严寒地区深基坑土体温度场动态变化研究

文章编号：1009 -4539(2020) 05 - 0021 -04•科技研究•
严寒地区深基坑土体温度场动态变化研究
邵莹
(中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043)
摘要：对冬季期间呼和浩特地铁车站主体深基坑进行现场土体温度测试，分析测试孔温度变化规律，得出基坑截 面冻结范围；同时,提出水热力耦合模型，拟合实测气温数据得出基坑表层土体温度曲线，通过建立数值模型对基 坑土体温度场进行模拟。

并比对现场试验数据对模型进行验证，研究严寒条件下深基坑土体温度场动态变化规 律。

结果表明：基于水热力耦合模型基坑温度场模拟仿真，与现场检测试验数据变化规律基本相同，可作为基坑温 度场模拟计算有效手段，为进一步分析研究土体冻胀应力提供基础支撑。

关键词：严寒地区深基坑温度场
中图分类号：U231.4文献标识码：A D O I：10. 3969/j. issn. 1009-4539. 2020.05. 005
Study on Dynamic Change of Soil Temperature Field of Deep
Foundation in Severe Cold Area
S H A O Ying
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi* an Shaanxi 710043, China)
A bstract：In the winter, the soil temperature of the deep excavation pit in Hohhot metro station is tested, the law of soil
temperature change in the test hole is analyzed, and the freezing range of the deep excavation is obtained. Meanwhile, the coupled model of Moisture Heat and Stress Fields during soil freezing is proposed, the temperature curve of the surface soil
i s obtained by fitting the measured temperature data, and the soil temperature field of the deep excavation i s simulated by
establishing the numerical analysis model. By comparing with the site measurement data, the dynamic change law of soil temperature field in deep excavation under severe cold condition is studied. T^ie results show that the simulation of temperature field in deep excavation based on the coupled model of Moisture Heat and Stress Fields is basically the s a m e as the change law of site measurement data, which can be used as an effective method for the simulation calculation of temperature field in deep excavation pit and provide the basic support for further analysis and research of soil frost heave stress.
Key w ords：severe cold area； deep excavation； temperature field
1引言
在严寒地区，低温及大温差对深基坑支护结构 及周边土壤带来的影响是不可忽视的[1]，地铁基坑 常用止水和竖向深基坑开挖方式[2],基坑开挖后，坑底及支护结构背侧水土将受到低温的严重影响，
收稿日期：2020-02-13
基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发计划项目(17-45)
作者简介：邵莹（1982 -)，男，安徽蚌埠人，高级工程师，硕士，主要从 事城市轨道交通结构设计及地下工程设计工作；E-mail:
30211252@ 严寒条件下易引起水土冻胀，目前水土冻胀的机理 研究尚不深入,国内设计和施工规范规程也未明确 水土冻胀力计算方式以及水土冻胀对支护结构影 响的量化计算,对严寒条件下明挖基坑支护设计造 成很大的困扰。

季节性冻土地区温度是影响冻胀的重要因素[3]，准确掌握越冬基坑温度变化规律对研究基坑 冻胀具有重要意义，分析冻胀应力首先需要建立合 理的土体温度场。

近年来，国内对冻融环境下深基 坑温度场分布及冻胀应力影响进行了大量研究，杜 东宁[4]依托毗邻沈阳市政府的东森CBD商务广场
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二期基坑工程，模拟研究冻融循环作用下基坑在越 冬过程中基坑支护变形和内力规律;武军红[5]在北京 地铁十三陵景区站基坑采用COMSOL数值模拟软 件，建立水、热、力三相耦合数值模型,揭示越冬基坑 温度场、水分场及应力场中变量及参数的分布变化规 律;彭第[6]通过有限元数值分析软件，建立基坑冻结 过程中温度场模型，研究冻土墙用于深基坑支护工程 冻结过程中冻结时间、冻结距离与冻结温度的关系；王艳杰[7:通过COMSOL多物理场耦合有限元分析软 件，建立越冬基坑模型，对水平冻胀力的影响因素进 行了研究；孙超、邵艳红[8]通过有限差分软件FLAC3D，建立季节性冻土地区基坑桩锚支护计算模 型，模拟分析基坑工程冻融作用。

