湿陷性黄土在我国黄土地区分布较为广泛，主要分布在东北、西北、华中、华东等地区，占地面积约63万km²，该区域同时也是我国经济建设的核心地域。随着近年来经济建设的快速发展，基础设施建设也逐渐增多，基坑工程越来越大，深度越来越深。因此，针对黄土地质特性的研究也逐渐成为了广大学者所关注的焦点，湿陷性黄土地质特性对基坑建设及邻近建筑物的影响研究更是近年来的热点。

　　 杨子胜等 ^[1]分析总结了基坑工程中可能存在的各种不确定性因素，论述了其风险管理的含义、介绍了其特点，探讨了如何进行风险识别、风险分析与评价以及风险控制。吴楠 ^[2]建立了深基坑工程施工期风险影响因素的安全指数体系，同时提出安全指数等5个影响指数及其对应的计算、评估方法。邓祥辉等 ^[3]把致险因子分为施工与地质两大类，再通过模糊层次分析法评判了西安某地铁基坑施工风险水平，最终评判结果为四级，并制定了相关防控措施。宋兴海 ^[4]以深圳市建科大楼基础工程为研究对象，应用有限差分软件FLAC3D对实际工况和不同支护参数进行了数值模拟，分析了支护结构的存在对高层建筑基础沉降的影响。陈滋雄 ^[5]利用土力学和岩石力学知识研究基坑开挖岩土体变形规律，利用FLAC3D数值模拟软件，对基坑开挖进行模拟，判定在特定条件下邻近建筑物的安全性。方志华 ^[6]运用MIDAS-GTS有限元软件对桩锚支护的深基坑开挖过程进行了研究，得出了对基坑设计和施工的一些结论。

　　 目前大多数学者针对基坑工程的施工安全问题，从不同角度利用不同方法进行研究，然而针对湿陷性黄土基坑这一特殊地质条件下的施工研究明显不足，本文以武安市基坑工程为例，利用MIDAS有限元软件对湿陷性黄土基坑进行数值模拟，通过对黄土产生湿陷前后两种情况下的数值计算结果对比，得出两种情况下基坑的变形情况，进而对湿陷性黄土基坑施工中的风险进行预测，最后提出相应的控制措施。

　　 本文依托武安市太行钢铁退城进园道路工程中的高压线塔防护工程。道路工程主线起于309国道，向南经过铺上村、花园村、苑水村、西河下村、下穿邯长铁路，经过牛洼堡村终于磁左公路。主线长5.817km，路基宽33.5m，路面宽32m，两侧各有0.75m高的土路肩。其中，在主线K5+294.014处220kV高压塔处于路堑边坡范围，施工过程中会对高压塔的稳定产生影响，根据现场实际情况变更为24根直径1.25m、桩长20m的钻孔灌注桩对其进行防护(见图1)。

　　 场地勘探深度范围内的地基土主要由第四纪沉积土组成。表层为耕植土，其下为第四纪全新世黄土，灰黄色，厚层状，稍湿，硬塑～坚硬状态，粉粒含量较高，块状结构，垂直节理发育。

　　 本文利用MIDAS-GTS NX有限元分析软件，建立二维模型进行模拟分析。采用弹塑性莫尔-库仑模型模拟土体特性，基坑工程中的防护结构以梁单元进行模拟，采用弹性模型模拟材料特性。根据上述背景工程基坑防护结构图，进行相应简化建立几何模型，边界尺寸为高30m、长80m，基坑深度为11m。由于基坑旁存在高压线塔，模拟时进行简化，在模型相应位置建立基础桩，并施加荷载，忽略风荷载的影响，只考虑线塔自身重力。为较为清晰地分析结构的应力变形等，采用较细的单元格划分结构，且梁单元与土体单元必须要节点耦合。

　　 为较为简明地分析基坑整体结构的稳定性，且因支护结构都在黄土地层中，故将地基土体选用同一种土体———黄土，将基础桩、防护桩等结构选用混凝土材料。黄土在非湿陷情况下一般强度较高，压缩性小。通过查阅相关文献及工程土力学试验结果，选取材料的物理力学参数如表1所示。

