FLAC^3D在潮濕環(huán)境史前考古土遺址直立探方穩(wěn)定預(yù)判中的應(yīng)用

陳鵬飛 張景科 諶文武 楊善龍 和法國 陸愷

內(nèi)容摘要：潮濕環(huán)境中考古探方的失穩(wěn)破壞不僅對遺址文物的保護不利，而且威脅著現(xiàn)場工作人員的人身安全。目前對潮濕環(huán)境下考古探方穩(wěn)定性預(yù)判的研究較少。本文基于杭州潮濕地區(qū)的巖土參數(shù)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行探方開挖前穩(wěn)定性預(yù)判模擬計算。模擬探方為直立式，尺寸（長×寬×深）為5m×5m×2.4m。模擬發(fā)掘過程采取降排水措施。數(shù)值計算結(jié)果表明：（1）隨開挖不斷進行，坑壁水平位移逐漸增大，曲線形狀呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，極值點位于距頂部1.75m的坑壁處。（2）最終安全系數(shù)為2.37。（3）得出了潛在滑移帶所在位置，坑壁滑移帶剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處。計算結(jié)果可以為現(xiàn)場考古模擬發(fā)掘試驗提供參考，為直立式考古探方穩(wěn)定性預(yù)加固提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潮濕環(huán)境；史前考古遺址；直立探方；FLAC3D；穩(wěn)定預(yù)判

中圖分類號：P901 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2016）04-0135-06

Abstract： The instability of an archaeology excavation unit in moist environments is not only bad for the sites and protection of relics， but also threatens the personal safety of archaeologists. Little research on the stability of this equipment when used in such environments has been conducted at present， however. This study presents research on how to prejudge the stability of excavation units prior to excavation by applying the numerical simulation software FLAC3D to the geological conditions and moist environment of Hangzhou when using a vertical excavation unit that measures 5m×5m×2.4m. The numerical calculation， combined with drainage measures also recorded during the simulation， yielded several results. First， during excavation the deformation of the pit wall increases gradually in the shape of a bow being drawn， and the horizontal displacement first increases to extremum and then decreases from the top to the bottom. The point where the extremum is reached is 1.75 m from the top of the pit wall. Second， the stability coefficient is 2.37， and； finally， the location of the potential slip band is clearly observable， the opening of the slip band being 2.0m-2.4m from the top of the pit wall. These calculation results can provide reference for field archaeological excavation and evidence for preparatory reinforcement of vertical excavation units.

Keywords： moist environment； prehistoric archaeology site； vertical excavation unit； FLAC3D； pre-judging stability；

1 引 言

我國東南方潮濕環(huán)境地區(qū)的史前考古遺址主要集中分布在長江流域：如長江上游地區(qū)的巫山大溪文化遺址、新繁水觀音遺址等，長江中游地區(qū)的盤龍城遺址、屈家?guī)X文化遺址等，長江下游地區(qū)的河姆渡文化遺址、良渚文化遺址等。為確保文化層信息的完整連續(xù)性，直立探方是常用的考古發(fā)掘型式。鑒于探方四壁均保存著重要文化信息，不宜過多采取工程加固措施；而文化層開挖與信息的提取歷時長，我國東南方潮濕環(huán)境中的直立探方極易失穩(wěn)破壞。探方失穩(wěn)不僅對發(fā)掘的古遺址保護有威脅，同時也會影響到考古人員的安全。因此，在潮濕環(huán)境下史前土遺址的考古探方穩(wěn)定性的預(yù)判尤為重要。

考古發(fā)掘探方與工程基坑有諸多類似之處。目前對于在潮濕環(huán)境中基坑工程的研究已經(jīng)取得了豐富的成果。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基坑工程穩(wěn)定性預(yù)判多利用數(shù)值計算方法，有限元及有限差分數(shù)值計算軟件在基坑模擬計算中的應(yīng)用越來越廣泛，而且取得了良好的效果。劉杰等通過ANSYS數(shù)值模擬計算對地鐵車站基坑的圍護結(jié)構(gòu)進行了模擬，結(jié)合現(xiàn)場變形監(jiān)測得到了很好的驗證[1]。李磊等則是通過ABAQUS有限元軟件對基坑進行了數(shù)值模擬[2]。周念清等采用三維有限差分法對基坑降水進行了模擬計算，模擬結(jié)果與地下水位實際監(jiān)測數(shù)據(jù)十分吻合[3]。孔德森等通過建立二維有限元彈塑性分析模型采用強度折減法對軟土深基坑坑底抗隆起情況進行了穩(wěn)定性分析[4]。吳忠誠等通過深基坑復(fù)合土釘墻支護大型現(xiàn)場原位測試對比FLAC3D模擬，得出通過建立的三維數(shù)值模擬分析模型能夠反映復(fù)合土釘支護的基坑在開挖過程中的受力和變形特征[5]。蔡海波等通過對基坑在原有設(shè)計基礎(chǔ)上沿深開挖深度的工況下進行模擬計算，優(yōu)化了原有設(shè)計的支護方案[6]。吳意謙等對濕陷性黃土地區(qū)深基坑進行了模擬計算，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為一致，為基坑的合理設(shè)計與安全施工提供了科學(xué)依據(jù)[7]。丁勇春等通過計算模擬出臨江基坑在考慮江內(nèi)潮位變化情況下基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8]?？梢姅?shù)值模擬方法在基坑工程優(yōu)化設(shè)計、穩(wěn)定性預(yù)判中應(yīng)用廣泛，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了計算結(jié)果的合理性。結(jié)合考古發(fā)掘坑與基坑的類同性，選擇性地引入基坑穩(wěn)定性預(yù)判的理論方法應(yīng)用到考古發(fā)掘探方的穩(wěn)定性預(yù)判之中，對于考古發(fā)掘具有重要意義。

