基坑開挖對礦區(qū)周邊地質(zhì)環(huán)境的影響分析

王貴生，高書杰

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450000）

1 軟件介紹

在礦山開挖工程中，隨著本構(gòu)模型研究的發(fā)展，數(shù)值計算已經(jīng)在工程中大量應(yīng)用，并且取得大量的實踐經(jīng)驗。數(shù)值計算在某種程度上已經(jīng)成為解決許多復(fù)雜地質(zhì)工程問題的主要手段之一。Plaxis程序是荷蘭開發(fā)的地質(zhì)工程有限元軟件，它應(yīng)用性非常強(qiáng)，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析。Plaxis程序能夠計算兩類工程問題：平面應(yīng)變問題和軸對稱問題。能夠模擬土體、墻、板、梁結(jié)構(gòu)，各種元素和土體的接觸面，錨桿、土工織物、樁基礎(chǔ)等。Plaxis程序能夠分析的計算類型有變形、固結(jié)、分級加載、穩(wěn)定分析和滲流計算等。

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，利用簡單且相互作用的元素（單元體），以及有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)，其基本步驟如下：

（1）結(jié)構(gòu)的離散化。用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析時，首先要將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。即將一個連續(xù)體看成由有限個單元組成的體系，相鄰的單元體僅在節(jié)點處相連接，而以如此單元的結(jié)合體去代替原來的結(jié)構(gòu)。

（2）選擇位移函數(shù)。位移函數(shù)決定了單元內(nèi)部的各點的位移模式，可選擇線性或非線性模式。

（3）建立單元應(yīng)力和結(jié)點位移之間的關(guān)系。Plaxis程序自身提供了8種地質(zhì)構(gòu)造模型，另外，還可根據(jù)計算需要添加新的本構(gòu)模型。

（4）建立單元上的結(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(guān)系。利用虛功原理，單元結(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式可表示為單元平衡方程：

（5）建立整體平衡方程。集合所有單元的剛度矩陣，得結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣[K]，集合所有作用于各單元的等效結(jié)點力矩陣，形成總體荷載列陣[R]，從而，整個結(jié)構(gòu)的平衡方程表示為：。

（6）求解未知節(jié)點位移和單元應(yīng)力。

基坑開挖對于礦山地質(zhì)環(huán)境的影響的數(shù)值模擬計算，主要包括兩部分計算內(nèi)容：先進(jìn)行基坑開挖，后進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境的數(shù)值模擬計算?？紤]基坑開挖后，礦區(qū)施工過程中，周邊的地質(zhì)環(huán)境受到一定的影響。

在有限元中的計算，為了能夠得到較符合實際情況的數(shù)值模擬計算結(jié)果，模型的簡化非常重要，除了荷載的簡化、模型的大小選取等，比較重要的是參數(shù)簡化，即接觸面的模擬與單元的選取等。

2 模擬計算

2.1 計算模型

本文結(jié)合工程地質(zhì)條件，主要考慮臨近基坑斷面處開挖對礦井的影響，使其計算結(jié)果對于礦井安全性的評估更具現(xiàn)實意義。

（1）地基模型簡化：地基土模型尺寸取為：x=50，y=45m，樁錨支護(hù)樁徑1.0m，水平間距1.5m，樁體采用鋼筋混凝土材料，為簡化計算模型，提高計算效率，軟基模型按平面應(yīng)變問題進(jìn)行數(shù)值分析，構(gòu)建半對稱數(shù)值計算模型。地下水位14.5m，地基模型如圖1所示。

（2）邊界條件：采用了擴(kuò)展土體的方法，計算模型底部（y=-45m）固定，采用XY約束，限制底部土體單元的豎向和橫向位移；模型側(cè)面（x=0，x=50）固定，采用X約束，限制側(cè)面單元的x方向位移；模型頂部采用自由邊界。調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件即可滿足要求。

（3）初始條件：計算模型進(jìn)行初始化運算，地基自重固結(jié)已經(jīng)完成。并且將自重產(chǎn)生的位移和變形速率進(jìn)行歸零處理。

（4）本構(gòu)關(guān)系：地基選用M-C模型，模擬地基的彈塑性變形和應(yīng)力應(yīng)變；排樁采用線彈性模型，調(diào)用plate結(jié)構(gòu)單元模擬樁體；錨索采用點對點錨桿+土工格柵組合模擬，點對點錨桿模擬錨索的拉桿，土工格柵模擬錨索注漿體形成錨固段。

2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)主要有Mohr-Coulomb模型的基本參數(shù)：E楊氏模量、μ泊松比、φ內(nèi)摩擦角、c內(nèi)聚力、Ψ剪脹角、滲透系數(shù)k；Plate結(jié)構(gòu)單元主要有有軸向剛度EA、抗彎剛度EI、等效厚度D、重度w、泊松比μ；點對點錨桿和土工格柵主要有軸向剛度、水平間距和預(yù)應(yīng)力等參數(shù)。土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型，排樁和礦井襯砌采用Plate結(jié)構(gòu)單元。

2.3 模擬過程

圖1 地基模型計算簡圖

本模型主要計算深基坑開挖對地質(zhì)環(huán)境的影響，并進(jìn)行系統(tǒng)評估。深基坑開挖后，再進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境數(shù)值模擬plaxis計算；在模型計算步驟中，降水滲流在開挖前計算。先模擬基坑降水，在滲流穩(wěn)定后進(jìn)行基坑開挖模擬。

2.4 結(jié)果分析

將plaxis計算結(jié)果統(tǒng)計于下表，根據(jù)基坑開挖完成后，礦井開采區(qū)域上節(jié)點、下節(jié)點、左節(jié)點和右節(jié)點的具體發(fā)生變形量（沉降量和水平位移量），在基坑開挖后施工礦井的情況下，最大沉降為0.35mm，最大水平位移為1.01mm?？梢?，先開挖基坑后施工礦井，此時基坑本身的存在對礦井的影響很微弱，甚至存在礦井本身施工影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可能。

表1 基坑開挖

3 結(jié)論

本文采用plaxis有限元軟件就某基坑開挖對礦山礦井的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，先開挖基坑后進(jìn)行礦井開挖的方式對礦山地質(zhì)環(huán)境影響甚微。