紧邻地铁建筑基坑冻融灾害力学特性研究

第1章 季节冻土基坑冻融灾害研究现状

1 第1研究背景

1.2 研究目的意义

1.3 冻土的基本特点

1.4 冻土主要成分组构特征

1.5 季节土中水冻结基本特征

1.6 季节土中水冻结融化演化过程

1.7 国外冻融理论研究

1.8 国内冻融理论研究

1.9 基坑冻融力研究启示与思路

第2章 冻土物理力学性质与冻土基坑结构设计

2.1 冻土的形成

2.2 冻土强度

2.3 冻土的热物理参数

2.4 冻结温度场

2.5 冻融融沉

2.6 冻土挡墙荷载

2.7 冻土挡墙嵌固深度

第3章 紧邻地铁基坑勘察和设计

3.1 勘察技术要求

3.2 基坑支护设计

3.3 越冬基坑土体冻融与防治措施

3.4 基坑开挖支护与降水、抗浮

第4章 基坑开挖支护工程监测

4.1 基坑桩锚支护施工监测设计

4.2 基坑工程监测点的布置

4.3 监测频率

4.4 监测管理与应急措施

4.5 监测范围及监测断面布设

4.6 监测安全控制标准及预报警管理

4.7 地铁保护监测数据曲线成果

第5章 融蚀响应基坑桩间砂土渗透漏失分析

5.1 渗透破坏研究现状

5.2 CFD-DEM流固耦合数值方法

5.3 CFD-DEM数值模型及实验验证

5.4 数值模拟结果及分析

5.5 渗流侵蚀破坏影响因素分析

第6章 紧邻地铁基坑流固冻融耦合力学特性

6.1 紧邻地铁基坑模型

6.2 紧邻地铁N-O段基坑施工流固耦合力学分析

6.3 紧邻地铁N-O段基坑流固冻融耦合力学分析

6.4 紧邻地铁N-O段基坑流固冻融演化力学分析

6.5 紧邻地铁P-Q段基坑施工流固耦合力学分析

6.6 紧邻地铁P-Q段基坑流固冻融耦合力学分析

6.7 紧邻地铁P-Q段基坑流固冻融演化力学分析

第7章 紧邻道路基坑流固冻融耦合力学特性

7.1 紧邻道路基坑模型

7.2 紧邻道路A-B段基坑施工流固耦合力学分析

7.3 紧邻道路A-B段基坑流固冻融耦合力学分析

7.4 紧邻道路A-B段基坑流固冻融演化力学分析

第8章 紧邻民居基坑流固冻融耦合力学特性

8.1 紧邻民居基坑开挖破坏程度

8.2 紧邻民居基坑模型

8.3 紧邻民居L-M段基坑施工流固耦合力学分析

8.4 紧邻民居L-M段基坑流固冻融耦合力学分析

8.5 紧邻民居L-M段基坑流固冻融演化力学分析

第9章 紧邻酒店基坑流固冻融耦合力学特性

9.1 紧邻酒店基坑模型

9.1 紧邻酒店P-G段基坑施工流固耦合力学分析

9.2 紧邻酒店P-G段基坑流固冻融耦合力学分析

9.3 紧邻酒店P-G段基坑流固冻融演化力学分析

第10章 紧邻地铁基坑抗浮冻融演化力学特性

10.1 紧邻地铁基坑模型

10.2 紧邻地铁基坑施工抗浮分析

10.3 紧邻地铁基坑施工降雨抗浮分析

10.4 紧邻地铁基坑抗浮冻融分析

10.5 紧邻地铁基坑降雨抗浮冻融分析

参考文献

第1章季节冻土基坑冻融灾害研究现状

中国北方季节性寒冷地区最冷月平均气温往往在-20~0C。环境温度随季节的波动，使得砂土地层的深基坑桩锚支护结构出现冻融、融沉、干缩等现象，导致基坑变形破坏、失稳坍塌、崩塌滑坡等，给人民的生命财产及生活生产带来了严重威胁、危害。例如，东北地区城镇特别是大城市普遍都属于寒冷一严寒地区，表现为冬季时间长、气温低、极端冻融，砂土地层的冻深一般在1.2~3.6 m。城市大型建(构)筑工程，如建筑深基坑、公路铁路地下车站基坑、水利工程基坑基础结构等往往需要越冬施工，冻融严重影响工程安全性。本书开展深基坑桩锚支护结构冻融动态响应及其安全性控制研究，可为大型建(构)筑工程安全越冬，保护工程施工质量奠定基础，深入解决基坑侧壁冻融导致支护体系安全性失效等问题。

1.1研究背景

冻土是一种长期处于负温的含冰土岩。根据冻结持续时间的长短，冻土主要可以划分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土。我国是世界第三冻土大国,其中多年冻土分布面积占我国疆土面积的21.5%，季节冻土分布面积占疆土面积的53.5%。