FLAC3D軟件能較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形，具有強大的前后處理功能，在巖土工程問題中應(yīng)用廣泛[9-12]。本文采用FLAC3D軟件。選取浙江大學(xué)紫金港校區(qū)巖土條件為基本工況，模擬了開挖深2.4m、長寬均為5.0m的模擬考古直立探方，開展了FLAC3D計算軟件在考古探方穩(wěn)定性預(yù)判中的探索。

2 試驗場地概況

2.1 試驗地點

現(xiàn)場試驗選擇在浙江省科技考古與文物保護技術(shù)研究試驗基地。該場地位于浙江省杭州市浙江大學(xué)紫金港校區(qū)。

2.2 試驗場地與史前考古遺址的相似性

通過現(xiàn)場調(diào)查，場地土體為物理力學(xué)性質(zhì)差的黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；場地地下水位為0.8m，且試驗基地周邊有多處池塘、水田。該場地的土體條件、地下水情況與良渚遺址的考古環(huán)境相似。

2.3 巖土條件及地下水

試驗基地現(xiàn)場勘察表明，試驗場地地層自上而下依次是：

素填土：黃褐色內(nèi)部有較多裂隙，裂隙寬1—2cm，土體厚度80cm。

雜填土：主要由磚塊、水泥塊及夾雜其中的碎土組成，力學(xué)性質(zhì)較差、透水性好。土體厚度35cm。

素填土：深褐色，土體內(nèi)部有水平發(fā)育空隙，空隙內(nèi)有細沙充填。土體厚度35cm。

淤泥質(zhì)黏土：灰黑色，土質(zhì)均勻，流塑性，土體性質(zhì)較差。土體厚度20cm。

黏土：黃色，土質(zhì)均勻，軟塑性，小孔隙發(fā)育，土體疏松，性質(zhì)較差。土體厚度70cm。

黏土：青灰色，土質(zhì)均勻，可塑性，無裂隙發(fā)育，土體性質(zhì)較差。

各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

場地的地下水豐富，周邊有多處池塘、水田，現(xiàn)場地下水位一般位置在0.8m附近，隨天氣變化而波動，波動幅度0.1m。

3 模擬開挖方案及方法

3.1 模擬工況及方法

試驗現(xiàn)場為典型潮濕環(huán)境，池塘、河流、湖泊等地表水豐富，降水量大，導(dǎo)致地下水位高且補給源充足，為使模擬現(xiàn)場考古發(fā)掘作業(yè)正常進行，在模擬探方開挖過程中以及后期文化層信息提取收集過程中必須全程實施降排水措施，將地下水降至考古探方底部以下，減少地下水的不良影響。

由于實驗現(xiàn)場土層多為滲透性極差的黏土組成，地下水滲透緩慢，滲透壓力對于模擬探方穩(wěn)定性影響相對較弱，同時為簡化計算，本次模擬計算僅考慮地下水面以下的土體采用飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)，地下水位面以上的土體采用天然狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)進行模擬計算。

3.2 開挖、邊界、網(wǎng)格

模擬開挖可認為是平面應(yīng)變問題而且開挖探方模型對稱，可以將模型簡化為二維問題并選取一半作為計算對象。模型的高度為12m，長15m，在FLAC3D中對模型按現(xiàn)場土層情況進行分組，模型由6360個單元（zones）和9882個節(jié)點（grid-

points）組成。

數(shù)值模擬計算的土體本構(gòu)模型采用Mohr-

Cloumb模型，除開挖探方所形成的邊坡及坑底設(shè)為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，限制其在法向方向以及切向方向的位移，模型的四周方向為單向邊界，限制其在法向方向的位移。

3.3 模擬開挖方案

基于史前考古土遺址發(fā)掘?qū)嵺`及FLAC3D模擬軟件的可實施性，模擬開挖方案為：開挖分為四步進行，每次開挖0.6m，最終開挖深度2.4m，開挖情況如圖1所示。

