覆蓋型巖溶地區(qū)單溶洞靜荷載穩(wěn)定性數(shù)值模擬

田 應(yīng) 國

(廣東省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部，廣東 廣州 510080)

我國碳酸性沉積巖廣泛分布于東南和西南各省。隨著機(jī)場建設(shè)的迅猛發(fā)展，在覆蓋型巖溶地區(qū)修建機(jī)場現(xiàn)已成為城市發(fā)展的主要方向，而溶洞的普遍存在成為了覆蓋型巖溶地區(qū)機(jī)場工程建設(shè)所面臨的主要地質(zhì)問題之一，對隧道開挖和安全運(yùn)營造成了嚴(yán)重威脅[1-4]。因此，對于覆蓋型巖溶地區(qū)溶洞穩(wěn)定性的研究具有重要意義。近年來，許多學(xué)者對覆蓋型巖溶地區(qū)溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行不同程度的數(shù)值模擬研究。趙明階等[5]采用ANSYS軟件數(shù)值分析了隧道頂部不同大小和距離條件下溶洞對于隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，溶洞距離與隧道開挖釋放位移之間具有相關(guān)性。江杰等[6]運(yùn)用Midas GTX NX軟件對不同位置和大小條件下溶洞對于深基坑開挖的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。陳峰等[7]采用FLAC3D軟件研究了溶洞直徑、埋深和洞內(nèi)承壓水頭對富水深基坑開挖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，溶洞參數(shù)變化會(huì)嚴(yán)重影響基坑開挖與支護(hù)的穩(wěn)定性。雷金山[8]采用原位試驗(yàn)和Midas GTX NX軟件詳細(xì)研究了地鐵盾構(gòu)施工過程中溶洞位置、大小、間距及形狀對于地基穩(wěn)定性的影響。蘇添金等[9]與宋二祥等[10]采用不同軟件也進(jìn)行過類似的研究。然而，現(xiàn)有研究大多是對于自重應(yīng)力作用下溶洞穩(wěn)定性的研究，而對于地表上覆靜荷載作用下的溶洞穩(wěn)定性研究較少。本文運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬研究2類典型條件(自重應(yīng)力和地表上覆靜荷載)下的單溶洞穩(wěn)定特性，對類似問題具有一定的參考意義。

1 數(shù)值模型建立

為便于計(jì)算得到一般性規(guī)律，數(shù)值模型中將實(shí)際地層簡化為5層，按埋深依次為人工填土層、黏性土層、砂土層、殘積土層和石灰?guī)r層，具體地層分布與物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。首先，在Midas GTX NX軟件中建立幾何模型并導(dǎo)出中性網(wǎng)格文件。然后，使用自編的C++網(wǎng)格轉(zhuǎn)換器將中性網(wǎng)格文件轉(zhuǎn)換成FLAC3D可以識(shí)別的網(wǎng)格文件。幾何模型整體為長112.0 m、寬50.0 m、高40.0 m的平行六面體，如圖1a)所示。本文采用橢球體建立溶洞模型，代替了常規(guī)數(shù)值計(jì)算中的圓柱體、球體和橢圓柱溶洞模型，使溶洞模型更接近于實(shí)際溶洞存在形狀，同時(shí)可以消除常規(guī)模型中存在的應(yīng)力平均現(xiàn)象，溶洞橢球體三個(gè)軸長分別為16.0 m，8.0 m，8.0 m，溶洞中心點(diǎn)坐標(biāo)為(56.0 m,25.0 m,17.1 m)。為模擬不利工況條件，將溶洞頂板厚度設(shè)置為0.1 m，如圖1b)所示。各地層均使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬巖土體的彈塑性特性。圖2為Midas GTS NX軟件生成的中性網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D軟件后的有限差分網(wǎng)格。

表1 地層分布與物理力學(xué)參數(shù)

2 單溶洞穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 自重應(yīng)力作用下單溶洞穩(wěn)定性數(shù)值分析

數(shù)值模型中，設(shè)置前后左右四個(gè)面的邊界條件為面法向速度0 m/s，設(shè)置底面邊界條件為面速度矢量0 m/s。設(shè)置面邊界條件后，需進(jìn)行模型初始平衡狀態(tài)計(jì)算。圖3表示模型沿z向初始位移云圖，從圖3可以看出模型自頂向底位移量逐漸減小，下部石灰?guī)r層位移量趨近于0 m，符合實(shí)際情況。

