季节性冻土对基坑安全性影响的研究

季节性冻土对基坑安全性影响的研究

季节性冻土的冻胀冻融特性对基坑支护体系的安全有较大的影响。本文以黑龙江省鸡西市某桩锚支护基坑工程的变形监测资料为依据，重点对冻胀冻融期的基坑变形进行了分析研究。监测结果显示，在土中含水量相对更丰富的区域冻胀量越大，冻胀作用对冻结深度以下部位影响较小，预应力锚杆在冻胀期对维持基坑安全稳定性具有显著作用。

标签：季节性冻土位移变化量冻胀冻融基坑安全冻结深度

1引言

季节性冻土顾名思义是受季节的影响，冬季冻结，夏季全部消融。因为季节性冻土所具有冻胀冻融特性，因此在季节性冻土地区的工程建筑工程要紧密关注其对工程的影响并采取必要的防范措施。

冻胀作用通常会引起地表不均匀隆起、土体膨胀等地面变形，这主要是两方面造成即土体中所含水的东结成冰及冰体尤其是凸镜状冰体的增长。冻胀可划分为两类—原位冻胀和分凝冻胀，其中原位冻胀会使体积增大9%，而分凝冻胀会使其增大1.09倍。前者体积增大的原因是孔隙水（正冻土中）及未冻水（已冻土中）的原位冻结，后者体积增大是因为土中由于土颗粒表面能的作用而存在的薄膜水受温度梯度的诱导发生迁移，并聚集在前进的冻结锋面后方发生冻结。

在冻胀期，土中的液相水在低温的作用下变成固相冰，进而造成体积膨胀，基坑的围护结构及土体受此冻胀力的作用产生变形。对冻胀造成影响的因素有内在因素和外在因素，内在的因素受土体本身土质性质的影响，比如压缩性、渗透性、含水率、土体密度等。外在因素是指与土体冻结条件相关的因素，如冻结时的温度、孔隙水压力等等。气温回升后，季节性冻土逐渐融化，冰晶和冰膜融化成水，导致冻土内部结构发生显著变化，体积缩小。

2工程实例分析

2.1工程概况

该基坑工程坐落于鸡西市鸡冠区中心大街与祥光路交叉口西北侧，鸿雁街东侧，河滨公园南侧，北临穆棱河。基坑东西方向约230m，南北方向约240m，周长约910m，占地面积约5.53万平方米，采用桩锚支护体系。基坑开挖深度住宅区一层5.55～6.2m，商业区地下二层11.5m和12.5m。本基坑安全等级为一级。

2.2工程地质条件

根据野外钻探所揭露的地基土，上部为第四系圆砾组成，下部为不同风化程度的泥岩和砂岩。由上而下分为5个主层，分述如下：①杂填土：厚度为1.0～

6.1m，建筑垃圾、砖块为主。②层圆砾：厚度为2.1～6.3m，层底深度为6.1-9.8m，黄褐色-灰褐色，饱和，稍密-中密。③层全风化泥岩：厚度为0.7～

7.5m，层底深度为

8.0～16.0m，灰黑色-灰绿色，风化成土柱状。④层强风化泥岩：厚度0.6～14.4m，层底深度为13.1～37.3m，灰绿色-灰黑色。⑤层中风化砂岩：厚度2.5～

9.1m，层底深度为29.5～48.0m，灰绿色，主要成柱状。

2.3水文地质条件

本区地下水埋藏较浅，属于潜水类型，微承压性，赋存于圆砾层中，其补给源主要为穆棱河水及大气降水，与穆棱河水力联系密切。勘察时，初见水位深度为3.20～5.90m，静止水位深度为1.20～3.90m（标高为185.04～186.36m），丰水期时（每年的8、9、10月）水位抬升约2～3m。

2.4冻胀期变形监测分析

冻胀期基坑变形监测点选取如下：在基坑北侧东部靠近穆棱河的一侧选取桩顶水平位移监测点W11号，W11号点附近的锚杆拉力监测点N6以及靠近以上两点且距基坑边沿约2m处的深层水平位移监测点CX3号，在基坑南侧东部选取与W11号相对的桩顶水平位移监测点W26号。以下为各监测点观测量随温度的变化情况。

结合温度变化图1和图2可知，随着气温的逐渐降低，基坑监测进入冻胀期，在此期间的桩顶位移变化大致可分为三个阶段。第一阶段：此阶段大约持续至12月下旬，随着气温的逐渐降低，这一阶段的桩顶位移变化微小；第二阶段：进入一月份后，气温逐渐达到一年中的最低值且保持一段时间，在此阶段的桩顶位移变化较为剧烈，累积位移量急剧增加并逐渐达到最大值；第三阶段：此阶段气温虽然仍处于较低状态，但桩顶水平位移变化微小，基本处于稳定变化趋势。由图2可以看出，在整个冻胀期，基坑北侧东部W11号点的X和Y方向的累积位移量变化值均明显大于基坑南侧东部的W26号点的。分析认为，北侧W11点靠近河流，土中含水量要明显高于南侧W26点，在冻胀期，前者处的冻胀量明显大于后者。

由图3分析可知，基坑北侧东部CX3号测斜点累积位移量变化趋势基本与上述桩顶水平位移监测点位移量的变化趋势相符，但其变化量值却明显较小。而且可以看到，测斜管1米和1.5米处的位移变化量的值明显高于2米和2.5米深处的变化值，这说明此处冻结深度约为1.5米，冻胀效应主要发生在深度1.5米以上，对于此深度以下的土层影响相对较小。

锚杆拉力的变化与桩顶位移的变化趋势基本相符，随着桩顶位移量的逐渐增大，锚杆的拉力也逐渐变大，并达到最大值，然后趋于变化相对稳定阶段。

2.5冻融期的变形监测

随着气温的逐渐回升，桩背土冻融，各监测点的观测量由相对稳定期到出现

小幅度的回落，然后再度趋于相对稳定阶段。

由上图可知，虽然各监测点累积位移量在气温回升后均有小幅度的回落阶段，但都难以达到冻胀前的水平。

3结语

在季节性冻土地区的工程建筑要特别注意季节性冻土冻胀冻融性对工程的影响，并采取相应降低冻胀冻融作用的预防措施，比如降水在冬季停工期间不能停止，在坑壁及坑底铺设保温材料等。本工程实例中冻胀期的各观测量均是在采取了预防措施后获得的，可以想象，如果未采取任何防范措施，冻胀量将会变得更大，甚至会出现基坑局部失稳的现象。结合本工程实例还可得到以下结论：（1）土中水含量是影响土的冻胀性的一个重要因素，在水含量丰富的地区冻胀作用更加明显。冻胀作用主要发生在冻结深度以上的区域，在此深度以下的影响较小。

（2）预应力锚杆对维持冻胀期基坑稳定性能起到很好的作用。在季节性冻土区的施工设计中考虑冻胀冻融作用是很有必要的，同时在冻胀期采取必要的防范措施也是很有必要的。

Abstract：The frost heaving and thawing characteristics of the seasonal frozen soil have an great influence on the safety of foundation pit engineering.This paper mainly analyzes the deformation of foundation pit in the frost heaving period on the basis of the deformation monitoring data of a foundation pit engineering in Jixi City，Heilongjiang Province.The monitoring results show that it will have a larger amount of frost-heave capacity in the area of high water content，a small effect will be caused by the frost heaving below the frozen depth and the pre-stressed anchorage can play an important role in maintaining the stability of the foundation pit.

Key words：Seasonal frozen soil；The displacement variation；Frost heaving and thawing.Foundation pit safety；Frozen depth

参考文献

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