4 模擬分析結(jié)果及穩(wěn)定性預(yù)判

4.1 位移云圖

位移監(jiān)測可以直接反應(yīng)出數(shù)值計算中模型監(jiān)測位置的變形情況，也可推演出現(xiàn)實情況下對應(yīng)位置的變形情況，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件的認識便可判別出對象的穩(wěn)定性以及潛在破壞的位置，而且在生產(chǎn)實踐中位移的監(jiān)測較應(yīng)力的監(jiān)測更加簡便、精確。

由水平位移云圖2可知，水平橫向位移主要集中在坑壁附近，隨開挖不斷進行變形范圍逐漸增加，且位移量也逐漸增大；坡腳處也出現(xiàn)水平位移，且隨著開挖進行，出現(xiàn)水平位移的范圍逐漸增大。

圖3為每次開挖結(jié)束后坑壁最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時位移情況，Y軸為基坑深度，X軸為坑壁的水平位移值，負值表示位移方向向探方內(nèi)部位移，反之正方向表示向探方外側(cè)位移。由監(jiān)測結(jié)果可知，第一次開挖，開挖深度為0.6m相對較淺，水平位移量較小，在1mm左右；第二次開挖0.6m，模擬探方深度為1.2m，由坡頂至坡底水平位移量逐漸增大，1.0m處水平位移量達到極值；第三次開挖0.6m，模擬探方深度為1.8m，由坡頂至坡底水平位移量先增大后減小，在1.5m處時水平位移量達到極值1mm；第四次開挖0.6m，模擬探方深度為2.4m，由坡頂至坡底水平位移量先增大后減小，在1.75m處時水平位移量達到極值3.9mm。

4.2 安全系數(shù)

FLAC3D中對于邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬常用方法為強度折減法，即通過降低巖土體的參數(shù)，使得邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)，此時對于巖土體的抗剪強度進行的折減程度即定義安全系數(shù)。安全系數(shù)為巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后剪切強度的比值。在數(shù)值計算中分別采用強度折減法計算每次開挖后探方模型的安全系數(shù)，四次開挖完成后的安全系數(shù)如圖4所示。

由圖可知隨開挖深度不斷增加坑壁的安全系數(shù)逐漸降低，四次開挖完成后的安全系數(shù)分別為14.71、4.86、2.93、2.37，第二次開挖完成后，安全系數(shù)降低幅度最大，后兩次開挖完成后安全系數(shù)變化值相對較小。

4.3 剪應(yīng)變增量

模擬開挖完成后探方外土體的剪應(yīng)變增量云圖及位移矢量云圖如圖5所示。圖中箭頭方向代表對應(yīng)單元的位移方向，箭頭長度代表位移值的相對大小，由圖可知在模型開挖完成后，坑壁有向坑內(nèi)滑移的趨勢，坑壁處位移量最大，其后面土體的位移量逐漸降低。

由剪應(yīng)變增量云圖可知剪應(yīng)變增量分布呈“帶”狀分布。土體的破壞主要有兩種：拉伸破壞與剪切破壞[13]。本次模擬中拉伸塑性區(qū)主要位于模擬探方外側(cè)后緣1.5m—2.0m處，沿垂向發(fā)育深度約為1.5m，此區(qū)域土體受水平向拉應(yīng)力作用，當拉應(yīng)力超出土體的極限抗拉強度，此區(qū)域便會出現(xiàn)后緣拉裂縫。剪切塑性區(qū)主要位于坑壁2.0m—2.4m處，與坑壁呈45°夾角，在距頂部2.3m的坑壁處剪應(yīng)變增量最大。

5 分析與討論

5.1 位移云圖

隨著開挖不斷進行，變形量逐漸增大，坑壁的變形曲線逐漸呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，極值點附近即為此模擬探方的危險帶。危險帶位于距頂部1.75m左右，此處地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與黃色黏土，土體物理力學(xué)性質(zhì)極差，所以在開挖完成后，由于開挖卸荷出現(xiàn)臨空面。坑壁下部土體作為主動區(qū)，失去了被開挖掉的探方內(nèi)被動區(qū)土體的支撐，所以此處將會產(chǎn)生較大變形。此處將是重點監(jiān)測、治理地帶。最終開挖完成后的變形量最大值僅為3.9mm，約為直立探方開挖深度的1.6‰，變形值相對較小，不會對考古探方內(nèi)的文化層信息造成破壞。

5.2 安全系數(shù)

第一次開挖完成后，開挖深度為0.6m模型安全系數(shù)14.71。第二次開挖完成后，模型深度達1.2m，模型的安全系數(shù)降低至4.86，其穩(wěn)定性大幅降低。后面兩次開挖完成后模型的安全系數(shù)變化量小，但安全系數(shù)相對較小。