本文结合呼和浩特地铁1号线地下车站深基坑 土温测试结果，以及深基坑温度场的数值模拟，分 析和研究严寒条件下围护结构背侧水土温度动态 变化规律，为进一步研究温度及含水量变化条件下 水土冻胀应力打下坚实的基础。

2工程概况
2.1场地水文和气象条件
呼和浩特市属于温带干旱半干旱气候区，冬季 时间较夏季长，且冬季温度较低，季节变化剧烈且四 季变化明显，全年降水较少，受阴山山脉的影响较大。

据相关资料，呼和浩特地区降水集中在7 ~9月，占全 年降雨量的70%以上，极端最高气温为38.5丈，历 史记录最低气温为-41.5 呼和浩特市城区的主
要气象指标如表1所示。

表1主要气象指标
指标类别指标数值指标类别指标数值
多年平均气温/t 6.7
多年平均
相对湿度/%
54
极端最高气温/丈38.5主导风向西北
极端最低气温/丈-40.5多年平均风速/
(m.s _1)
1.67
多年平均降水量/mm400.0最大风速/(m_s^)18.3
最大日降水量/m m130.6瞬时最大风速/
(ITTS _1 )
25
多年平均蒸发量/m m1 819.4
土壤标准
冻结深度/c m
160
场地赋存地下水类型为潜水，潜水水位埋深为 4.30 ~8.6 m,含水层主要为粉土③3层、粉砂③4层、细砂③5层、中砂③6层、粗砂③7层、圆砾③9层，主 要接受北部山前的侧向径流补给及大气降水人渗 补给，排泄方式以径流排泄为主；动态变化约在1_5 ~ 3.0 m。

2.2场地地质条件
根据钻探资料及室内土工试验结果，场地土层 主要由人工堆积层、砂土、黏土三类组成。

基坑外 侧土体大致分为3个大层。

人工填土层（<?4m l):主要有杂填土①，层、素填 土①2层，该大层厚度为1.0 ~ 4. 6 m,层底标高 为 1 045.31 ~1 048.90 m。

第四系上更新统~全新统冲洪积层（):主 要有粉质黏土③2层、粉土③3层、粉砂③4层、细砂 层、中砂像层、粗砂③7层、圆砾③,层,该大层厚度为9.0 ~ 15_1m，层底标高为 1 032_ 99 〜1 037.25 m。

第四系中更新统冲湖积层（以1+1):主要有黏土 ④，层、粉质黏土④2层、粉土@3层、粉砂层、细砂④5层。

2.3基坑支护设计
地铁车站采用地下两层双柱二跨的结构形式，现场测试位置基坑宽度22.7 m,深度约18.4 m，车 站采用明挖（局部盖挖）顺作法施工，基坑围护结构 采用地下连续墙，基坑内设轮/钢管内支撑，车站主 体为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，结构外设置全 外包防水层。

3现场土体温度测试
3.1 土温现场测试
本次测试主要对基坑周围土体温度、土压力进 行测试。

测点的选择集中在已经开挖到底部的基 坑的坑壁。

布置测量土压力的测点集中在离基坑 最近的探测孔内，距离地下连续墙1〇 cm左右，以便 能更好地测得土体冻胀力。

为了能够更好地分析 温度沿着基坑的分布情况，温度探测器沿着平行于 地下连续墙竖直方向进行布置，一共布设2个断面,每个断面布置4个探测孔，每个探测孔离地下连续 墙距离分别为1〇、60、110、160 cm,对应每个探测孔 的深度依次是26、22、17、17>«。

