冻胀对基坑支护的影响研究
作者：江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状11.3 课题实施的意义与必要性22课题研究的目标和内容32.1 课题实施的主要研发目标32.2课题研究与开发的主要内容32.2.1 项目研究目标32.2.2 项目研究内容43课题研究的方法和步骤43.1土的粒径对冻胀的影响研究43.2土的矿物成分、级配密度对冻胀的影响43.3水分对土冻胀性的影响研究43.4冻结条件对土冻胀性的影响53.5土体冻结对基坑支护的影响53.6 影响土体冻胀的因素53.6.1 土的粒径对冻胀的影响53.6.2 土的矿物成分、级配密度对冻胀的影响63.6.3 水分对土冻胀性的影响63.6.4 冻结条件对土冻胀性的影响63.7 土体冻胀对基坑支护影响的工程实例63.7.1 工程概况63.7.2 地质情况73.7.3 基坑支护设计方案简述73.7.4 内力及变形监测情况及分析73.8 预防及应急措施103.8.1 预防措施103.8.2应急措施103.9基坑避免冻胀的防护措施113.9.1排水措施113.9.2保温隔水113.9.3结构措施123.9.4应急措施124课题研究的意义与过程134.1 土体冻胀对基坑支护影响研究的意义134.2研究的主要过程135深基坑支护体系冻胀变形及控制三维数值分析155.1 土体冻胀的机理分析与水平冻胀力的分布155.1.1 土体冻胀的机理分析155.1.2 水平冻胀力的分布155.2基坑模型的建立165.2.1工程概况165.2.2模型的建立175.3计算分析185.3.1动态开挖过程的模拟185.3.2保温措施下基坑越冬模拟206总结与展望226.1经济、社会效益226.2课题成果应用前景分析221绪论1.1选题背景在我国北方地区，随着土地资源的不断减少，建筑工程不断向地下要空间。超深，超大工程越来越多，造成在基坑内施工周期变长，基坑支护工程经常面临冬季低温的考验。以往大家对冬季土体冻胀对基坑支护工程的影响重视程度不够，在基坑支护工程设计时，冻胀力往往未考虑在土压力计算中，若相应防冻胀措施跟不上，就会给基坑越冬留下安全隐患。在北方地区基坑工程多数为跨年度越冬工程，因此基坑支护结构的锚固土体，易受冻融作用破坏，冻融前后土体的物理、力学性质变化造成深基坑边坡的失稳，导致基坑工程事故频发。冬季由于大气温度为负温，基坑坑壁的土体会产生冻胀现象。在基坑施工过程中往往由于基坑渗水如地下管线的跑冒滴漏，使部分地段土体的含水量增加，产生的冻胀更加严重，在支护结构中产生较大的冻胀力，增大了支护结构的内力，同时使支护结构产生水平位移；随着气温的升高，冻土开始融化，而支护结构水平位移继续增加，支护桩和土体产生脱空现象，同时桩锚支护结构中锚索的锚头会因为土体冻胀发生较大位移，导致锚索的预应力损失甚至拉断引起支护结构的破坏。在基坑外侧的土体，由于冻渗的作用产生融沉现象。冻胀现象的发生，是由于土体中液态和气态水分在低温条件下转变为固态。引起体积增大（其膨胀率约为9%）同时土在冻结过程中，非冻结区的水分会向冻结区迁移，使冻结土层的含水量显著增加，这就造成某些土层在冻结后常产生很大的冻胀量。冻胀会产生较大的水平冻胀力，在冻胀力和约束力的共同作用下，基坑支护结构和土体发生变形，当变形达到基坑支护结构的极限值时，基坑支护结构破坏。土层滑移，造成基坑坍塌。1.2国内外研究现状目前国内有一些冬季条件下基坑工程技术研究的文献，但本课题冻胀对基坑支护施工影响技术进行研究，具有较强的针对性与实际运用价值。我公司在北方严寒地区施工过程中，充分重视寒冷环境对冻胀对基坑支护工程质量的影响，对冻胀引起的基坑支护质量安全问题，开展了大量调查，已积累了一定资料。