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摘要：本文以该项目为例，通过有限元数值分析方法对黄土的湿陷前后的状态进行数值计算和比较，发现天然状态黄土具有较高的抗剪强度，承载力，地表沉陷和水平位移小，而浸水湿陷方破坏了黄土结构，迅速削弱了承载力，增加了斜坡沉降和位移，并严重影响了基坑的安全。通过对现场监测数据和计算结果的比较分析，表明使用数值方法可以有效地预测减少基坑施工湿陷性地风险。
关键词：湿陷性黄土;基坑施工风险预测;应用研究 中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-06-431
本文以某城市基坑工程为例。通过比较黄土湿陷前后两种情况的数值计算结果，可以获得两种情况下基坑的变形。对湿陷性黄土基坑的施工风险进行了预测，并最终提出了相应的控制措施。
一、湿陷变形的三大主要特征
黄土的结构强度和欠压密状态是区分它们与正常土壤的重要标志。因此，黄土的湿陷变形也是非常特殊的变形。大量的测试结果和动手的工程经验表明，湿陷性黄土塌的湿陷变形具有三个主要特征：突变，不连续和不可逆。但是，应该指出的是，在特定的应力条件，温度条件，应力水平和加湿水平下会产生较少湿陷变形的三个主要特性，并随这些条件的变化而变化。只有正确理解湿陷性的三个特征并进行辩证分析，才能客观地理解黄土湿陷变形的基本规律。
二、工程概括
本文依据的是某城市的高压线塔保护工程。道路工程的干线始于309号公路，主干线长度为5.817km，路基宽度为33.5m，人行道宽度为32m，两侧路肩高0.75m。其中，主线K5 + 294.014上的220kV高压塔在切割坡度范围内，影响施工过程中高压塔的稳定性，但根据现场实际情况，直径为1.25m，桩长为20m，它将更改为24钻孔灌注桩对其进行防护（请参见图1）。该场地勘探深度内的基础土壤主要由第四类沉积土壤组成。表层为耕植土，底层为第四纪全新世黄土，灰黄色，厚层，微湿，硬质至硬质，粉末含量高，结构大，垂直节理发育。
三、有限元分析模型
（一）本构关系与模型建立
在本文中，我们将使用MIDAS-GTS NX有限元分析软件来建立用于仿真分析的二维模型。用弹塑性莫尔库仑模型模拟土壤的特性，用梁单元模拟基坑工程的保护结构，并使用弹性模型模拟材料的特性。根据上面的背景工程基坑保护结构图，简化了几何模型，使边界尺寸为基坑的高度为30 m，长度为80 m，深度为11 m。在基坑旁边存在高压塔可以简化模拟，在模型的相应位置建立基桩，并仅考虑塔的重力来施加载荷，而忽略风荷载的影响。为了更清楚地分析结构的应力和变形，有必要使用更精细的单元对结构进行划分，并将梁和土单元与节点结合起来。
（二）参数选取
为了更简洁地分析基坑整体结构的稳定性，并且由于所有支撑结构都位于较少的层中，因此选择相同类型的无土作为基层土，并使用基桩，保护桩等的结构使用混凝土材料。黄土在非湿陷条件下通常更坚固，压缩性更差。黄土被浸水并湿陷后，土壤结构迅速被破坏，进一步沉降并强度显着降低。一些学者研究了由于湿陷性增湿引起的强度变化规律，并且随着含水量的增加，内聚力显着降低，内摩擦角的变化减小。内聚力的降低越大，则黄土本身的结构强度损失越大。相关研究表明，黄土的湿陷会引起其力学参数的变化，主要是内聚力和内摩擦角的变化，其中内聚力是最重要的。使用MIDAS有限元软件模拟黄土的湿陷主要是改变黄土的物理和机械参数，因为黄土湿陷时土壤结构会发生复杂的变化，因此无法完全有效地模拟。而且强度的变化越小，即内聚力和内摩擦角度进行一定的减少。
四、计算结果分析
（一）黄土非湿陷情况
图2显示了黄土非湿陷时通过数值计算获得的位移云图。从图2a可以看出，基坑的x方向位移变化主要集中在基坑保护结构的上部，最大位移出现在基坑边缘上方2.785 mm。从图2b中可以看出，基坑的位移方向主要集中在保护结构和基坑的底部，最大位移集中在基坑的底部2.112 mm。从图2中可以看出，基坑的最终整体变形主要体现在基坑保护结构中。这表明在基坑的施工过程中，保护结构在限制基坑的不稳定性方面起着重要作用。将数值计算得到的结果与现场测量数据进行比较，水平位移测量数据的最大值为2.991mm，表明数值模拟的计算结果可靠，模型建立合理。