因为冻胀主要发生 在基坑上部，为了能对探测孔内的数据进行更加精 确的分析，故每个探测孔在深度方向的布置密度按 照“上密下疏”的原则进行布设。

本次温度测试时
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2 3 5 7 9 11 13 15 17 19 22 26 土体深度/m
2017年11月温度场监测数据-距离坑壁160 m m 士距离坑壁110 m m +距离坑壁60 m m
~♦■距离坑壁10 m m 4深基坑温度场数值模拟
4.1计算模型
数值模拟基于COMSOL Multiphysics 对温度场进 行分析。

温度场分析基于傅里叶定律与能量守恒定 律建立温度场方程，水分场分析基于达西定律与质量 守恒定律建立水分场方程[1°]。

计算模型采用多孔介 质模块、微分方程模块分析流热耦合，其中多孔介质 模块为系统内置模块，微分方程为自定义耦合模块， 在COMSOL Multiphysics 计算过程中，先将各个模块 转换为弱微分方程并求解该微分方程,通过对该方程 的求解，进一步得到温度场的变化情况["_12]。

基坑表层土体温度基于2017年11月至2018 年4月呼和浩特地区气温数据，为获取基坑表层土 体温度数据，通过对该气温数据的拟合得出基坑表 层土体温度曲线，由于监测时间间隔较长，故在实 际建模计算的过程中需要对离散数据进行插值，如 图3所示。

由于数据本身离散点多，且数据震荡较 为频繁，为了避免过拟合或出现龙格现象，对温度 场数据采用三次插值:13]，如式（1)所示。

j =6x lO 'V -7. 273 9x2 +313 545^-5 xlO 9 (1)
24 r
1 2 3 5 7 9 11 13 15 17 19 22 26 土体深度/m 图2 2018年2月温度监测数据间是从2017年11月至2018年4月，测试频率按照
地温和气温进行综合考虑[9]。

3.2温度场现场测试结果起始状态的测试结果见图1，从2017年11月 监测数据可见此时土体温度横向较为均勻，且土体 冻深较小。

此后随着气温降低，土体温度出现明显 的梯度，距离坑壁土体最远端探测孔温度较距离坑 壁土体近端探测孔温度高，且有距离坑壁越远土体 温度越高的趋势。

由于基坑侧壁处于双向冻结过 程中,距坑壁1〇 cm 处探测孔数据为温度场数据包 络温度线，在2017年12月最大冻深为6 m ,温度场 在2018年2月底达到最大冻深13 m ,见图2。

温度 变化波动主要集中在3 m 以上的范围内,3 m 以下 范围的温度场具有明显的规律性。

温度梯度在 2017年11月至2017年12月较大，2018年3月达 到极小值。

由于基坑冻胀初期土体温度的滞后性 导致基坑侧壁土体初期具有较大的温度梯度，且由 于冻土与非冻土热学性质的差异导致此时的冻结 过程为非稳定态。

在基坑侧壁冻结锋面停止移动 后温度梯度达到最小值，且温度曲线呈相对线性, 冻土与非冻结土之间热学性质差异减小。

图3 2017年11月至2018年4月呼和
浩特地区温度气候变化图
土层材料参数与温度计算物理参数如表2所示。

表2 土体热物理参数及材料参数
材料及参数
密度/ (kg-m -3)孔隙比渗透
系数/(m *d )压缩 模量/ M Pa 导热系数/ (W -m -1 •v -1)比热容/
(kj ~ 1 •
^ -')
素填土1 9000.510.3 5.3 1.92 1.20
粉质黏土 2 0100.630.5 6.4 1.291. 15
粉砂土 2 0300.53113 1.94 1.03
黏土1 9600.790.059.7 1.33 1.31
冰918 2.31 2. 10
水1 0000.63 4.20
图20.
15’
0^
5 .0'-53b /^l 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2020(05}
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4.2计算结果
为了与现场实测数据进行对比分析，模型求解 总时长为150 d ,步距为1 d ,温度变化情况基于 2017年11月至2018年4月呼和浩特地区温度变化 情况进行设定。

