南向北，纵贯全区。伊通河发源于伊通县青顶子岭下，经由新立城水库北下与饮马河和其两河支流双阳河、伊丹河、新开河等组成密集的水文网，注入第二松花江。长春市地下水受基底构造，地层岩性和地形、地貌、气象等综合因素影响，水文地质条件复杂。从构造方面可将地下水分为松散岩类孔隙水及碎屑岩类裂隙水，上主要为第四系松散岩类孔隙水，透水性不均，其中粘性土透水性弱、水量较少，中砂透水性良好、水量较大，底部有白垩纪泥砂岩互层组成，因构造作用使部分地段岩石破碎，赋存地下水。（2）根据相关的水文地质资料及地区多年的勘察经验，该区渗透系数可按如下选取：粉质粘土取k=0.3m/d；粉质粘土取k=0.2m/d；中砂取k=25m/d；全风化泥岩取k=0.25m。（3）勘察期间场地及其周围无工业污染源，根据地区经验，地下水及土对地下水对混凝土结构具微腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。综上所述，场地土对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。

3.支护方案设计

调蓄池：工程总建筑面积为11500㎡，建筑地下深度约为12.4-19.2m。现地面土为临时堆放以淤泥为主的杂填土，标高范围为192.1-201.44m。现场计划将场地范围内多余土方外运，将标高统一找平到193.2m之后再进行降水和支护的施工。主基坑支护结构安全等级为一级，副坑的支护结构安全等级为二级。基坑东北角，既土方外运的出口处有一处既有顶管钢筋混凝土工作井，井深约9米。调蓄池基坑深度大于5m属于深基坑支护为保证基坑施工安全，基坑的支护结构形式采用的是钢筋混凝土支护桩、锚索、喷锚的支护形式。基坑外采用闭合式井点降水井并配合止水帷幕进行降水防水，坑内采用疏干井降水。本工程支护分5个剖面进行设计。

4.基坑监测

基坑工程的监测指的是通过利用专业的仪器和设备，对涉及基坑工程安全的各项指标进行连续采集与分析，确保能够及时有效发现安全隐患，保证基坑及周边建筑的安全。并且，基坑工程的监测的持续时间很长，始于基坑未开挖，止于基坑回填结束。本工程周边建筑物较多且距离较近，工程场地安放了多型检测设备，能够对基坑坑壁的位移、基坑支护结构的水平位移、周边建筑的沉降和变形等重要指标进行不问断的检测与分析。具体的监测符合《建筑基坑工程监测技术规程》(GB50497—2009)。由于工作的复杂性，对支护墙、竖井巷道、管道、地面流量、锚杆内力和支护变形进行了监测。在整个坑的施工过程中，坑的整体稳定性和周围建筑物的变形应符合规范和施工要求。为保证基坑在开挖和基础施工过程中的安全与稳定，对支护桩的桩顶水平位移进行了监测，整个监测工作前后历时约240d。

三、深基坑桩锚冻胀现象解决措施

1.冻土置换

综上我们可以得出这样的结论:深基坑冻土膨胀的主要受到锚固支护设备关联、空气温度、地下水和土壤质量影响。为了有效地解决问题,必须整体地看待这三个方面。考虑到土壤和地下水的膨胀，可以针对冻土的位移。随着时间的推移，我们开发了不结冰的材料。在随后在季节性冻结地区建造深井时，根据实际情况，可以用不引起冻结膨胀的材料代替周围的冻结。装置和设备操作的锚固支护桩并不直接接触到冰冻的土地和地下水,从而有效防止凝胶溶胀变形和有效控制设备。

2.隔绝温度

聚苯乙烯板是一种新型的低导电性材料，对温度和冷的变化不敏感，具有较强的温度隔离能力，价格低廉耐久性好的优点。这种材料非常适合用作地下基坑的挡块和锚固设备的绝缘。在实际应用中，基坑锚杆支护结构中最脆弱的部分根据实际情况采用特殊的绝缘保护。同时，聚苯乙烯板用于基础坑周围的有效隔热。在实际施工过程中，要避免在施工过程中对材料本身造成损坏。

结束语

总之，冻胀现象给我国寒冷地区的勘探带来了一定的困难，特别是在深基坑的桩支护和锚固方面。季节性霜冻地区的霜冻胀形现象极其严重，有关单位需要迫切解决这些困难，促进其发展。

参考文献：

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