（二）黄土产生湿陷后
数值计算是根据物理和机械参数的减少而进行的，位移计算结果如图3所示。从图3可以看出，黄土湿陷时基坑的位移变化明显增加，x方向的位移变化集中在保护结构的上部，即坑边缘的上部，y方向上位移的变化有两个主要位置。它们是保护结构附近的基坑顶部和保护结构附近的基坑底部。结构的最大x方向位移在基坑的坡度上方为20.694 mm，最大y方向位移为12.041 mm，在保护结构附近的基坑下方。结果表明，即使黄土湿陷，该防护结构也能保证基坑自身的基本稳定性，并满足其防护要求。
五、风险控制措施与建议
湿陷后黄土的大变形威胁基坑和邻近建筑物的安全的根本原因是黄土在恒定压力下与水碰撞。因此，基坑工程的防水防排水措施对湿陷基坑的安全起着重要作用，防止排水基坑的主要措施如下。首先，顶坑和防护结构排水。当在基坑的斜坡上构造保护结构时，必须固定排水孔并固定对应于混凝土保护墙的特定位置的多个排水孔，以防止雨水進入。保护结构完工后，应在斜坡的上部道路上进行排水工作，以确保排水顺畅，并防止雨水渗入土壤和保护结构。其次，基坑降水。如果基坑工程中地下水丰富，对井进行脱水可以保证基坑的稳定性。根据基坑工程现场的地质调查报告，分析了地下水的分布，综合了基坑的特征，选择了相应的降水方法。第三，坑底排水。为了防止地面降雨和地下水进入基坑底部，在基坑底部安装了排水沟和相应大小的集水井，以从排水沟中排出水。
结语：综上所述，利用有限元数值计算，计算湿陷前后较小的结构变形，提前预测基坑工程地风险，提出相应的控制手段以达到预防措施的效果，为湿陷性黄土基坑之类的项目提供了一种防治控制方法。
参考文献
[1]王迪，邓洪亮，马岩，李萌萌.湿陷性黄土基坑施工风险预测与应用研究[J].施工技术，2020，49（01）：7-10+15.
[2]李宝平，安冬.湿陷性黄土区基坑工程施工风险评估及控制[J].西安工业大学学报，2017，37（02）：118-123.
作者简介：
纪鹏，1982.6，男，汉，籍贯：河北衡水，学历：硕士，职称：工程师，现工作单位：西安长庆科技工程有限责任公司，研究方向：湿陷性黄土工程特性及黄土边坡稳定性
关键词：湿陷性黄土;基坑施工风险预测;应用研究 中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-06-431
本文以某城市基坑工程为例。通过比较黄土湿陷前后两种情况的数值计算结果，可以获得两种情况下基坑的变形。对湿陷性黄土基坑的施工风险进行了预测，并最终提出了相应的控制措施。
一、湿陷变形的三大主要特征
黄土的结构强度和欠压密状态是区分它们与正常土壤的重要标志。因此，黄土的湿陷变形也是非常特殊的变形。大量的测试结果和动手的工程经验表明，湿陷性黄土塌的湿陷变形具有三个主要特征：突变，不连续和不可逆。但是，应该指出的是，在特定的应力条件，温度条件，应力水平和加湿水平下会产生较少湿陷变形的三个主要特性，并随这些条件的变化而变化。只有正确理解湿陷性的三个特征并进行辩证分析，才能客观地理解黄土湿陷变形的基本规律。
二、工程概括
本文依据的是某城市的高压线塔保护工程。道路工程的干线始于309号公路，主干线长度为5.817km，路基宽度为33.5m，人行道宽度为32m，两侧路肩高0.75m。其中，主线K5 + 294.014上的220kV高压塔在切割坡度范围内，影响施工过程中高压塔的稳定性，但根据现场实际情况，直径为1.25m，桩长为20m，它将更改为24钻孔灌注桩对其进行防护（请参见图1）。该场地勘探深度内的基础土壤主要由第四类沉积土壤组成。表层为耕植土，底层为第四纪全新世黄土，灰黄色，厚层，微湿，硬质至硬质，粉末含量高，结构大，垂直节理发育。
三、有限元分析模型
（一）本构关系与模型建立
