随着我国城市化进程快速发展，城市人口不断膨胀与交通基础建设落后之间的矛盾日益突出，这一背景下城市轨道交通以其运载量大、速度快、安全准点、节约能源和用地等优势，迅速成为一种人们优先选择的现代化城市交通方式。地铁车站深大基坑工程一直是轨道交通建设中安全风险控制要点之一，在季节性冻土区，基坑侧面土体在地表和坑壁的双向冻结作用下，土体冻胀作用增强，受到支护约束，基坑侧壁出现较大水平冻胀力。这是引起基坑受力变形破坏的主要原因之一。过大的冻胀力将使基坑工程的支护体出现倾斜、坑壁侧面开裂，对基坑工程的安全稳定造成不良影响，严重时可直接导致基坑坍塌。

针对冻胀力的计算，在规范中只介绍了挡土墙的计算，未考虑其它类型的支护结构。对于水平冻胀力的分布模式，进行一定程度的简化，未考虑墙背土体温度、基坑开挖支护情况、土体含水条件等影响，有其不合理性[1]。

杜东宁[2]依托毗邻沈阳市政府的东森CBD商务广场二期基坑工程，模拟冻融循环作用下基坑在越冬过程中的温度环境，揭示基坑支护结构在冻融循环作用下变形和内力变化规律，以及季节性冻土区冻融循环与水–热–力耦合作用下基坑变形规律。

中国矿业大学岩土工程研究所[3-4]进行了深基坑冻土直墙受力和变形的模拟试验研究，得到了墙体厚度、土侧压力、墙体暴露时间等因素与冻土直墙变形之间的非线性关系。

徐学燕等[5]使用水平冻结管形成季节性冻土，用竖向冻结管冻结基坑侧壁土体，模拟了季节性冻土条件下冻土墙形成与开挖过程对其耗能、受力和变形性能的影响。

李宝花等[6]进行了冻土墙围护的深基坑开挖温度场，以及温度场和应力场的耦合数值模拟计算。

彭　第[7]建立基坑冻结过程中温度场模型，得出了冻土墙用于深基坑支护工程冻结过程中冻结时间、冻结深度与冻结温度的关系，并与试验结果进行对比。

王艳杰[8]建立越冬基坑模型，对水平冻胀力的影响因素进行了研究，分析了不同极端负温、不同支护刚度、不同基坑深度、不同初始含水量、不同补水条件下的基坑水平冻胀力变化规律。

本文以呼和浩特市某地铁车站项目为依托，根据地下水文地质条件及气候条件对季节性冻土地区基坑进行室内模型试验，研究地连墙后土体温度场及水平冻胀力分布规律，并建立基坑数值模型，结合室内试验和数值模拟结果，分析冻胀作用下深基坑的地层温度变化分布特征、水平冻胀应力分布规律以及冻胀引起土体及地下连续墙体的变形规律，对于指导严寒地区基坑支护结构设计具有重要的实际意义。

1.   工程概况

1.1   场地气象条件

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 ℃，极端最低气温为−30.5 ℃。

1.2   场地地质和水文条件

场地土层主要由人工堆积层、砂土、黏土三类土组成。基于基坑外侧土体性质及其物理力学性质，土层大致分为3个大层。

人工填土层(Q4ml)：主要有杂填土①1层、素填土①2层，该大层厚度为1.0～4.6 m，层底标高为1045.31～1048.90 m。

第四系上更新统—全新统冲洪积层(Q3-4al+pl)：主要有粉质黏土③2层、粉土③3层、粉砂③4层、细砂③5层、中砂③6层、粗砂③7层、圆砾③9层，该大层厚度为9.0～15.1 m，层底标高为1032.99～1037.25 m。

第四系中更新统冲湖积层（Q2al+l）：主要有黏土④1层、粉质黏土④2层、粉土④3层、粉砂④4层、细砂④5层。

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入渗补给，排泄方式以径流排泄为主；动态变化约在1.5～3.0 m。水下粉质黏土层、粉土层及砂层含水率分别为22%～28%、18%～23%、11%～19%。