清除數(shù)值模型初始位移矢量和初始速度矢量后，通過賦予溶洞范圍為null模型來實(shí)現(xiàn)溶洞模擬，此時(shí)可認(rèn)為是將溶洞從整個(gè)模型中挖走，如圖4所示。

數(shù)值計(jì)算至模型達(dá)到平衡狀態(tài)。圖5，圖6分別表示自重應(yīng)力作用下模型沿z向位移云圖和zz分量應(yīng)力云圖。

整體上講，自重應(yīng)力狀態(tài)下單溶洞的存在對地層穩(wěn)定性影響很小，可忽略不計(jì)。如圖5所示，溶洞的存在導(dǎo)致洞體上部地層出現(xiàn)貫穿至地表的z向位移，位移量呈軸對稱分布形式，最大z向位移出現(xiàn)在溶洞洞頂處，最大位移量為0.301 mm，該值僅為溶洞埋深的十萬分之二，并且從洞頂至地表呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，地表最小位移量僅為0.004 mm。溶洞洞底出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，最大隆起量僅為0.04 mm。如圖6所示，溶洞洞底附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這表明橢球體溶洞模擬形式無法將開挖應(yīng)力完全釋放，而是會(huì)保留一部分殘余應(yīng)力，本模型中的殘余應(yīng)力量級有限，僅為自重應(yīng)力的1%，因此該部分應(yīng)力對于地層穩(wěn)定性的影響微乎其微。

圖7，圖8分別表示自重應(yīng)力作用下溶洞洞頂位移量和溶洞洞頂zz分量應(yīng)力值隨時(shí)間步的變化曲線。從圖中可以看出位移量隨時(shí)間步先增大后穩(wěn)定，穩(wěn)定量為0.301 mm，應(yīng)力值隨時(shí)間步上下波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定量約為10 kPa。

2.2 地表上覆靜荷載作用下單溶洞穩(wěn)定性數(shù)值分析

基于上述自重應(yīng)力作用下單溶洞穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本文進(jìn)一步在地表施加靜荷載探究溶洞存在對地層穩(wěn)定性的影響。如圖9所示，在地表施加大小為1.0×106Pa、方向沿z負(fù)向的均布靜荷載。計(jì)算至模型達(dá)到穩(wěn)定，圖10,圖11分別表示上覆靜荷載作用下模型位移云圖和zz分量應(yīng)力云圖，圖12，圖13分別表示位移量和應(yīng)力值隨時(shí)間步的變化曲線。

整體上講，模型在施加靜荷載作用后，溶洞的存在對地層穩(wěn)定性具有較大影響。如圖10所示，在地表施加一定量級的靜荷載后，自重應(yīng)力作用下地層中出現(xiàn)的緩慢貫穿至地表的位移場消失，取而代之的是從地表至洞頂分層明顯且呈軸對稱分布的位移場，最大位移量出現(xiàn)在地表，而不是在溶洞洞頂，最大位移量為0.78 m，這表明上覆地層受地表靜荷載的影響明顯，這種影響從地表至溶洞洞頂逐漸減小，因此位移量呈逐漸減小趨勢。溶洞洞頂位移量為10.0 mm，此量級約為溶洞埋深的千分之一，需要在后續(xù)計(jì)算中考慮該沉降量。溶洞洞底未出現(xiàn)隆起，而是發(fā)生沉降，這表明地表靜荷載在溶洞洞底埋深附近的影響大于溶洞存在所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放的影響。如圖11，圖13所示，溶洞洞底附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同未施加靜荷載時(shí)具有相同的規(guī)律，但殘余應(yīng)力約為前者的100倍，這表明在受到地表靜荷載作用后，應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。

3 結(jié)論

本文采用有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬研究2類典型條件(自重應(yīng)力和地表上覆靜荷載)下的單溶洞穩(wěn)定特性，得出如下結(jié)論：

1)自重應(yīng)力作用下單溶洞的存在對地層穩(wěn)定性影響很小。地層出現(xiàn)貫穿至地表的z向位移，最大z向位移出現(xiàn)在溶洞洞頂處，洞底出現(xiàn)隆起和應(yīng)力集中現(xiàn)象。位移量隨時(shí)間步先增大后穩(wěn)定，應(yīng)力值隨時(shí)間步上下波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。

2)地表上覆靜荷載作用下單溶洞的存在對地層穩(wěn)定性具有較大影響。位移場分層明顯且呈軸對稱分布，最大位移量出現(xiàn)在地表，需要在后續(xù)計(jì)算中考慮此沉降量。殘余應(yīng)力約是自重應(yīng)力情況的100倍，應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。