在本文中，我们将使用MIDAS-GTS NX有限元分析软件来建立用于仿真分析的二维模型。用弹塑性莫尔库仑模型模拟土壤的特性，用梁单元模拟基坑工程的保护结构，并使用弹性模型模拟材料的特性。根据上面的背景工程基坑保护结构图，简化了几何模型，使边界尺寸为基坑的高度为30 m，长度为80 m，深度为11 m。在基坑旁边存在高压塔可以简化模拟，在模型的相应位置建立基桩，并仅考虑塔的重力来施加载荷，而忽略风荷载的影响。为了更清楚地分析结构的应力和变形，有必要使用更精细的单元对结构进行划分，并将梁和土单元与节点结合起来。
（二）参数选取
为了更简洁地分析基坑整体结构的稳定性，并且由于所有支撑结构都位于较少的层中，因此选择相同类型的无土作为基层土，并使用基桩，保护桩等的结构使用混凝土材料。黄土在非湿陷条件下通常更坚固，压缩性更差。黄土被浸水并湿陷后，土壤结构迅速被破坏，进一步沉降并强度显着降低。一些学者研究了由于湿陷性增湿引起的强度变化规律，并且随着含水量的增加，内聚力显着降低，内摩擦角的变化减小。内聚力的降低越大，则黄土本身的结构强度损失越大。相关研究表明，黄土的湿陷会引起其力学参数的变化，主要是内聚力和内摩擦角的变化，其中内聚力是最重要的。使用MIDAS有限元软件模拟黄土的湿陷主要是改变黄土的物理和机械参数，因为黄土湿陷时土壤结构会发生复杂的变化，因此无法完全有效地模拟。而且强度的变化越小，即内聚力和内摩擦角度进行一定的减少。
四、计算结果分析
（一）黄土非湿陷情况
图2显示了黄土非湿陷时通过数值计算获得的位移云图。从图2a可以看出，基坑的x方向位移变化主要集中在基坑保护结构的上部，最大位移出现在基坑边缘上方2.785 mm。从图2b中可以看出，基坑的位移方向主要集中在保护结构和基坑的底部，最大位移集中在基坑的底部2.112 mm。从图2中可以看出，基坑的最终整体变形主要体现在基坑保护结构中。这表明在基坑的施工过程中，保护结构在限制基坑的不稳定性方面起着重要作用。将数值计算得到的结果与现场测量数据进行比较，水平位移测量数据的最大值为2.991mm，表明数值模拟的计算结果可靠，模型建立合理。
（二）黄土产生湿陷后
数值计算是根据物理和机械参数的减少而进行的，位移计算结果如图3所示。从图3可以看出，黄土湿陷时基坑的位移变化明显增加，x方向的位移变化集中在保护结构的上部，即坑边缘的上部，y方向上位移的变化有两个主要位置。它们是保护结构附近的基坑顶部和保护结构附近的基坑底部。结构的最大x方向位移在基坑的坡度上方为20.694 mm，最大y方向位移为12.041 mm，在保护结构附近的基坑下方。结果表明，即使黄土湿陷，该防护结构也能保证基坑自身的基本稳定性，并满足其防护要求。
五、风险控制措施与建议
湿陷后黄土的大变形威胁基坑和邻近建筑物的安全的根本原因是黄土在恒定压力下与水碰撞。因此，基坑工程的防水防排水措施对湿陷基坑的安全起着重要作用，防止排水基坑的主要措施如下。首先，顶坑和防护结构排水。当在基坑的斜坡上构造保护结构时，必须固定排水孔并固定对应于混凝土保护墙的特定位置的多个排水孔，以防止雨水進入。保护结构完工后，应在斜坡的上部道路上进行排水工作，以确保排水顺畅，并防止雨水渗入土壤和保护结构。其次，基坑降水。如果基坑工程中地下水丰富，对井进行脱水可以保证基坑的稳定性。根据基坑工程现场的地质调查报告，分析了地下水的分布，综合了基坑的特征，选择了相应的降水方法。第三，坑底排水。为了防止地面降雨和地下水进入基坑底部，在基坑底部安装了排水沟和相应大小的集水井，以从排水沟中排出水。
结语：综上所述，利用有限元数值计算，计算湿陷前后较小的结构变形，提前预测基坑工程地风险，提出相应的控制手段以达到预防措施的效果，为湿陷性黄土基坑之类的项目提供了一种防治控制方法。
参考文献
[1]王迪，邓洪亮，马岩，李萌萌.湿陷性黄土基坑施工风险预测与应用研究[J].施工技术，2020，49（01）：7-10+15.
[2]李宝平，安冬.湿陷性黄土区基坑工程施工风险评估及控制[J].西安工业大学学报，2017，37（02）：118-123.
作者简介：
纪鹏，1982.6，男，汉，籍贯：河北衡水，学历：硕士，职称：工程师，现工作单位：西安长庆科技工程有限责任公司，研究方向：湿陷性黄土工程特性及黄土边坡稳定性