1.3   基坑支护设计

地铁车站采用地下两层双柱三跨的结构形式，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）顺做法施工，基坑围护结构采用0.8 m厚地下连续墙，基坑内设一道砼支撑+二道钢管内支撑，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。

2.   室内模型试验分析

2.1   试验模型

试验采用自主设计制作的冻融循环降温装置，按照试验要求进行设计，模型箱体采用钢板夹心填入泡沫，达到保温作用，顶部设置循环管路与低温恒温槽相连进行箱内降温，并在箱体内部形成第二恒温场，底部设有补水孔，试验条件完全能够满足本模型试验要求，且具有可视化特点，试验中可快速设置温度并使箱体达到试验温度（见图1、图2）。

图  1  等比例基坑支护模型

极端气候条件下，试验模拟气候降温过程，将模型由上向下进行降温，模型箱内温度降至−30 ℃并在此温度条件下恒温16.4 h。历经6次降温，共历时237 h。

图  2  传感器布置示意图

2.2   土体水平冻胀位移

在基坑外侧地表土体上，传感器布置位置距地下连续墙模型板距离分别为5 cm、30 cm、50 cm、80 cm，分别编号为1#、2#、3#、4#，极端气候条件情况下这四个测点的冻胀位移变化情况如图3所示。

图  3  基坑周边土体水平冻胀位移与时间的关系

可以看出：周边土体距离越靠近基坑地下连续墙，其土体水平冻胀位移越大。在极端−30 ℃条件下，基坑模型周边地表土体最大的冻胀变形量可达7.37 mm。

随着冻融循环过程模拟温度变化过程的进行，循环次数增大，冻胀变形量也会随之有一定量的增大，当冻融循环次数进行到5—6次时，冻胀变形不会再随着冻融次数增加而变大。

2.3   土体温度场的分布变化

极端气候条件下，试验模拟气候降温，最低气温降至−30 ℃，分级降温过程为：7.2 ℃→5 ℃→0 ℃→−5 ℃→−10 ℃→−15 ℃→−20 ℃→−25 ℃→−30 ℃。每级降温完成分别测得分布于基坑周边土体中91个温度测点处土体温度，进而得知试验过程中模型试验土体内部温度，绘制不同降温时刻下土体温度分布等势图（见图4）。

随着降温温度的降低，土体温度也随之降低，降温时间持续增加，则土体中负温的范围也随之增加。靠近地下连续墙体土体处于零度以下范围可达到120～123 cm，横向影响范围可达到50～55 cm，距离地下连续墙较远的远端土体处于零度以下范围可达到75～80 cm。

图  4  −30 ℃时土体温度分布等势图

2.4   土体水平冻胀力变化

运用微型土压力传感器和TST3822EN静态应变测试分析系统，测定冻融循环过程中基坑外侧土体的冻胀力变化。根据冻融循环试验降温节点，选择试验上一级降温时间结束前进行传感器的读数。

试验进行温度模拟，分析土体在−5 ℃、−10 ℃、−15 ℃、−20 ℃、−25 ℃、−30 ℃、−30 ℃（恒温16.4 h）等七种负温作用下，地下连续墙墙侧水平冻胀力的变化规律如图5所示。

图  5  不同降温时刻下墙背土体各位置水平冻胀力分布

温度变化引起的水平冻胀力沿模型板深度方向先增大而后减小，形成中间大、两边小的抛物线形状，其中正常年份下最大冻胀力可达到72 kPa，极端气候条件下最大冻胀力达到120. 4 kPa，出现最大冻胀力的位置为第二道支撑所在位置。

3.1   数值分析假定

进行水热力三场耦合数值模拟分析，数值模拟对基坑支护结构提出以下假设[9-10]：（1）混凝土材料质地均匀，物理力学性能满足规范要求；（2）忽略因为施工进度导致的支护体系的温差，假定所有支护体系同时刻处于同一温度条件下。

