文摘

基于深基坑在长春(中国)地铁站,一个3 d的水热耦合数值模型预应力桩锚体系建立了确定其性能在冻融季节在高山地区。其可靠性确认使用预应力锚上的现场监测数据电缆,这证明了地表沉陷的变化、锚索轴力和桩水平位移在春季解冻。结果显示不同程度的地面的高程春季解冻的开始取决于地面2,5,从基坑开挖表面或8米。此外,他们展示了融化和地表塌陷的发生温度高于0°C时,这群锚的轴向力波动在春天的开始解冻,但稳定的中、晚期。桩水平位移的现象在春季解冻可以大致分为三个阶段,与第二阶段最重要的位移。这些结果可以为深基坑项目提供一定的参考在高山地区。

1。介绍

因为交通的整体提升,高速公路和铁路的发展迅速发展,城市深基坑工程的数量也相应增加。在中国,冻土是广泛分布1,2]。在季节性冻土地区,基坑活动层土壤经历反复冻融作用,大大影响稳定性的相关项目,如建筑工地和地铁站。

这些冻融循环影响的物理特性(孔隙率、含水量和渗透率)和力学性能(内聚力、内摩擦角、弹性模量和阻尼比)的土壤(3]。张等人测试砂的孔隙水压力和粉质粘土在冻融循环和观察到它的减少是在寒冷(中水分迁移的主要驱动力4]。此外,孔隙水压力主要取决于温度、冻融的历史,和土壤类型。任等人通过实验测量了五种土壤类型的弹性模量普遍用作路基和润湿和冻融条件下的人行道上5]。弹性模量的最优含水量显著降低在冻融循环至关重要。陈等人进行了冻融循环试验在不同的温度和时间重新从季节性冰冻地区粉质粘土样品(6]。他们评估了孔隙结构在不同的测试条件下采用压汞法。他们把这些结果与分形理论探索冻结温度和冻融循环时间的影响在粉质粘土孔隙结构变化。李等人进行了15个冻融循环的四组砂岩样品在分级加载,同时测量孔隙变化通过核磁共振(NMR)和学习他们的蠕变力学性能7]。结果表明岩石颗粒之间的凝聚力下降,孔隙结构恶化,冻融循环后,增加孔隙度。瑞等人做了一个l型挡土墙使用碎玻璃和发泡聚苯乙烯作为充填采矿材料,观察冷冻前,地面温度和壁变形的充填采矿土壤在三个冻融季节和证明了颗粒冻胀预防浪费的适用性(8]。他在冻融循环等人进行了直接剪切试验在不同的温度和时间检查他们的影响冻土之间的界面的剪切性能和混凝土(9]。结果认为这影响水迁移到接口和一个冰的形成和积累的电影。峰值位移线性随初始含水量增加;然而,其相关性下降在更高的冻融循环次数。因此,国内外研究人员已经表明,冻土的力学性能和冻胀的现象,解冻沉降取决于在冻土水热迁移和相变,这是重要的是water-heat-force-deformation在多孔多相介质的耦合问题。

在冻融循环过程中,支撑结构在土壤中的作用受到影响。莫和卢模拟混凝土渠道衬砌的冻胀现象使用multifield耦合软件和检查了渠道衬砌的冻胀分布结构和复合土工膜的基质土壤10]。复合土工膜衬下可以减少地基土的冻胀。元等人确定边坡锚固系统的参数,如锚固力、位移、锚杆应力,灌浆的岩石螺栓之间的粘结强度和水泥砂浆使用物理模拟11]。他们检查的恶化债券和锚定螺栓在冻融条件下的性能。最大锚固应力在中间螺栓、剪切的失败,这是由于减少水泥砂浆的强度和刚度,导致粘结能力损失可能发生。胡锦涛监测预应力锚支持结构和冻土材料的二次开发,建立了一个类似深基坑模型,并分析了应力和变形的进化在过冬(12]。崔等人进行了冻融循环试验在不同载荷下1米高的geogrid-reinforced挡土墙(13]。实验结果证明了环境温度的影响和冻融循环对其温度场和机械性能。此外,其性能主要改变第一次2 - 3周期后(14- - - - - -16]。挡土墙的沉降和侧向位移随冻融循环的数量增加(17- - - - - -20.]。

一些研究调查了预应力群锚的支持表现在地铁车站深基坑在春季解冻在寒冷地区20.- - - - - -24]。支持桩的变形的演化规律和预应力锚杆的轴向力电缆需要澄清。这导致缺乏科学指导设计预应力深基坑桩锚系统在寒冷的冻融地区(25- - - - - -29日]。中国东北是一个高山地区,季节性冻土这礼物。因此,本研究集中在一个地铁车站深基坑工程在长春的一个例子预应力锚杆桩支护系统在春季解冻。现场监测和数值模拟相结合考虑热力耦合效应。本研究调查了选定预应力桩锚系统的性能及其在冻融条件下变异。