随着城市地下工程的发展，基坑工程的开挖深度逐渐增大且平面形状多变，导致基坑工程的施工难度增大，从而使得施工时间变长，因此位于季节性冻土区的基坑有可能会出现越冬的情况。在季节性冻土区越冬期间，浅层地表冻土中的液态水会发生冰水相变导致土体体积膨胀，同时也会引发土体中未冻水的迁移、聚集，不断冻结成为冰晶、冰层、冰透镜体等冰侵入体，从而引起土颗粒间的相对位移，土体出现大幅隆胀，进而引发建筑发生冻害。到了春季，随着气温的逐渐升高，冻土发生融化，导致冻土中的冻融力变小，使得支护结构强度在短时间内骤减，引起基坑出现局部破坏。基坑支护一般为临时性工程，在设计中往往很少考虑冻融的影响，因此造成越冬基坑工程事故频发。季节性冻土区已开挖基坑在冻融作用下出现的各种稳定性问题日趋严重(见图1.1和图1.2),并由此造成了巨大的经济损失。

通过多年的研究，人们逐渐认识到在土中冰体的形成和发育过程中，水分迁移产生了冻融，而土体自身的性质(土的密度、颗粒、水分以及外界的环境因素)是水分迁移作用强弱的重要影响因素，其中一项发生变化则可能消减甚至不产生土体冻融。另外，土体温度场的改变也是东融产生的重要因素，正常短期的环境温度变化不会显著影响土体中的温度，其产生的冻土效应也基本可以忽略，而长期季节性的改变却可使土中温度场发生可观的变化，尤其是土体中发生的冻融循环作用对在建基坑工程会造成巨大的影响。上述分析表明，基坑工程冻融，围护结构因冻融力而使土压力增大，因此支护结构的刚度需要大幅度加强。而当冻土融化时，不仅土的含水量大增，而且土粒结构也受扰动，同样使土压力增大。如果基坑雷经历两个甚至更多的冬期，则其不利的循环冻融变形作用将愈加明显，将大大增加对整个支护体系的考验基坑柱锚支护结构因受力性能良好、经济性突出，是目前尤其是东北季节性冻土区广泛使用的支护结构形式。但季节性冻土区冻融力学的理论研究较于工程实践相对落后，这也是季节性冻土区易发生基坑工程事故的主要原因。影响冻融力大小和分布的因素较多，在目前规范和标准中，还没有具体考虑冻融力的设计计算分析方法，设计人员对于季节性冻土区考虑冻融的计算带有很大的盲目性，也导致冻融后的基坑存在极大隐患。国内外很多学者对基坑冻融变形规律进行了现场实测研究，提出了尽量采用柔性支护结构、采用卸压孔、对冻深范围内粉质黏土进行改良等一系列的保护措施。但如何在设计初期考虑冻融力的影响，确定一套满足工程需要的计算理论以便进行经济上的对比，并为工程设计提供科学依据是理论研究亟待解决的重要问题。只有对冻融和冻融的发生、发展有了清晰的了解，才能在工程实践中更好地防灾减灾，更好地为经济与社会的可持续发展助一臂之力。

1.2研究目的意义

近年来，北京地区冬季平均温度保持在-7--2C，低温持续的时间较长，已经有多起由于冻融破坏而引发基坑支护结构发生冻害的事故发生:2002年冬季，朝阳区某住宅楼基坑在施工过程中由于温度骤降，混凝土面层与边坡土层冻在一起，形成冻土墙;2003年春季，温度回升使得冻土发生融化，土体的强度降低，导致土钉墙整体失稳。2010年冬季，海淀区某基坑由于冻融，土钉墙面层发生胀裂破坏，如图1.3(a)所示。2011年冬季，朝阳区常营项目基坑坑顶由于冻融，坑顶开裂，如图1.3(b)所示。2012年冬季，北京某基坑由于冻融作用，护坡桩发生水平位移，且部分预应力锚杆发生失稳破坏，基坑坡顶产生明显裂缝。综合以上案例，在基坑支护过程中，若忽略冻融效应对越冬基坑的影响，则极易引起支护体系失效，因此冻融效应不容忽视。

本书主要借鉴国内外最新冻融动态响应相似模型实验方法，以及初级防冻融保温防护技术的基础上，进行季节冻土基坑冻融灾害研究现状、冻土物理力学性质与基坑冻土挡墙设计、紧邻地铁商贸基坑岩土工程综合勘察、建筑基坑岩土工程综合勘察，开展基坑桩锚支护工程综合施工设计、紧邻地铁基坑桩锚支护施工设计，评估紧邻地铁基坑施工安全性影响。第8章紧邻地铁基坑工程保护性施工监测，深入分析融蚀响应基坑桩间砂土渗透漏失、紧邻地铁基坑流固冻融耦合力学特性、紧邻道路建筑物基坑流固冻融耦合分析，开展紧邻道路建筑物基坑冻融演化力学特性分析。进而开展温度-渗流-应力耦合分析，结合实际工程揭示验证基坑降温冻融过程的演化规律；开展的现场防冻融保温控制技术，合理选择安全、经济、可靠的覆盖保温措施推广应用至相似基坑工程实践。研究成果对填补行业相关关键技术空白，促进交通行业科技进步和满足工程实际需求具有重大理论意义与实际应用价值。