矿山工程基坑支护结构分析

关键词：预应力；矿山工程；基坑支护结构；有限元分析

在一些大型的土木工程中常常需要进行比较深的土方开挖，基坑就是开挖面内从地面到开挖面底所处形成的空间，随着工程施工进度的推进，基坑埋深也不断增加，从而导致深基坑工程的大量涌现，极大地推动了基坑支护技术的发展[1-3]。在矿山工程中，基坑支护结构的设计与当地地质和环境条件关系密切，在设计基坑支护结构时必须考察工程区域周围环境，特别是在工程不断推进的情况下，周边的水文条件和地质条件的变化情况，在建立基坑支护结构前，充分了解工程所处周边环境条件[4]。在目前的矿山工程中，基坑支护结构类型有很多，其安全性始终是人们研究的重点，长期以来，为了保证基坑施工的安全性，很多学者和技术专家提出了各种各样的基坑支护结构分析方法，研究支护结构的工作机理或土体本构模型[5]。但是在实际分析计算中，传统分析方法分析不够完善，主要是对支护结构受力的产生和作用认识不科学，存在计算偏差，其分析一致性比较差[6]。因此，提出基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析，解决上述中存在的问题，为以后的工作提供一定理论依据和技术支持。

1基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析

1.1预应力锚杆形变计算及分析

预应力是矿山工程基坑施工期间给结构预先施加的力，与荷载导致拉应力可相互抵消，因此在对基坑支护结构分析前，计算锚杆形变[7]。基坑支护结构中的锚杆受到预应力和荷载的作用发生弹性变形，荷载作用将从锚头传递到锚固体顶端，逐渐分配到锚固段和自由端两部分[8]。在计算中，将分配到锚固段的荷载定义为1q，将分配到自由段的荷载记为2q，总荷载为12q=q+q，设锚固段长度为d，浆体与土体的摩阻力破坏区长度为0d，砂浆与土层间的残余抗剪强度为0σ，弹性区范围为1d~2d。d~0d范围为锚固段未受荷段[9]。在同一荷载作用下，荷载传递过程在自由端与锚固段基本相同，浆体与土体间塑性破坏区在荷载增长的作用下，长度1d不断增加，荷载达到极限值时锚杆尾部进入弹性阶段，整个锚杆的极限荷载为锚固段和自由端承受荷载的叠加。但是在实际情况中，自由端和锚固段不一定会同时达到极限荷载[10]。在基坑支护结构中，锚固体的浆体与钢筋的刚度在没有达到临界荷载时，浆体与钢筋刚度之间可能发生同步变形作用，此时锚杆的拉力就会被传递到锚固土层中，导致锚固体产生拉伸变形，与周围土体产生剪切位移。利用公式1计算锚杆总位移。（1）公式中0S表示杆体截面积，0l表示自由段长度，ed表示锚固段位移，0E表示杆体的弹性模量。随着基坑工程进度的推进，基坑土体的压力逐渐增大，进而导致锚杆的拉拔力增大，锚杆逐渐变形，且越来越明显，当锚固体与砂浆之间的粘结力抵抗不了压力时，锚杆被整体拉出，基坑支护结构被破坏。