　　 而黄土浸水湿陷后，土体结构迅速破坏，产生较大附加下沉，强度也会大幅降低。有学者针对黄土的湿陷性增湿引起的强度变化规律进行了研究，发现随着黄土含水量的增加，黄土的黏聚力降低显著，内摩擦角变化较小，而且湿陷性越大，黏聚力降低幅度越大，黄土本身的结构强度损失越大。从有关研究中可以看出，黄土湿陷会引起其力学参数的变化，而主要是黏聚力与内摩擦角的变化，其中黏聚力变化最为显著。因黄土湿陷时土体结构变化复杂无法完全有效模拟，故采用MIDAS有限元软件模拟黄土湿陷时，主要通过改变黄土的物理力学参数来模拟黄土的强度变化，即将黏聚力与内摩擦角进行一定折减。

　　 经查阅相关文献 ^{[7,8,9,10,11,12]}，在黄土湿陷性系数为0.015～0.03时，黏聚力折减系数为60%～80%，内摩擦角折减系数为10%～30%，由于现场黄土湿陷性系数为0.024，故本文采用黏聚力折减70%，内摩擦角折减20%进行数值计算，同样土体的弹性模量也与土体的强度有关，进行相应折减，折减后的参数如表1所示。

　　 为较为形象地模拟基坑工程的施工过程，结合实际基坑开挖具体施工工序，将施工过程模拟分为6个施工段。具体施工模拟步骤如表2所示。

　　 黄土非湿陷时数值计算得出的位移云图如图2所示。由图2a可以看出，基坑x方向的位移变化主要集中在基坑防护结构顶部位置，位移最大值出现在基坑边缘顶部位置，为2.785mm。而由图2b可以看出，基坑y方向的位移变化主要集中在防护结构处以及基坑底部位置，位移最大值在基坑底部位置，为2.112mm。从图2可以发现基坑最终整体变形主要表现在基坑的防护结构处，说明基坑施工时防护结构起到了限制基坑失稳的关键性作用。由数值计算得出的结果与现场实测数据进行对比，水平位移实测数据最大值为2.991mm，说明数值模拟计算结果可靠，模型建立较为合理。

　　 按照折减之后的黄土物理力学参数进行数值计算，位移计算结果如图3所示。由图3可知，基坑在黄土产生湿陷时的位移变化明显增大，x方向位移变化集中在防护结构的上部即基坑边缘的顶部，而y方向位移变化的显著位置主要有2个，分别是基坑顶部靠近防护结构处与基坑底部靠近防护结构处。结构x方向的位移最大值为20.694mm，位于基坑坡体顶部，y方向的位移最大值为12.041mm，位于基坑底部靠近防护结构处。可以看出，防护结构即使在黄土产生湿陷的情况下依然能够保证基坑自身的基本稳定，达到了其防护要求。但是黄土在产生湿陷后的位移变化比黄土非湿陷情况下明显过大，因此针对类似基坑工程，可根据数值计算得到的位移变形结果来预测工程的施工风险，进而提前对该基坑工程采取相应的控制措施，以保证在黄土湿陷情况下整体结构的稳定性。

　　 在黄土产生湿陷前后两种情况下，基坑周边地表沉降及水平位移如图4所示，所取数值均为基坑开挖完成后的总位移值。由图4可知，基坑边坡水平位移随着基坑的深度加深逐渐变小，最大位移出现在基坑顶部。而基坑地表沉降则随着距基坑边缘距离的增加而逐渐变小，最大沉降出现在基坑边缘位置。黄土在产生湿陷后的位移变化较之湿陷前，整个基坑不论水平位移还是地表沉降均明显增大，水平位移增大是因为土体湿陷后基坑外侧土体应力变大，基坑支护结构受力增加，位移变大。地表沉降增加是因为土体湿陷后强度显著变弱，变形增大。但基坑在黄土两种情况下的位移变化最大位置却是不变的。