我国许多地方有较长的寒冷季节，由于受工期制约，许多工程的冬季施工是不可避免的。开展严寒气候下冻胀对基坑支护工程施工技术研究，为当今工程施工及质量控制方面提供一些借鉴或思路，以期解决或减少冻胀对基坑支护施工技术造成的质量隐患，保证工程质量。1.3 课题实施的意义与必要性通过对严寒气候条件下冻胀对基坑支护工程施工技术的深入研究，从理论上对各种影响因素进行分类，可以明确严寒气候条件下冻胀对基坑支护工程问安全题产生的机理，从而对基坑支护在严寒气候条件下施工提供充分的理论依据。通过本课题的实施，可以明确严寒气候条件下基坑支护结构设计、基坑支护施工技术、基坑稳定位移监测等多项施工技术，为今后的基坑支护提供在严寒气候条件下施工技术的理论支持。由于基坑支护工程的安全质量相当重要，在基坑支护工程严寒条件下施工中必须边坡稳定监测，确定边坡变形规律。大量的工程实践证明，基坑支护稳定监测具有极其重要的地位，能有效预测和防止基坑坍塌事故的发生，验证施工时支护方案的有效性。同时变形监测数据为基坑支护工程严寒气候条件下施工提供数据与理论支持。因此，本项目的研究成果解决了基坑支护工程在严寒气候条件的施工难题，有助于形成企业技术标准和提高企业自身技术积累，可为国内类似环境下的基坑支护工程施工提供强有力的科技支撑。同时，股份作为行业的排头兵，必须紧跟时代发展动向。从大的方面来说，我们要开发出既符合国家发展要求同时又受老百姓欢迎的新型建筑技术，充分发挥我局的实力，为建立节约型社会做贡献；从我公司自身的发展来说，在竞争日趋激烈的设计行业中，要想有新突破，必须拿出自己的拳头产品即推出优秀的新型建筑技术，才能够在激烈的竞争环境中立于不败之地。而严寒气候条件下基坑支护施工技术在目前来说是一种前景非常好技术标准，因此，非常有必要在这方面进行投入。2课题研究的目标和内容2.1 课题实施的主要研发目标旨在结合试验研究、理论分析和工程应用等研究方法，对采用冻胀对基坑支护的影响展开全面深入研究，编制严寒气候条件下基坑支护质量验收标准和施工技术规程，形成施工和质量验收成套应用技术，以推进这一具有保证基坑施工质量、保证基坑施工安全、设计合理、施工方便的工程实践应用，以发挥出该建筑技术的良好社会效益和经济效益，促进公司技术进步效益率，增加利润。结合已取得的科研成果和标准规程，指导具体的工程实例进行设计，并在数个重点工程中推广应用，注重总结成功样例，更好的发挥其显著性能优势，稳步提高该结构体系新技术的社会和经济效益。结合试验研究、理论分析和工程应用等研究方法，对严寒气候条件下基坑施工施工技术展开全面深入研究，编制严寒地区基坑支护工程施工技术及质量验收标准，形成施工和质量验收成套应用技术，以推进这一具有应用价值的工程实践应用，真正实现严寒气候条件下基坑施工质量安全保证，达到施工技术研究目标，以发挥出良好社会效益和经济效益，同时提升课题组科研研究能力，促进股份施工水平和施工能力进步。2.2课题研究与开发的主要内容2.2.1 项目研究目标北方冬季气候条件下冻胀对基坑支护的影响研究，本课题的研究将为北方地区基坑施工安全提供保证，提供新的思路和工程应用指导意义。结合试验研究、理论分析和工程应用等研究方法，对严寒气候条件下基坑施工施工技术展开全面深入研究，编制严寒地区基坑支护工程施工技术及质量验收标准，形成施工和质量验收成套应用技术，以推进这一具有应用价值的工程实践应用，真正实现严寒气候条件下基坑施工质量安全保证，达到施工技术研究目标，以发挥出良好社会效益和经济效益，同时提升课题组科研研究能力，促进股份施工水平和施工能力进步。