1.2建立土体本构分析模型

基于上述计算结果和分析结论，建立基坑本构分析模型，由于基坑的矿山工程地质情况比较复杂，为了简化建立过程，在模拟过程中对基坑做出基本的假定。具体内容为：将在模型建立过程中，将基坑边坡的支护结构分析问题看作平面应变的问题；水文环境对模拟过程不产生任何影响；模拟过程中不考虑喷砼层的情况，更好地体现出预应力对基坑的作用；在锚索周围岩石体不发生位移的情况下，并满足其变形相容条件；将钢筋、浆体等土体视为理想弹性体。在上述设定条件下，构建理想分析模型，在模拟过程中用到的参数来源为工程勘察报告提供的土体物理及力学参数，其中泊松比和杨氏模量两个参数由技术人员的以往经验确定。但是在建立模型和分析时，更多的是使用基坑支护结构的切变模量和体积模量。上述中泊松比、杨氏模量与切变模量、体积模量的关系为：（2）公式中eQ表示切边模量，eV表示体积模量，ϕ表示泊松比，eY表示杨氏模量。在分析模型中，将基坑支护结构看做实体单元，考虑到在闭锁效应的影响下，建立的模型与实际情况存在一定差距。因此，结构中连续墙和围护桩采用板单元模拟，锚杆的自由段采用点对点弹簧单元模拟，锚杆的固定段则采用土工格栅模拟。在实际结构中，各个主体在变形过程中可能会发生错动，在模型中使用界面单元模拟。界面单元强度与周边土体强度通过以下方程建立联系：（3）公式中0Z表示界面强度折减因子，在设计的模型中取值为0.65；0ω表示界面变形角度，sω表示周边土体变形角度，0c表示界面强度，sc表示周边土体强度。在已知各模拟参数以及参数之间的关系基础上，即可构建土体本构分析模型，实现工程数值模型和本体模型模拟，得到基坑支护结构数值结果，以此分析矿山工程支护结构。

2基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析实验研究

2.1实验准备

为了更好地分析矿山工程基坑支护结构分析方法的实际水平，选择某地深基坑工程作为实验案例，设计多项对比实验，为准确、客观地评价工程场地岩土物理学性质，实验过程中设计统一的地层设计参数。基坑各地层设计参数如表1所示。基坑最大深度为60米，根据实际勘查情况，实验中考虑20kpa的超载。在上述试验参数下进行实验验证。

2.2分析精度实验结果及分析

矿山工程基坑开挖会对周围建筑物造成影响，周围堆积物、建筑物等地面超载会给支护结构的工作特性造成影响，在分析精度实验分析中，设置不同的地面超载，计算分析方法的分析数值精度。实验结果如表2所示。通过表2中数据可以看出，传统的基坑支护结构分析方法1和方法2分析数值较高，说明其精度较低，相比之下，提出的基坑支护结构分析方法数值较低，说明其分析精度高。由此可知，提出的基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析方法精度更能满足实际应用需求。

2.3稳定性实验结果及分析

在对矿山工程基坑支护结构进行分析时，其稳定性应满足规定标准，否则应对基坑边坡进行二次处理，存在比较高的风险。以矿山工程基坑支护结构内的潜在滑裂面作为目标，使用不同的分析方法分析基坑边坡在失稳状态下的应变情况，计算其稳定性系数，使用第三方软件统计实验结果。实验结果具体内容如表3所示。实验中默认距离为1.553e+002，观察各个分析方法的velocity参数变化，该值越低表示对应分析方法的稳定性越好。从表中数据可以看出，三种方法相比之下，两种传统的分析方法下Velocity参数始终比较高，醍醐的基坑支护结果分析方法实验结果Velocity参数远小于传统的分析方法。结合分析精度实验结果可知，设计的基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析方法精度高、稳定性好，该方法的一致性更好，优于传统的基坑支护结构分析方法。

3结束语

随着矿山工程的不断涌现，规模的不断扩大，基坑支护结构的应用范围也在不断扩大，深基坑支护结构的安全问题也日益突出。本文围绕着矿山工程基坑支护结构分析展开研究，在原有的文献资料支持下，提出基于预应力的矿山工程基坑支护结构分析。并且在完成相关分析工作后，通过多组对比实验，验证了提出的矿山工程基坑支护结构分析方法的可靠性和一致性，解决了原有分析中存在的问题，为今后的研究工作作出充分的准备。但是考虑到基坑工程具有较明显的空间效应，在研究中应加强对基坑的三维研究，在与二维对比分析的过程中不断提高分析水平，从而指导矿山工程基坑支护结构的搭建。

参考文献

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作者：吕宏钢 单位：中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队