FLAC3D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

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材料在達(dá)成強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性滾動(dòng)的力學(xué)行為，更加適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形，具有強(qiáng)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)巖土條件為根本工況，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(jì)算軟件在考古探方穩(wěn)定性預(yù)判中的探索。

2試驗(yàn)場(chǎng)地概況

2.1試驗(yàn)地點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在浙江省科技考古與文物養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究試驗(yàn)基地。該場(chǎng)地位于浙江省杭州市浙江大學(xué)紫金港校區(qū)。

2.2試驗(yàn)場(chǎng)地與史前考古遺址的好像性

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，場(chǎng)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(chǎng)地地下水位為0.8m，且試驗(yàn)基地周邊有多處池塘、水田。該場(chǎng)地的土體條件、地下水處境與良渚遺址的考古環(huán)境好像。

2.3巖土條件及地下水

試驗(yàn)基地現(xiàn)場(chǎng)勘察說明，試驗(yàn)場(chǎng)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(xì)沙充填。土體厚度35cm。

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

黏土：黃色，土質(zhì)平勻，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)平勻，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(chǎng)地的地下水豐富，周邊有多處池塘、水田，現(xiàn)場(chǎng)地下水位一般位置在0.8m鄰近，隨天氣變化而波動(dòng)，波動(dòng)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(bǔ)給源充沛，為使模擬現(xiàn)場(chǎng)考古挖掘作業(yè)正常舉行，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務(wù)必全程實(shí)施降排水措施，將地下水降至考古探方底部以下，裁減地下水的不良影響。

由于測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于模擬探方穩(wěn)定性影響相對(duì)較弱，同時(shí)為簡化計(jì)算，本次模擬計(jì)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自然狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)舉行模擬計(jì)算。

3.2開挖、邊界、網(wǎng)格

模擬開挖可認(rèn)為是平面應(yīng)變問題而且開挖探方模型對(duì)稱，可以將模型簡化為二維問題并選取一半作為計(jì)算對(duì)象。模型的高度為12m，長15m，在FLAC3D中對(duì)模型按現(xiàn)場(chǎng)土層處境舉行分組，模型由6360個(gè)單元（zones）和9882個(gè)節(jié)點(diǎn)（grid-

points）組成。

數(shù)值模擬計(jì)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?yàn)閱蜗蜻吔?，限制其在法向方向的位移?/p>

3.3模擬開挖方案

基于史前考古土遺址挖掘?qū)嵺`及FLAC3D模擬軟件的可實(shí)施性，模擬開挖方案為：開挖分為四步舉行，每次開挖0.6m，最終開挖深度2.4m，開挖處境如圖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(cè)可以直接回響出數(shù)值計(jì)算中模型監(jiān)測(cè)位置的變形處境，也可推演展現(xiàn)實(shí)處境下對(duì)應(yīng)位置的變形處境，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的熟悉便可判別出對(duì)象的穩(wěn)定性以及潛在破壞的位置，而且在生產(chǎn)實(shí)踐中位移的監(jiān)測(cè)較應(yīng)力的監(jiān)測(cè)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鄰近，隨開挖不斷舉行變形范圍逐步增加，且位移量也逐步增大；坡腳處也展現(xiàn)水平位移，且隨著開挖舉行，展現(xiàn)水平位移的范圍逐步增大。

圖3為每次開挖終止后坑壁最終達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)位移處境，Y軸為基坑深度，X軸為坑壁的水平位移值，負(fù)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(cè)結(jié)果可知，第一次開挖，開挖深度為0.6m相對(duì)較淺，水平位移量較小，在1mm左右；其次次開挖0.6m，模擬探方深度為1.2m，由坡頂至坡底水平位移量逐步增大，1.0m處水平位移量達(dá)成極值；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(shí)水平位移量達(dá)成極值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(shí)水平位移量達(dá)成極值3.9mm。

4.2安好系數(shù)

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

由圖可知隨開挖深度不斷增加坑壁的安好系數(shù)逐步降低，四次開挖完成后的安好系數(shù)分別為14.71、4.86、2.93、2.37，其次次開挖完成后，安好系數(shù)降低幅度最大，后兩次開挖完成后安好系數(shù)變化值相對(duì)較小。

4.3剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

模擬開挖完成后探方外土體的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D及位移矢量云圖如圖5所示。圖中箭頭方向代表對(duì)應(yīng)單元的位移方向，箭頭長度代表位移值的相對(duì)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(shì)，坑壁處位移量最大，其后面土體的位移量逐步降低。

由剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知剪應(yīng)變?cè)隽糠植汲省皫А睜罘植?。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(dāng)拉應(yīng)力超出土體的極限抗拉強(qiáng)度，此區(qū)域便會(huì)展現(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?cè)隽孔畲蟆?/p>

5分析與議論

5.1位移云圖

隨著開挖不斷舉行，變形量逐步增大，坑壁的變形曲線逐步呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，極值點(diǎn)鄰近即為此模擬探方的危害帶。危害帶位于距頂部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，由于開挖卸荷展現(xiàn)臨空面?？颖谙虏客馏w作為主動(dòng)區(qū)，失去了被開挖掉的探方內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體的支撐，所以此處將會(huì)產(chǎn)生較大變形。此處將是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、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(duì)較小，不會(huì)對(duì)考古探方內(nèi)的文化層信息造成破壞。

5.2安好系數(shù)

第一次開挖完成后，開挖深度為0.6m模型安好系數(shù)14.71。其次次開挖完成后，模型深度達(dá)1.2m，模型的安好系數(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好系數(shù)變化量小，但安好系數(shù)相對(duì)較小。

最終模型的安好系數(shù)為2.37，安好儲(chǔ)蓄足。在降排水的條件下除發(fā)生極端事情，使初始條件發(fā)生明顯變化外，考古探方是可以達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的，即在本次模擬的工況下舉行現(xiàn)場(chǎng)開挖是不會(huì)展現(xiàn)失穩(wěn)破壞處境的。

5.3剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

巖土體的破壞是由于某一面上的剪應(yīng)力達(dá)成了巖土體的剪切強(qiáng)度，此時(shí)剪切面上必然發(fā)生了較大的剪切變形。通過剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D的處境即可判斷出潛在滑移面的位置[14]，通過剪應(yīng)變?cè)隽康呢灤部勺鳛檫吰伦冃纹茐牡臏?zhǔn)那么[15]。此剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D是在對(duì)土體參數(shù)舉行不斷折減的處境下獲取的，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處境。

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，變更了初始穩(wěn)定狀態(tài)，臨空面展現(xiàn)向探方內(nèi)部位移趨勢(shì)，后部開頭展現(xiàn)拉張帶，約束臨空面的位移。隨開挖深度增加，臨空面增大，拉張帶垂向延遲發(fā)育，坑壁底部展現(xiàn)剪切帶?？梢钥闯鰞烧呔诟髯韵鄳?yīng)方向發(fā)育，但兩者并未貫串，由此可知在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)內(nèi)舉行的現(xiàn)場(chǎng)模擬史前考古挖掘直立探方，在降排水措施下是不會(huì)展現(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?yàn)橐灼茐膮^(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其位移變化處境。

6結(jié)論

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)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(jì)算得出如下結(jié)論：

（1）隨著開挖舉行，坑壁變形量逐步增大，曲線外形呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，危害帶位于距頂部1.75m鄰近的坑壁處。

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