基坑支护体系除了受到土压力与冻胀产生的影响外，还要承受自身材料热胀冷缩的影响[11]。

土体参数按照表1进行设定，通过自定义材料功能对地下连续墙、横撑的材料属性进行赋值，对受极端气温影响水土冻胀条件下的基坑支护体系受力与变形进行分析。

表  1  土体热物理参数及材料参数表

3.2   温度场结果分析

建立基坑工程数值模拟模型，对极端条件下温度降低至−30 ℃工况进行模拟，将数值模拟结果与模型试验结果进行对比分析，得出了温度场的分布变化规律（见图6）。

图  6  极端气候条件下−30 ℃土体温度等值线图

数值模拟温度场结果与试验结果相比，其温度的产生发展规律相同，都属于单向冻结过程，临近边界（地表、地下连续墙体、坑底土体）较近的土体温度降低较快，变化梯度较大。对于温度场的等值线变化，总趋势相同，但下部土体等值线走势模型试验结果和数值模拟结果稍有不同。由于填土不均可能造成降温过程中温度传递不均匀，从而导致模型试验的等值线不平行。除此之外，基坑侧壁温度等值线在数值模拟结果中平行于地下连续墙，而模型试验结果为从远端到基坑侧壁近端，等值线是一条远端平行于地表而在接近地下连续墙时弯曲向下，最后平行于地下连续墙的线，产生这种现象的原因是基坑模型试验降温是由模型箱顶盖降温装置由上往下单向降温的过程，温度在环境中形成梯度，在试验中模型板上的温度由上往下变高。

3.3   水平冻胀力分布与分析

进行极端气候条件下最不利温度产生冻胀力的分析对比。由图7、图8可以看出基坑模型在−30 ℃温度下水平冻胀力的分布。

图  7  极端气候条件下−30 ℃时冻胀力云图

图  8  极端气候条件下−30 ℃时水平冻胀力试验值和模拟值对比

与正常年份下相比，数值模拟结果与模型试验结果的分布和发展规律大致相同，相较而言，极端气候温度下，气温比正常年份下最低温度更低，基坑受到的冻胀力有所增大，最大值增大了72%。

在−30 ℃情况下，在15 m深度以下模型试验结果明显远远小于数值模拟结果，且模型试验结果表明水平冻胀力在此深度下随深度逐渐减小，而数值模拟结果先增大后减小，产生此现象的原因是数值模拟边界温度从上往下都是−30 ℃，因此下部土体产生冻胀力在降温作用下引起基坑内部土体挤压地下连续墙，又因为基坑墙侧土体受低温作用冻胀增大，在两者作用下引起冻胀力激增。

3.4   地连墙水平位移对比分析

基坑地下连续墙的位移试验值与模拟值的对比如图9所示。

图  9  −30 ℃时地下连续墙水平位移随深度变化的模拟值与试验值对比

可以看出在−30 ℃低温下，地下连续墙水平位移试验值与模拟值变化规律基本一致，水平位移随地下连续墙深度增大逐渐减小，在深度14 m以下坑底位置处位移基本为零，顶部位移量最大约20 mm。

4.   结论与建议

（1）临近地表、坑底、地下连续墙墙侧的土体温度变化梯度大，内部土体温度稳定且变化相对滞后。极端气候条件下，基坑冻深可达到1.1～1.2 m。

（2）水平冻胀力随基坑深度先增大后减小，呈抛物线分布模式，最大值位于第二道支撑位置，开挖深度约8～10 m处。

（3）根据数值模拟及试验结果，极端气候条件下，基坑最大水平冻胀力达120～140 kN，较正常年份增大约70%。

（4）极端低温下，地连墙顶部最大水平位移约20 mm，并随深度增大急剧减小，基坑深度14 m以下变形基本为零。