最終模型的安全系數(shù)為2.37，安全儲備足。在降排水的條件下除發(fā)生極端事件，使初始條件發(fā)生明顯變化外，考古探方是可以達到穩(wěn)定狀態(tài)的，即在本次模擬的工況下進行現(xiàn)場開挖是不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞情況的。

5.3 剪應(yīng)變增量

巖土體的破壞是由于某一面上的剪應(yīng)力達到了巖土體的剪切強度，此時剪切面上必然發(fā)生了較大的剪切變形。通過剪應(yīng)變增量云圖的情況即可判斷出潛在滑移面的位置[14]，通過剪應(yīng)變增量的貫通也可作為邊坡變形破壞的準則[15]。此剪應(yīng)變增量云圖是在對土體參數(shù)進行不斷折減的情況下獲取的，由此可以預(yù)知由于土體的力學(xué)性質(zhì)降低而引起的滑移破壞情況。

可看出潛在滑移帶所在位置，在開挖初期由于開挖形成臨空面，改變了初始穩(wěn)定狀態(tài)，臨空面出現(xiàn)向探方內(nèi)部位移趨勢，后部開始出現(xiàn)拉張帶，約束臨空面的位移。隨開挖深度增加，臨空面增大，拉張帶垂向延伸發(fā)育，坑壁底部出現(xiàn)剪切帶。可以看出兩者均在各自相應(yīng)方向發(fā)育，但兩者并未貫通，由此可知在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)內(nèi)進行的現(xiàn)場模擬史前考古發(fā)掘直立探方，在降排水措施下是不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的；模擬探方潛在剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處，此區(qū)域為易破壞區(qū)域，應(yīng)重點監(jiān)測其位移變化情況。

6 結(jié) 論

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對浙江省杭州市浙江大學(xué)紫金港校區(qū)內(nèi)尺寸（長×寬×深）為5m×5m×2.4m的直立式模擬考古探方的計算得出如下結(jié)論：

（1）隨著開挖進行，坑壁變形量逐漸增大，曲線形狀呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，危險帶位于距頂部1.75m附近的坑壁處。

（2）在降排水的條件下，模擬探方開挖完成后最終穩(wěn)定系數(shù)為2.37。

（3）得出了潛在滑移帶所在位置，坑壁剪切塑性區(qū)剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處，此處為易破壞區(qū)域。

（4）據(jù)計算結(jié)果為現(xiàn)場考古模擬發(fā)掘試驗提供參考，為直立式考古探方穩(wěn)定性預(yù)加固提供依據(jù)?？梢?，通過采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，可以為我國東南方潮濕地區(qū)考古發(fā)掘探方穩(wěn)定性預(yù)判及預(yù)加固提供可靠依據(jù)。

參考文獻：

[1]劉杰，姚海林，任建喜.地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2010，31（增2）：456-461.

[2]李磊，段寶福.地鐵車站深基坑工程的監(jiān)控量測與數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（增1）：2684-2691.

[3]周念清，唐益群，等.徐家匯地鐵站深基坑降水數(shù)值模擬與沉降控制[J].巖土工程學(xué)報，2011，33（12）：1950-1956.

[4]孔德森，門燕青，等.軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（增1）：186-190.

[5]吳忠誠，湯連生，廖志強，等.深基坑復(fù)合土釘墻支護FLAC-3D模擬及大型現(xiàn)場原位測試研究[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（增）：1460-1465.

[6]蔡海波，吳順川，等.既有基坑延深開挖穩(wěn)定性評價與支護方案確定[J].巖土力學(xué)，2011，32（11）：3306-3312.

[7]吳意謙，朱彥鵬.蘭州市濕陷性黃土地區(qū)地鐵車站深基坑變形規(guī)律監(jiān)測與數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學(xué)報，2014，36（增2）：404-411.

[8]丁勇春，程澤坤，等.臨江基坑變形及受力性狀三維數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2012，34（增）：243-247.

[9]胡安峰，張光建，等.地鐵換乘車站基坑圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報，2012，34（增）：77-81.

[10]寇曉東，周維垣，等.FLAC-3D進行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（1）：610.

[11]于丹，郭舉興，等.某停車場深基坑支護方式的FLAC3D模擬分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，31（1）：38-44.

[12]單仁亮，董洪國，等.中深部含軟弱夾層的深基坑土釘支護失穩(wěn)破壞數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學(xué)報，2014，36（增2）：30-35.

[13]丁勇春，周順新，等.深基坑開挖與土釘支護三維數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（4）：547-552.

[14]李劍，陳善雄，等.基于最大剪應(yīng)變增量的邊坡潛在滑動面搜索[J].巖土力學(xué)，2013，34（增1）：371-378.

[15]連鎮(zhèn)營，韓國城，等.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報，2001，23（4）：407-411.