降雨滲流對靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

劉瑞曉 ，劉 源 ，姬棟宇

（1.河南省朝陽建筑設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000；2.中國核電工程有限公司鄭州分公司，鄭州 450000；3.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，湖南 湘潭411101）

1 引言

靠崖窯是在土崖上通過水平開挖，靠土拱自撐作用而能自穩(wěn)的一種生土構(gòu)筑物[1-2]，其受外界環(huán)境變化的影響非常大，其中降雨是一個很活躍的影響因素[3-4]。在降雨滲流過程中，窯洞土體的自重應(yīng)力會增加，滲透作用還會使土體的有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增大，而土體的抗壓、抗剪強(qiáng)度都會降低，同時豎向節(jié)理裂隙中的水體滲透力也會給窯洞土體結(jié)構(gòu)提供外在荷載，加快窯洞的破壞。又由于黃土體濕陷性和欠固結(jié)特點(diǎn)，在降雨初期，雨水沿節(jié)理裂隙滲透很快，窯洞的上覆土層的土體和臨空面窯臉土坡淺層的干燥土體首先受到雨水浸潤，由干燥變成非飽和狀態(tài)，隨后該范圍的非飽和土體很快達(dá)到飽和，隨著滲流進(jìn)一步滲透，窯體的深層土體也逐漸浸潤至飽和，淺層土體又呈現(xiàn)出非飽和狀態(tài)[5-6]。這就決定了降雨初期靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力變化較大，隨著降雨持時和降雨量的增大，土體結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化率減緩，之后在雨水蒸發(fā)初始時刻，由于黃土濕陷性的特點(diǎn)，基質(zhì)吸力的存在使土體強(qiáng)度增強(qiáng)，但在蒸發(fā)過程中，濕陷性的土體結(jié)構(gòu)又開始產(chǎn)生回彈，使得土體強(qiáng)度又降低，這樣循環(huán)反復(fù)，靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的累積變形也逐漸增大，致使靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)窯臉剝落和碎落、窯頂局部滑塌、窯洞整體滑塌、窯洞裂縫、洞內(nèi)土層剝落、窯內(nèi)滲水和窯洞冒頂?shù)绕茐男问健?/p>

為了研究降雨滲流對靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D對臺梯型5孔一列半圓拱靠崖窯進(jìn)行分析計(jì)算。

2 計(jì)算模型

數(shù)值模擬處理問題通常是在有限的研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散化，為了這種離散化不產(chǎn)生較大的誤差和滿足數(shù)值模擬精度要求，必須取得足夠大的研究范圍。根據(jù)臺梯型5孔一列半圓拱靠崖窯的分布情況，計(jì)算區(qū)域總高度H＝30m，窯門前緣平臺寬I＝6 m，區(qū)域總寬度L=50 m，靠崖窯土體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。計(jì)算模型采用四面體有限差分單元，共劃分20052個節(jié)點(diǎn)，92014個單元，應(yīng)力邊界條件為下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界；滲流邊界條件為計(jì)算區(qū)域的邊壁都為透水邊界。不考慮坡頂荷載、施工和地震等影響，計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2。

FLAC3D有限差分計(jì)算軟件在解決土體工程的問題上具有許多優(yōu)越性[7-8]，如能處理材料的大變形問題、求解過程中不需形成剛度矩陣、還有內(nèi)嵌的開發(fā)語言和各種分析模塊，只要進(jìn)行改變就能滿足實(shí)際工程的需要。但在建模上，F(xiàn)LAC3D軟件在單元網(wǎng)格劃分等前處理問題上卻存在以下不足，造成其建模的復(fù)雜性[9-11]：①差分模型的建立只能靠文件和內(nèi)部僅有的部分模型來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)格劃分不理想，尤其是對復(fù)雜邊界；②對于復(fù)雜的工程計(jì)算模型，在建模時需要各節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)龐大極易出錯，并且檢查起來也不容易；③復(fù)雜的計(jì)算模型，需花費(fèi)大量的時間，直接造成了三維模擬計(jì)算的周期長、難度大。

為解決有限差分軟件FLAC3D程序在建模方面的不足，靠崖窯土體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型在離散過程中，首先利用平面軟件繪圖技術(shù)，形成SAT文件，再導(dǎo)入到ANASYS軟件，通過ANASYS AXES TO FLAC3D接口程序，改變坐標(biāo)格式，然后經(jīng)過ANASYS TO FLAC3D前處理接口程序，生成FLAC3D網(wǎng)格文件，再導(dǎo)入FLAC3D最終形成有限差分網(wǎng)格單元。在生成的離散網(wǎng)格基礎(chǔ)上，通過物理力學(xué)參數(shù)對材料常數(shù)進(jìn)行賦值，加上邊界條件就構(gòu)成了完整的有限差分模型（見圖1）。

圖1 計(jì)算范圍 單位：m

圖2 網(wǎng)格模型

3 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算的有效性與土體介質(zhì)力學(xué)參數(shù)選取的精確與否有很大的關(guān)系，降雨滲流是一個復(fù)雜的過程，要求所選取的力學(xué)參數(shù)更要有代表性。文中土體的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 靠崖窯土層設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)建議值

4 計(jì)算結(jié)果分析

基于FLAC3D軟件的滲流計(jì)算模塊和常用的彈塑性計(jì)算的常用模塊，進(jìn)行了降雨滲流條件下的程序開發(fā) （主要是針對降雨1h、3h、5h，各計(jì)算參數(shù)的變化情況），對滲流條件下靠崖窯土體結(jié)構(gòu)的孔隙水壓力、豎向位移和塑性區(qū)的分布進(jìn)行了計(jì)算。