2。深基坑工程

地铁站在长春发展的调查研究中使用的开放和挖掘。长度、宽度和挖掘深度的基坑开挖工程部分的240.5,22.9,19.7 ~ 20.1米。表1介绍了60米深的土层信息在基坑区域范围。长春是moderate-temperate区与半湿润气候的/ midtemperate大陆地区半干旱季风气候,和它的春天融化期是从三月到五月。

基坑支护结构由五个预应力锚桩之间的电缆从上到下。直径、长度和间距的钻孔灌注桩800毫米,25米,分别和1.3。预应力群锚锚定到稳定的岩石和土壤的质量网站,和他们的免费支持与锚桩之间的部分是固定的。群锚的水平间距是1.3米,基坑结构如图1。此外,预应力群锚的设计参数如表所示2。

无底的地表沉陷基坑监测从2021年3月至6月2,5,8 m开挖表面,24小时的频率。在图所示的监视点2。测量分1和2是位于北部和南部的基坑,2,5,8 m远离自由表面和被指示为 。

3所示。三维数值模型

3.1。模型尺寸

每把的原理和地铁车站的实际大小,三维数值模型的长度是182.5米。四个支撑桩及其间距被认为在宽度方向上的宽度设置为5.2。高度是60米。桩的直径和长度0.8米至25米。冠梁1米高,因为它被认为是成堆的一部分。他们的长度是26米间距为1.3米。

围护桩的简化为等厚度防渗墙便于数值计算和基于等效抗弯刚度的原则。由此产生的等效接地墙厚度为0.486米。锚索的拍摄角度是14°。数据模型图示3和4。

3.2。材料参数

一个耦合eight-node三线性displacement-pore由于元素(C3D8PT),采用DP模型修改。等效接地墙,耦合eight-node三线性displacement-temperature元素(C3D8T)和一个弹性模型,而两节点梁单元(B31)和一个弹性模型预应力群锚的选择。密度、泊松比、弹性模量和膨胀系数是7693公斤/米³,0.3,195 GPa, 。

总结了材料参数计算表3。接地墙、群锚和建立了基坑采用生死单元法。土壤和接地墙在面对面的接触,和正常的行为是那么难接触。预应力群锚的自由端被绑定约束,使用接地连接墙和锚固段与稳定土壤通过嵌入约束。

3.3。仿真步骤

具体的时间和任务的分析步骤如表所示4。温度模拟drxh1和drxh4步骤是基于适当的温度在年度周期值。因为大平均每日温差在冻结和解冻,最明显的冻融循环在初春解冻时期,表现出最大的每日温差,分为三个阶段(drxh2-1、drxh2-2和drxh2-3)。然而,中期和后期春季解冻期被认为是一个阶段(drxh3)。

3.4。边界条件和加载

法线方向的位移约束集模型的侧面和底部边缘。土壤的排水边界是暴露面身体,不包括接地墙在基坑开挖基坑(顶部和底部表面和wall-soil接触面),和它的孔隙压力被设置为0。土壤饱和和初始温度设置为1和6.4°C,分别。温度边界条件设置在顶部的表面土壤模拟地热平衡了五年,和仿真结果被用来作为计算的初始温度场模型。

重力负载应用于整个模型和垂直重力加速度为9.8 m / s²。重力载荷下的力学响应模型计算。模拟基坑周围的地面荷载,20 kPa的均布荷载应用于地表1米的基坑表面。从冻融温度边界条件设置阶段完成后施工。温度边界,是基坑顶部表面的自由表面和底部表面的基坑。温度函数拟合得到的年平均和每日温度变化在春季融化期间(3月至6月)长春(表5)。

3.5。模型验证

确认的可靠性数学模型,模拟地表沉陷在春季解冻与相应的监测数据(图5),20%的差距。的差异双方的基坑的监测值主要是归因于不同的光强度,材料负载,和施工步骤,而失败的监测数据来演示明显融化和沉降可能是由土方开挖等施工因素造成的。沉降计算值在2 m的开挖表面更重要比相应的监测价值挖掘双方在春季解冻。

主要原因如下:混凝土路面构造了两岸的挖掘现场,但并没有被视为模拟。地表沉陷的数值模拟是对温度更敏感比实际的网站。混凝土路面有特定的限制影响土壤的解冻冷冻隆起和下沉。5和8 m之间的混凝土路面的自由表面基坑影响较小,和相应的沉降计算值符合两基坑监测的。全面地表沉陷的计算和监测结果的比较显示一致性与前者的变化规律。

的锚索轴力,和监视数据值在20%的误差,计算和仿真结果基本在同一水平上监测结果(图6)。监视的轴力值的差异坑双方主要是归因于不同的光强度,材料装入和建设步骤。第五个五群锚证明最重要的轴向力计算和监控之间的区别。这主要是因为发生水土压力,除了在预应力锚索张力,被坑的底部比顶部。此外,大部分的计算轴向力值显示更一致的变化比监控模式。轴向力逐渐主要是相对缓慢的下降趋势后,春天融化的中间和结尾。比较模拟和监测结果表明,数值模型可以被认为是可靠的,计算结果是有前途的。

