基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析

呂宏鋼

（中國建筑材料工業地質勘查中心遼寧總隊，遼寧 沈陽 110004）

在一些大型的土木工程中常常需要進行比較深的土方開挖，基坑就是開挖面內從地面到開挖面底所處形成的空間，隨著工程施工進度的推進，基坑埋深也不斷增加，從而導致深基坑工程的大量涌現，極大地推動了基坑支護技術的發展[1-3]。在礦山工程中，基坑支護結構的設計與當地地質和環境條件關系密切，在設計基坑支護結構時必須考察工程區域周圍環境，特別是在工程不斷推進的情況下，周邊的水文條件和地質條件的變化情況，在建立基坑支護結構前，充分了解工程所處周邊環境條件[4]。

在目前的礦山工程中，基坑支護結構類型有很多，其安全性始終是人們研究的重點，長期以來，為了保證基坑施工的安全性，很多學者和技術專家提出了各種各樣的基坑支護結構分析方法，研究支護結構的工作機理或土體本構模型[5]。但是在實際分析計算中，傳統分析方法分析不夠完善，主要是對支護結構受力的產生和作用認識不科學，存在計算偏差，其分析一致性比較差[6]。因此，提出基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析，解決上述中存在的問題，為以后的工作提供一定理論依據和技術支持。

1 基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析

1.1 預應力錨桿形變計算及分析

預應力是礦山工程基坑施工期間給結構預先施加的力，與荷載導致拉應力可相互抵消，因此在對基坑支護結構分析前，計算錨桿形變[7]。基坑支護結構中的錨桿受到預應力和荷載的作用發生彈性變形，荷載作用將從錨頭傳遞到錨固體頂端，逐漸分配到錨固段和自由端兩部分[8]。在計算中，將分配到錨固段的荷載定義為1q，將分配到自由段的荷載記為q2，總荷載為設錨固段長度為d，漿體與土體的摩阻力破壞區長度為d0，砂漿與土層間的殘余抗剪強度為0σ，彈性區范圍為1d～d2。d～d0范圍為錨固段未受荷段[9]。在同一荷載作用下，荷載傳遞過程在自由端與錨固段基本相同，漿體與土體間塑性破壞區在荷載增長的作用下，長度1d不斷增加，荷載達到極限值時錨桿尾部進入彈性階段，整個錨桿的極限荷載為錨固段和自由端承受荷載的疊加。但是在實際情況中，自由端和錨固段不一定會同時達到極限荷載[10]。

在基坑支護結構中，錨固體的漿體與鋼筋的剛度在沒有達到臨界荷載時，漿體與鋼筋剛度之間可能發生同步變形作用，此時錨桿的拉力就會被傳遞到錨固土層中，導致錨固體產生拉伸變形，與周圍土體產生剪切位移。利用公式1計算錨桿總位移。

公式中S0表示桿體截面積，0l表示自由段長度，de表示錨固段位移，E0表示桿體的彈性模量。隨著基坑工程進度的推進，基坑土體的壓力逐漸增大，進而導致錨桿的拉拔力增大，錨桿逐漸變形，且越來越明顯，當錨固體與砂漿之間的粘結力抵抗不了壓力時，錨桿被整體拉出，基坑支護結構被破壞。

1.2 建立土體本構分析模型

基于上述計算結果和分析結論，建立基坑本構分析模型，由于基坑的礦山工程地質情況比較復雜，為了簡化建立過程，在模擬過程中對基坑做出基本的假定。具體內容為：將在模型建立過程中，將基坑邊坡的支護結構分析問題看作平面應變的問題；水文環境對模擬過程不產生任何影響；模擬過程中不考慮噴砼層的情況，更好地體現出預應力對基坑的作用；在錨索周圍巖石體不發生位移的情況下，并滿足其變形相容條件；將鋼筋、漿體等土體視為理想彈性體。

在上述設定條件下，構建理想分析模型，在模擬過程中用到的參數來源為工程勘察報告提供的土體物理及力學參數，其中泊松比和楊氏模量兩個參數由技術人員的以往經驗確定。但是在建立模型和分析時，更多的是使用基坑支護結構的切變模量和體積模量。上述中泊松比、楊氏模量與切變模量、體積模量的關系為：