圖3 孔隙水壓力的分布情況

4.1 孔隙水壓力

從圖3孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果可以看出，在降雨初期主要表現(xiàn)為負(fù)的孔隙水水壓力，范圍在-10～-30kPa，該負(fù)孔隙水壓力主要分布在下臺梯窯洞底部土體中，而上臺梯的孔隙水壓力變化不大，只有-10kPa左右，根據(jù)負(fù)孔隙水壓力有效應(yīng)力變大的特點(diǎn)，這對土體強(qiáng)度是有利的，能暫時增加土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是隨著降雨持時和降雨量的影響，在降雨4h以后，孔隙水壓力表現(xiàn)為正的孔隙水壓力，范圍在40～350kPa， 并且在下臺梯窯頂?shù)撞?，孔隙水壓力達(dá)到200kPa，在窯洞最底部的局部區(qū)域其最大孔隙水壓力達(dá)到350kPa，出現(xiàn)了超孔隙水壓力，土體強(qiáng)度被減弱，穩(wěn)定性降低。下臺梯窯洞底部淺層負(fù)的孔隙水壓力很快消散，說明窯洞土體逐漸達(dá)到飽和，土體強(qiáng)度降低，自重增加，滲透力增加，計(jì)算顯示這部分土體很不穩(wěn)定，而在上臺梯和上覆土層中的負(fù)孔隙水壓力變化仍然不太大，其穩(wěn)定性比窯洞底部土體稍好，說明在臺梯成列靠崖窯中，下臺梯窯洞底部淺層范圍是孔隙水壓力的主要變化區(qū)，在該范圍加強(qiáng)排水工作很關(guān)鍵。

4.2 垂直位移

整個降雨過程中垂直位移主要表現(xiàn)為向下的負(fù)位移，范圍在1.5～35mm，靠崖窯窯洞頂部和上覆土層范圍內(nèi)的土體位移最大，而在靠崖窯最底部的位移最小，主要是由于窯洞淺層土體受到降雨的影響比較大，因此垂直變形比其他部位要偏大，而在深部垂直位移較小，該深部范圍最大垂直位移不到10mm。在降雨初期，窯洞最底部的土體根本不會受到降雨的影響，幾乎沒有垂直位移，隨著降雨持時和降雨量的增加，該范圍的垂直位移變化也不是太大。而在下臺梯窯洞底部淺層范圍，在降雨初期垂直位移的變化很大，隨著降雨持時和降雨量的增加，該位移又逐漸減少，但是處于增加的趨勢，尤其是在邊跨窯洞的垂直位移變化很大，而在中間跨的窯洞較小，因此對下臺梯邊跨窯洞進(jìn)行加固以滿足其窯洞的穩(wěn)定性很關(guān)鍵。同時在上臺梯窯洞頂部至洞頂范圍，該范圍受降雨的影響也很大，垂直位移始終處于迅速增加的趨勢，尤其是在邊跨窯洞，其位移變化也最大，中間跨的窯洞要較小，這可能是數(shù)值計(jì)算時與邊界條件的設(shè)置有關(guān)。

4.3 塑性區(qū)的分布情況

塑性區(qū)靠崖窯破壞主要表現(xiàn)為拉伸破壞和剪切破壞，降雨初期在各窯洞的局部范圍，尤其是在拱曲線附近都出現(xiàn)了不同程度的塑性區(qū)，但沒有貫通，隨著降雨持時和降雨量的增加，該范圍的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展，直至出現(xiàn)貫通破壞，尤其是下臺梯窯洞剪切塑性區(qū)貫通的范圍較大。說明降雨滲流情況下，臺梯多孔成列靠崖窯的下臺梯窯洞受到的影響最大，容易造成剪切破壞，隨后會引起上臺梯窯洞的牽引破壞，因此加強(qiáng)下臺梯窯洞的穩(wěn)定性是最關(guān)鍵的。

5 結(jié)語

結(jié)合臺梯5孔一列半圓拱靠崖窯的算例，進(jìn)行了應(yīng)力場—滲流場耦合的有限差分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算，通過孔隙水壓力、垂直位移和塑性區(qū)的結(jié)果表明，在降雨滲流條件下，加強(qiáng)下臺梯窯洞的穩(wěn)定性是最關(guān)鍵的所在。

［1］李萍，張琦，陳小念.降雨條件下飽和—非飽和土的滲流分析［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（6）：115－11.

［2］趙克烈，張世雄，王官寶，等.FLAC－3D在深凹邊坡形狀優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2006 （1）：25－28.

［3］童麗萍，韓翠萍.黃土窯居自支撐結(jié)構(gòu)體系的研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2009，35（2）：71-73.

［4］張玉香，田興云.窯洞破壞的原因及其防治措施［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2004， 32（S）： 145－149.

［5］李新坡，陳永波，王永杰，等.用強(qiáng)度折減法和FLAC3D計(jì)算邊坡的安全系數(shù)［J］.山地學(xué)報(bào)，2006，24（S）：235－239.

［6］漆泰岳，陸士良，高波.FLAC錨桿單元模型的修正及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（13）：2197－2200.

［7］陳育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［8］Itasca Consulting Group Inc.FLAC3Dusers manual［R］.Minneapolis：I-tasca Consulting Group Inc.，2004.

［9］趙明華，肖燕，陳昌富.軟土流變特性的室內(nèi)試驗(yàn)與改進(jìn)的西原模型［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，31（1）：48-51.

［10］姚濤，邵龍?zhí)?基于圖像測量技術(shù)的非飽和黃土固結(jié)變形試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)， 2009，30（7）：2011-2015.

［11］陳善雄，陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.巖土力學(xué)， 2001，22（4）：447－450.