图4表示30 d 时基坑温度场分布 情况。

通过对比分析，土体表面温度变化受气温影 响较大，与气温存在实时变化趋势。

图4 30 d 时基坑温度场数值计算（单位:=)
为分析模型温度场随时间变化规律，对三维模 型截面进行研究，选取典型截面进行温度场分析。

初始状态下，基坑表层温度在气温的影响下变化较 大。

图5给出了基坑截面温度场在150 d 时的变化 情况。

在模型降温初期，土体温度变化集中在表层， 土体内部温度变化较小，温度梯度较大。

随着模型 降温时间增加，温度曲线逐渐扩展，土体内部温度 变化较为平缓，温度梯度逐渐减小。

空气温度降低 到最低点时，土体温度扩散未达到极大值。

土体温 度场呈现出逐步扩大趋势，但扩展速度较缓慢== 50 d 后基坑外侧土体温度曲线出现拐点，是由于基 坑外侧地下连续墙导热系数较大，使得外侧土体受 气温影响较小。

基坑上侧土体温度较基坑外侧土 体温度较低，故呈现温差拐点。

100 cl 后基坑上侧 土体等温线出现明显波动，是由于此时地表温度开 始回升，表层土体受气温影响较大。

地表气温回升 对基坑温度场影响于150 d 时达到最大，此时基坑 土体温度存在明显的温度夹层，使得夹层中温度较 24上下两侧温度较低，土体温度处于双向升温的状态。

4.3与测试数据对比通过对比检测数据与数值模拟数据，得到检测 断面距离地下连续墙0.3 m 土体位置实际冻深与模 拟冻深的关系。

如图6所示，现场检测试验值与数 值模拟值变化规律一致。

由于测点位于基坑外侧 边缘，故受到地下连续墙外侧温度影响较大。

观察
可知，土体在冻结过程中初期冻结深度较小，当土 体处于双向冻结状态时冻深迅速增大直至最大冻 深。

随着基坑内侧温度升高，冻深随着土体温度的 回升而快速减小。

图6基坑冻深实际值与模拟值对比
5结束语
(1) 土体中温度存在两个变化区段，第一个变化 区段为距离挡土墙顶部〇 ~5 m 范围,第二个变化区 段为距离挡土墙顶部15 ~20 m 范围，第一个变化区 段受大气温度影响较大，且在土体的两个变化区段中
存在一个恒温层。

冻胀初期受表层温度影响较大的 范围主要集中在5 m 以内，恒温层范围为5 m 以下。

随着外部温度的逐渐下降，土层冻结深度在逐渐增 大,且恒温层也随之下降，在2月初达到最低。

(2) 基坑外侧边缘土体温度由于受双向降温的 影响，故其最大冻深较一般情况下土体冻深大，且 在距离基坑0.5 m 范围内最大冻深达到15 m 。

在 基坑外侧边缘的土体零摄氏度等温线较陡峭，其温 度下降速率较大，但该区域土体低于零摄氏度范围 相对较小，且受气温影响较大。

(3) 基于水热力耦合模型，使用COM SOL M ul ­tip h y sics 有限元软件对基坑温度场进行模拟仿真， 模拟数据与现场检测试验数据变化规律基本相同， 可以作为基坑温度场模拟计算有效手段。

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(2) 结合工程算例，得出圆形截面抗滑桩的布 设位置对桩身抗力和边坡稳定性系数的影响。

边 坡稳定性系数随着桩身距离坡脚距离的增加，呈倒 抛物线的变化趋势，在桩身距离坡脚约为〇. 5L 时边 坡稳定性系数达到最大值，当桩身距离坡脚为 0.4 ~0.6L 时满足边坡稳定性要求，达到理想稳定状 态，为边坡工程中合理布置圆形抗滑桩位置提供参 考依据。

(3) 土体容重(7)、内摩擦角（<^)、黏聚力（<;)的 增加可提高边坡的稳定性，其中黏聚力（c )和内摩 擦角（<p )起到主要影响因素；当桩身距坡脚水平距 离>0. 5L 时，土体重度的增加对边坡稳定性的影响 效果更加明显;在考虑边坡稳定性和工程造价的因 素时，建议采用2 ~ 2. 5倍桩径的距离进行合理 布桩。

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