基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

呂宏鋼

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 沈陽 110004）

在一些大型的土木工程中常常需要進(jìn)行比較深的土方開挖，基坑就是開挖面內(nèi)從地面到開挖面底所處形成的空間，隨著工程施工進(jìn)度的推進(jìn)，基坑埋深也不斷增加，從而導(dǎo)致深基坑工程的大量涌現(xiàn)，極大地推動(dòng)了基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展[1-3]。在礦山工程中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)和環(huán)境條件關(guān)系密切，在設(shè)計(jì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)必須考察工程區(qū)域周圍環(huán)境，特別是在工程不斷推進(jìn)的情況下，周邊的水文條件和地質(zhì)條件的變化情況，在建立基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)前，充分了解工程所處周邊環(huán)境條件[4]。

在目前的礦山工程中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型有很多，其安全性始終是人們研究的重點(diǎn)，長(zhǎng)期以來，為了保證基坑施工的安全性，很多學(xué)者和技術(shù)專家提出了各種各樣的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理或土體本構(gòu)模型[5]。但是在實(shí)際分析計(jì)算中，傳統(tǒng)分析方法分析不夠完善，主要是對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的產(chǎn)生和作用認(rèn)識(shí)不科學(xué)，存在計(jì)算偏差，其分析一致性比較差[6]。因此，提出基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jù)和技術(shù)支持。

1 基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

1.1 預(yù)應(yīng)力錨桿形變計(jì)算及分析

預(yù)應(yīng)力是礦山工程基坑施工期間給結(jié)構(gòu)預(yù)先施加的力，與荷載導(dǎo)致拉應(yīng)力可相互抵消，因此在對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析前，計(jì)算錨桿形變[7]?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿受到預(yù)應(yīng)力和荷載的作用發(fā)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(jì)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(shè)錨固段長(zhǎng)度為d，漿體與土體的摩阻力破壞區(qū)長(zhǎng)度為d0，砂漿與土層間的殘余抗剪強(qiáng)度為0σ，彈性區(qū)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(qū)在荷載增長(zhǎng)的作用下，長(zhǎng)度1d不斷增加，荷載達(dá)到極限值時(shí)錨桿尾部進(jìn)入彈性階段，整個(gè)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(shí)際情況中，自由端和錨固段不一定會(huì)同時(shí)達(dá)到極限荷載[10]。

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨固體的漿體與鋼筋的剛度在沒有達(dá)到臨界荷載時(shí)，漿體與鋼筋剛度之間可能發(fā)生同步變形作用，此時(shí)錨桿的拉力就會(huì)被傳遞到錨固土層中，導(dǎo)致錨固體產(chǎn)生拉伸變形，與周圍土體產(chǎn)生剪切位移。利用公式1計(jì)算錨桿總位移。

公式中S0表示桿體截面積，0l表示自由段長(zhǎng)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(jìn)度的推進(jìn)，基坑土體的壓力逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致錨桿的拉拔力增大，錨桿逐漸變形，且越來越明顯，當(dāng)錨固體與砂漿之間的粘結(jié)力抵抗不了壓力時(shí)，錨桿被整體拉出，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)被破壞。

1.2 建立土體本構(gòu)分析模型

基于上述計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論，建立基坑本構(gòu)分析模型，由于基坑的礦山工程地質(zhì)情況比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化建立過程，在模擬過程中對(duì)基坑做出基本的假定。具體內(nèi)容為：將在模型建立過程中，將基坑邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析問題看作平面應(yīng)變的問題；水文環(huán)境對(duì)模擬過程不產(chǎn)生任何影響；模擬過程中不考慮噴砼層的情況，更好地體現(xiàn)出預(yù)應(yīng)力對(duì)基坑的作用；在錨索周圍巖石體不發(fā)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(shè)定條件下，構(gòu)建理想分析模型，在模擬過程中用到的參數(shù)來源為工程勘察報(bào)告提供的土體物理及力學(xué)參數(shù)，其中泊松比和楊氏模量?jī)蓚€(gè)參數(shù)由技術(shù)人員的以往經(jīng)驗(yàn)確定。但是在建立模型和分析時(shí)，更多的是使用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)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(hù)結(jié)構(gòu)看做實(shí)體單元，考慮到在閉鎖效應(yīng)的影響下，建立的模型與實(shí)際情況存在一定差距。因此，結(jié)構(gòu)中連續(xù)墻和圍護(hù)樁采用板單元模擬，錨桿的自由段采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)彈簧單元模擬，錨桿的固定段則采用土工格柵模擬。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，各個(gè)主體在變形過程中可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，在模型中使用界面單元模擬。界面單元強(qiáng)度與周邊土體強(qiáng)度通過以下方程建立聯(lián)系：

公式中Z0表示界面強(qiáng)度折減因子，在設(shè)計(jì)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(qiáng)度，c s表示周邊土體強(qiáng)度。在已知各模擬參數(shù)以及參數(shù)之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，即可構(gòu)建土體本構(gòu)分析模型，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)值模型和本體模型模擬，得到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值結(jié)果，以此分析礦山工程支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了更好地分析礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法的實(shí)際水平，選擇某地深基坑工程作為實(shí)驗(yàn)案例，設(shè)計(jì)多項(xiàng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)工程場(chǎng)地巖土物理學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)統(tǒng)一的地層設(shè)計(jì)參數(shù)?；痈鞯貙釉O(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 地層設(shè)計(jì)參數(shù)取值

基坑最大深度為60米，根據(jù)實(shí)際勘查情況，實(shí)驗(yàn)中考慮20kpa的超載。在上述試驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 分析精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

礦山工程基坑開挖會(huì)對(duì)周圍建筑物造成影響，周圍堆積物、建筑物等地面超載會(huì)給支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作特性造成影響，在分析精度實(shí)驗(yàn)分析中，設(shè)置不同的地面超載，計(jì)算分析方法的分析數(shù)值精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)分析方法分析精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表2中數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法1和方法2分析數(shù)值較高，說明其精度較低，相比之下，提出的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法數(shù)值較低，說明其分析精度高。由此可知，提出的基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法精度更能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在對(duì)礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，其穩(wěn)定性應(yīng)滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，否則應(yīng)對(duì)基坑邊坡進(jìn)行二次處理，存在比較高的風(fēng)險(xiǎn)。以礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的潛在滑裂面作為目標(biāo)，使用不同的分析方法分析基坑邊坡在失穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)變情況，計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)，使用第三方軟件統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體內(nèi)容如表3所示。

表3 不同基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)分析方法穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中默認(rèn)距離為1.553e+002，觀察各個(gè)分析方法的velocity參數(shù)變化，該值越低表示對(duì)應(yīng)分析方法的穩(wěn)定性越好。從表中數(shù)據(jù)可以看出，三種方法相比之下，兩種傳統(tǒng)的分析方法下Velocity參數(shù)始終比較高，醍醐的基坑支護(hù)結(jié)果分析方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Velocity參數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的分析方法。結(jié)合分析精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法精度高、穩(wěn)定性好，該方法的一致性更好，優(yōu)于傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法。

3 結(jié)束語

隨著礦山工程的不斷涌現(xiàn)，規(guī)模的不斷擴(kuò)大，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全問題也日益突出。本文圍繞著礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析展開研究，在原有的文獻(xiàn)資料支持下，提出基于預(yù)應(yīng)力的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析。并且在完成相關(guān)分析工作后，通過多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)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(zhǔn)備。但是考慮到基坑工程具有較明顯的空間效應(yīng)，在研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑的三維研究，在與二維對(duì)比分析的過程中不斷提高分析水平，從而指導(dǎo)礦山工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的搭建。