4所示。仿真结果和讨论

4.1。地表沉陷

图7显示变化的地表沉陷在春季解冻2,5,8米的基坑的自由表面,从而证明不管距离相同的趋势。当《每日平均温度 初春解冻期间,表面提升发生在这三个地方,和地表塌陷了一个下降的趋势。大约3月15日(第一和第二阶段的初春解冻),地表沉降达到最小值。几天后的稳定性、地表塌陷成为可见的3月20日在以上三个地区,这逐渐增加因为每日平均温度超过0。沉降增长率是跑得最快的春季解冻的中间阶段,中、晚期相对缓慢。然而,在整个春季解冻期,自由表面的沉降在2 m是最大的,其次是在5和8米,与监测数据一致。在初春解冻,结算增长率在8米的自由表面基坑是最高的。中、晚期的春天解冻,沉降增长率大于2和5米。

4.2。锚索轴力

在第一阶段的早春融化,温度很低,和良好的温度的持续时间很短。大多数冻层的每日冻融非常小,基本等价。支护桩将表现出轻微的反弹趋势有一定数量的自由表面土壤解冻。然而,由于土的冻胀力表面底部会削弱在这个阶段,整体的反弹支撑桩将略超过这个阶段的变形。因此,过去的四群锚的轴向力慢慢减少。锚点的第一电缆支撑桩基坑的是位于外部角落(顶部的温度之间的双向互动和基坑的自由表面)。冻胀现象的效果在这个领域在冻结期间最为明显,更受温度影响在早春融化比低土壤自由表面的质量。在初春解冻,冻融循环发生在这一地区,造成microsoil裂缝。一般来说,土壤质量冰晶融化后形成大孔。因为较低的解冻土体自由表面是最小的早春融化,和土体的孔隙比外部的角落基坑由于冻融循环,增加土体表面保持底部转角解冻后水部分渗透。 However, the seeping did not continue, and the soil mass refreezing at the first anchor cable anchorage was more significant than the thawing in the early spring thaw. Therefore, the axial force at the beginning of spring thaw exceeded that of the second anchor cable, and it tends to increase at the beginning of the spring thaw.

在第二和第三阶段的早春融化,整个冻融循环冷冻层土是很有意义的。土壤质量的整体熔化开始大于重新冻结。然而,融化的不断渗透水的冻融循环作用下土体的自由表面更加突出。冻融循环重新冻结是增强和减少极其缓慢。冻胀现象力的悬臂部分的下部支承桩逐渐增加。因此,过去的四群锚的轴向力开始增加。此外,随着融化的水的上层的不断渗透,锚索轴向力的增加的趋势越来越明显,持续时间更长。解冻的渗透水减少了重新冻结土壤背后的顶部支护桩在冻融循环,和冻胀力部分开始减少。因此,第一次锚索轴力逐渐降低在第二和第三阶段的初春解冻。

后期阶段的春天解冻,土壤完全开始融化,冻层厚度减少,浅冻层完全融化,支撑桩上的冻胀力逐渐消失,和背后的水土压力支持桩水平位移趋于稳定。预应力锚索呈现逐渐降低的趋势,如图8。

4.3。桩水平位移

图9显示了桩的水平位移随深度的变化在春季解冻。水平位移逐渐增加从下到上沿桩的长度,和它的变化跨度(水平位移差异)是重要的下部桩。下面的水平位移第五锚索的锚固点在大跨度不同,虽然它改变了仅略高于锚点。这表明预应力锚索桩共享负载的一部分,从而限制其悬臂部分的水平位移。

从3月15日到4月1日,桩的水平位移不断增加(数据9 (b)- - - - - -9 (d)。在这段时间里,它改变了大多数从3月21日到3月26日。这表明,背后的冻层土桩和坑的底部已经受到不同程度的冻融循环在初春解冻时期,导致土压力、冻融力量,和锚索轴力变化在不同的深度在春季解冻。它导致了不同大小的postpile压力和桩弯矩按桩深度,最终影响到桩变形在不同的深度。

5。结论

执行一个完整的模拟研究预应力锚桩的力学行为系统的一个典型的深基坑在春季解冻使用3 d water-heat-mechanical耦合模型。与相关的监控数据模型验证后,地表沉降的变化规律,锚索轴力,并分析了桩水平位移在春季解冻,从而导致以下结果。(1)在初春解冻,地面的2、5、8米的基坑开挖表面往往会上升。沉降现象最早出现在第二阶段的初春解冻(当平均气温超过0°C),和沉降增长率达到顶峰在春季解冻期的中间阶段(2)在初春解冻,第一至第五群锚的轴向力与slowling逐渐下降趋势在中期和后期阶段。第一个锚索轴力的变化早于其他电缆,先增加,然后降低在早春融化(3)桩体的水平位移可以大致分为三个阶段在春季解冻。在第一阶段,有反弹的趋势,这是最大的悬臂部分。水平位移表现出最重要的第二阶段的变化。在第三阶段,但增加一个小变化

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的研究项目整体规划和系统方法来保护和恢复山、水、森林、农田、草原、沙漠生态系统在桂林漓江流域城市(批准号glzc2019 g3 - 00897 kwzb)。