　　 根据数值计算结果，对比分析防护桩在黄土产生湿陷前后的受力情况。如图5所示，防护桩在两种情况下弯矩变化图形相似，弯矩最大值都出现在防护桩的下部与基坑底部相交位置，黄土湿陷前防护桩最大弯矩为22.523kN·m，产生湿陷后最大弯矩为30.101kN·m。根据图5分析，可知防护桩在黄土产生湿陷后所受到的力要大于黄土湿陷前，而防护桩不论在黄土湿陷前后，所受到力的最大值位置不变，皆为基坑底部位置，由此可知该工程的防护结构薄弱位置在防护桩基坑底部位置。因此，针对类似工程提出控制技术时，应针对防护结构的薄弱位置进行加强，以保证防护结构的完整性，提高基坑整体的稳定性。

　　 现场监测点主要布置在基坑边坡上以及基坑周边地表，每2个监测点相距2m，边坡上布置6个监测点监测边坡水平位移，周边地表布置8个监测点监测地表沉降，监测点分别布置在1条直线上。将数值计算结果的水平位移和竖向位移与实测数据进行对比，如图6所示。可以看出实测数据要略大于计算结果，其原因可能在于实际现场基坑旁存在高压线塔，受线塔荷载作用，边坡所受土体的应力变大，位移相应增加。实测数据在距基坑边4～10m范围内要较大于模拟计算结果，其主要原因在于，模拟时只考虑了高压线塔的基础桩，将线塔自重施加在了基础桩上，忽略了高压线塔的方形基础，故数值计算的结果在此范围内要较小于实测数据。虽然数值计算结果与实测数据有些差异，但其在数值上相差都在0.5mm以内，可见数值模拟具有较高的准确度。

　　 由上述数值计算结果与实测数据进行对比分析，可知模型建立的准确性很高，利用该模型模拟黄土产生湿陷后结构的整体变形。黄土在产生湿陷后，基坑整体结构变形最大的位置，主要是基坑边坡的顶部以及靠近边坡的基坑底部。这两处位置即是最可能对结构产生破坏的风险位置。

　　 针对黄土产生湿陷时变形较大的湿陷性黄土基坑工程，单一的基坑支护技术已经无法达到其原有的支护效果，故基坑的支护结构应采用多种支护技术相结合的方法，将土钉墙、排桩、锚杆、混凝土墙等支护结构进行相应的结合，从而达到良好的支护效果。

　　 黄土湿陷后产生较大变形，进而威胁基坑及邻近建筑物安全的根本原因，是由于黄土在一定压力下遇水产生湿陷的缘故。因此，基坑工程的防排水措施对湿陷性黄土基坑的安全问题有着至关重要的作用。基坑防排水主要措施如下。

　　 基坑坡面的防护结构施工时，应预留排水孔，在混凝土防护墙上一定位置预留相应数量的排水孔，以防止雨水浸入。且防护结构施工完成后，应在坡顶路面做好排水工程，确保排水流畅，保证雨水不能浸入土层及防护结构。

　　 若基坑工程地下水丰富，可采用降水井降水的方法来确保基坑稳定，根据基坑工程现场的地质勘察报告，通过分析地下水分布情况并结合基坑自身特点，选用相应的降水方法。

　　 为防止地表降雨及地下水对基坑底部的浸泡，在基坑底部设置相应尺寸的排水沟和集水井，通过排水沟进行排水，将水引入集水井内，进而进行抽排。

　　 本文通过MIDAS有限元软件，以背景工程为例，分别模拟并计算了黄土产生湿陷前后的基坑稳定性，得出以下结论。

　　 1)通过MIDAS有限元软件，分别模拟并计算得黄土产生湿陷前后的结构变形，通过对比监测数据验证模型的准确性，通过对比黄土湿陷前后的变形结果，分析黄土产生湿陷后对基坑结构的影响。

　　 2)通过模拟并计算黄土产生湿陷后的结构变形，分析模型整体结构的位移变化，预测黄土浸水湿陷后的结构变形对工程施工可能产生的风险。

　　 3)根据有限元计算预测的基坑变形风险以及黄土产生湿陷的根本原因，提出黄土产生湿陷后的风险控制措施，其中加强防护结构的强度，以及基坑的防排水等措施是十分必要的。

　　 利用有限元数值计算黄土产生湿陷前后的结构变形，提前对基坑工程进行风险预测，进而提出相应的控制措施，以达到未雨绸缪的效果，为湿陷性黄土基坑这一类工程提供了另一种方向的防治方法。