基坑開挖對礦區周邊地質環境的影響分析

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，隨著本構模型研究的發展，數值計算已經在工程中大量應用，并且取得大量的實踐經驗。數值計算在某種程度上已經成為解決許多復雜地質工程問題的主要手段之一。Plaxis程序是荷蘭開發的地質工程有限元軟件，它應用性非常強，能夠模擬復雜的工程地質條件，尤其適合于變形和穩定分析。Plaxis程序能夠計算兩類工程問題：平面應變問題和軸對稱問題。能夠模擬土體、墻、板、梁結構，各種元素和土體的接觸面，錨桿、土工織物、樁基礎等。Plaxis程序能夠分析的計算類型有變形、固結、分級加載、穩定分析和滲流計算等。

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

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

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

（3）建立單元應力和結點位移之間的關系。Plaxis程序自身提供了8種地質構造模型，另外，還可根據計算需要添加新的本構模型。

（4）建立單元上的結點力和節點位移之間的關系。利用虛功原理，單元結點力和節點位移的關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，得結構整體剛度矩陣[K]，集合所有作用于各單元的等效結點力矩陣，形成總體荷載列陣[R]，從而，整個結構的平衡方程表示為：。

（6）求解未知節點位移和單元應力。

基坑開挖對于礦山地質環境的影響的數值模擬計算，主要包括兩部分計算內容：先進行基坑開挖，后進行礦山地質環境的數值模擬計算。考慮基坑開挖后，礦區施工過程中，周邊的地質環境受到一定的影響。

在有限元中的計算，為了能夠得到較符合實際情況的數值模擬計算結果，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

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

（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，軟基模型按平面應變問題進行數值分析，構建半對稱數值計算模型。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；模型側面（x=0，x=50）固定，采用X約束，限制側面單元的x方向位移；模型頂部采用自由邊界。調用標準邊界條件即可滿足要求。

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

（4）本構關系：地基選用M-C模型，模擬地基的彈塑性變形和應力應變；排樁采用線彈性模型，調用plate結構單元模擬樁體；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

計算參數主要有Mohr-Coulomb模型的基本參數：E楊氏模量、μ泊松比、φ內摩擦角、c內聚力、Ψ剪脹角、滲透系數k；Plate結構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、水平間距和預應力等參數。土體本構模型采用摩爾—庫倫模型，排樁和礦井襯砌采用Plate結構單元。

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環境的影響，并進行系統評估。深基坑開挖后，再進行地質環境數值模擬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，在滲流穩定后進行基坑開挖模擬。

2.4 結果分析

將plaxis計算結果統計于下表，根據基坑開挖完成后，礦井開采區域上節點、下節點、左節點和右節點的具體發生變形量（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。可見，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結構的可能。

表1 基坑開挖

3 結論

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行了分析，結果發現，先開挖基坑后進行礦井開挖的方式對礦山地質環境影響甚微。