公式中eQ表示切邊模量，eV表示體積模量，?表示泊松比，eY表示楊氏模量。在分析模型中，將基坑支護結構看做實體單元，考慮到在閉鎖效應的影響下，建立的模型與實際情況存在一定差距。因此，結構中連續墻和圍護樁采用板單元模擬，錨桿的自由段采用點對點彈簧單元模擬，錨桿的固定段則采用土工格柵模擬。在實際結構中，各個主體在變形過程中可能會發生錯動，在模型中使用界面單元模擬。界面單元強度與周邊土體強度通過以下方程建立聯系：

公式中Z0表示界面強度折減因子，在設計的模型中取值為0.65；0ω表示界面變形角度，sω表示周邊土體變形角度，0c表示界面強度，c s表示周邊土體強度。在已知各模擬參數以及參數之間的關系基礎上，即可構建土體本構分析模型，實現工程數值模型和本體模型模擬，得到基坑支護結構數值結果，以此分析礦山工程支護結構。

2 基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析實驗研究

2.1 實驗準備

為了更好地分析礦山工程基坑支護結構分析方法的實際水平，選擇某地深基坑工程作為實驗案例，設計多項對比實驗，為準確、客觀地評價工程場地巖土物理學性質，實驗過程中設計統一的地層設計參數?；痈鞯貙釉O計參數如表1所示。

表1 地層設計參數取值

基坑最大深度為60米，根據實際勘查情況，實驗中考慮20kpa的超載。在上述試驗參數下進行實驗驗證。

2.2 分析精度實驗結果及分析

礦山工程基坑開挖會對周圍建筑物造成影響，周圍堆積物、建筑物等地面超載會給支護結構的工作特性造成影響，在分析精度實驗分析中，設置不同的地面超載，計算分析方法的分析數值精度。實驗結果如表2所示。

表2 不同基坑結構支護分析方法分析精度實驗結果

通過表2中數據可以看出，傳統的基坑支護結構分析方法1和方法2分析數值較高，說明其精度較低，相比之下，提出的基坑支護結構分析方法數值較低，說明其分析精度高。由此可知，提出的基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析方法精度更能滿足實際應用需求。

2.3 穩定性實驗結果及分析

在對礦山工程基坑支護結構進行分析時，其穩定性應滿足規定標準，否則應對基坑邊坡進行二次處理，存在比較高的風險。以礦山工程基坑支護結構內的潛在滑裂面作為目標，使用不同的分析方法分析基坑邊坡在失穩狀態下的應變情況，計算其穩定性系數，使用第三方軟件統計實驗結果。實驗結果具體內容如表3所示。

表3 不同基坑結構支護分析方法穩定性實驗結果

實驗中默認距離為1.553e+002，觀察各個分析方法的velocity參數變化，該值越低表示對應分析方法的穩定性越好。從表中數據可以看出，三種方法相比之下，兩種傳統的分析方法下Velocity參數始終比較高，醍醐的基坑支護結果分析方法實驗結果Velocity參數遠小于傳統的分析方法。結合分析精度實驗結果可知，設計的基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析方法精度高、穩定性好，該方法的一致性更好，優于傳統的基坑支護結構分析方法。

3 結束語

隨著礦山工程的不斷涌現，規模的不斷擴大，基坑支護結構的應用范圍也在不斷擴大，深基坑支護結構的安全問題也日益突出。本文圍繞著礦山工程基坑支護結構分析展開研究，在原有的文獻資料支持下，提出基于預應力的礦山工程基坑支護結構分析。并且在完成相關分析工作后，通過多組對比實驗，驗證了提出的礦山工程基坑支護結構分析方法的可靠性和一致性，解決了原有分析中存在的問題，為今后的研究工作作出充分的準備。但是考慮到基坑工程具有較明顯的空間效應，在研究中應加強對基坑的三維研究，在與二維對比分析的過程中不斷提高分析水平，從而指導礦山工程基坑支護結構的搭建。