2.2.2 项目研究内容（1）土的粒径对冻胀的影响；（2）土的矿物成分，级配密度对冻胀的影响；（3）水分对土冻胀性的影响；（4）冻结条件对土冻胀性的影响；（5）土体冻胀对基坑支护的影响机理（6）影响土体冻胀的因素（7）土体冻胀对基坑支护影响的工程实例（8）预防及应急措施3课题研究的方法和步骤3.1土的粒径对冻胀的影响研究土颗粒大小对土体冻胀性影响显著。土颗粒愈小比表面积愈大，与水相互作用的能量也愈高，影响水分迁移能力愈强，水分迁移能力愈强，土体冻胀性愈强，（但粒径d0.002mm的，土冻结时，水迁移现象反而减弱）。实验证明，当土中水分、冻结条件相同时，各类地下土的冻胀性大致按下列顺序排列：亚砂土亚黏土黏土砾石土（0.05mm颗粒的含量不超过12%）粗砂砂砾石。3.2土的矿物成分、级配密度对冻胀的影响土的矿物成分不同，表面活化能不同、与水分子的作用能力也不同。单质黏土冻胀性依次为，高岭土伊利土蒙托土。土的级配密度对冻胀性也有影响，因为密度大小直接影响孔隙水含量、影响土的渗透性，影响水分迁移。试验证明，当土的密度1.6g/cm3时，土体一般不会产生显著冻胀。3.3水分对土冻胀性的影响研究水分是引起土体冻胀的主要因素之一。同样的土体中， 含水率越高， 冻胀越明显， 但并非所有含水的土体冻结时都会产生冻胀， 只有当土中的水分超过一定界限值之后才产生冻胀。我们将这个界限含水率称之为起始冻胀含水率。 当土体冻胀系数 1%，对建筑物的稳定性不会产生明显影响的含水率， 称之为安全冻胀含水率。3.4冻结条件对土冻胀性的影响负温度是引起冻胀的必要条件。 由于土中水的多种存在形式， 在不同土质中水的冻结温度是不相同的。如果土的冻结速率过快， 水分来不及迁移， 将导致冻胀率降低。 冻结速率缓慢， 有利于水分的迁移、 其冻胀量加大， 但过于缓慢冻胀量将变小。3.5土体冻结对基坑支护的影响冻胀对基坑支护结构产生较大的冻胀力，引起基坑支护结构变形过大，给基坑支护工程带来安全隐患。本研究根据内蒙古国道307线孟雅段一标支护结构基坑工程现场观测资料为依据，分析了冻胀、冻融对桩锚支护结构变形的影响。结果表明，冻胀引起支护结构的水平位移主要发生在基坑支护结构上部含水量较为丰富的区域，在基坑支护结构的下部，冻胀作用影响较小；随着气温的升高冻土开始融化，基坑支护结构的水平位移继续增大；在基坑外侧，由于土体含水量和孔隙比增大，产生融沉现象。冻胀现象的发生，是由于土体中液态和气态水分在低温条件下转变成固态，引起体积增大（其膨胀率约为 9%），同时土在冻结过程中，非冻结区的水分会向冻结区迁移，使冻结土层的含水量显著增加，这就造成某些土层在冻结后常产生很大的冻胀量。冻胀会产生较大的水平冻胀力，在冻胀力和约束力的共同作用下，基坑支护结构和土体发生变形，当变形达到基坑支护结构的极限值时，基坑支护结构破坏，土层滑移，造成基坑坍塌。3.6 影响土体冻胀的因素冻胀的直接因素是土中的水分结冰和水分迁移造成的，而水分迁移的强弱又与土体的颗粒大小、矿物成分、密度、渗透性等有关，同时还与冻结条件有关。3.6.1 土的粒径对冻胀的影响土颗粒大小对土体冻胀性影响显著。土颗粒愈小比表面积愈大，与水相互作用的能量也愈高，影响水分迁移能力愈强，水分迁移能力愈强，土体冻胀性愈强（但粒径d0.002mm的，土冻结时，水迁移现象反而减弱）。实验证明，当土中水分、冻结条件相同时，各类土的冻胀性大致按下列顺序排列：亚砂土亚黏土黏土砾石土（0.05mm颗粒的含量不超过12%）粗砂砂砾石。3.6.2 土的矿物成分、级配密度对冻胀的影响土的矿物成分不同，表面活化能不同、与水分子的作用能力也不同。单质黏土冻胀性依次为，高岭土伊利土蒙托土。土的级配密度对冻胀性也有影响，因为密度大小直接影响孔隙水含量、影响土的渗透性，影响水分迁移。试验证明，当土的密度1.6g/cm3时，土体一般不会产生显著冻胀。3.6.3 水分对土冻胀性的影响土中含有水分是引起土体冻胀的主要
