降雨渗流对靠崖窑土体结构的稳定性分析

刘瑞晓 ，刘 源 ，姬栋宇

（1.河南省朝阳建筑设计有限公司，郑州 450000；2.中国核电工程有限公司郑州分公司，郑州 450000；3.湖南城建职业技术学院 土木工程系，湖南 湘潭411101）

1 引言

靠崖窑是在土崖上通过水平开挖，靠土拱自撑作用而能自稳的一种生土构筑物[1-2]，其受外界环境变化的影响非常大，其中降雨是一个很活跃的影响因素[3-4]。在降雨渗流过程中，窑洞土体的自重应力会增加，渗透作用还会使土体的有效应力减小，孔隙水压力增大，而土体的抗压、抗剪强度都会降低，同时竖向节理裂隙中的水体渗透力也会给窑洞土体结构提供外在荷载，加快窑洞的破坏。又由于黄土体湿陷性和欠固结特点，在降雨初期，雨水沿节理裂隙渗透很快，窑洞的上覆土层的土体和临空面窑脸土坡浅层的干燥土体首先受到雨水浸润，由干燥变成非饱和状态，随后该范围的非饱和土体很快达到饱和，随着渗流进一步渗透，窑体的深层土体也逐渐浸润至饱和，浅层土体又呈现出非饱和状态[5-6]。这就决定了降雨初期靠崖窑土体结构的位移、应力变化较大，随着降雨持时和降雨量的增大，土体结构的位移和应力变化率减缓，之后在雨水蒸发初始时刻，由于黄土湿陷性的特点，基质吸力的存在使土体强度增强，但在蒸发过程中，湿陷性的土体结构又开始产生回弹，使得土体强度又降低，这样循环反复，靠崖窑土体结构的累积变形也逐渐增大，致使靠崖窑土体结构的稳定性受到严重影响，出现窑脸剥落和碎落、窑顶局部滑塌、窑洞整体滑塌、窑洞裂缝、洞内土层剥落、窑内渗水和窑洞冒顶等破坏形式。

为了研究降雨渗流对靠崖窑土体结构的影响，运用有限差分数值软件FLAC3D对台梯型5孔一列半圆拱靠崖窑进行分析计算。

2 计算模型

数值模拟处理问题通常是在有限的研究区域内进行离散化，为了这种离散化不产生较大的误差和满足数值模拟精度要求，必须取得足够大的研究范围。根据台梯型5孔一列半圆拱靠崖窑的分布情况，计算区域总高度H＝30m，窑门前缘平台宽I＝6 m，区域总宽度L=50 m，靠崖窑土体的结构尺寸如图1。计算模型采用四面体有限差分单元，共划分20052个节点，92014个单元，应力边界条件为下部固定，左右两侧水平约束，上部为自由边界；渗流边界条件为计算区域的边壁都为透水边界。不考虑坡顶荷载、施工和地震等影响，计算网格划分如图2。

FLAC3D有限差分计算软件在解决土体工程的问题上具有许多优越性[7-8]，如能处理材料的大变形问题、求解过程中不需形成刚度矩阵、还有内嵌的开发语言和各种分析模块，只要进行改变就能满足实际工程的需要。但在建模上，FLAC3D软件在单元网格划分等前处理问题上却存在以下不足，造成其建模的复杂性[9-11]：①差分模型的建立只能靠文件和内部仅有的部分模型来实现，网格划分不理想，尤其是对复杂边界；②对于复杂的工程计算模型，在建模时需要各节点的详细数据，由于数据庞大极易出错，并且检查起来也不容易；③复杂的计算模型，需花费大量的时间，直接造成了三维模拟计算的周期长、难度大。

为解决有限差分软件FLAC3D程序在建模方面的不足，靠崖窑土体结构数值模型在离散过程中，首先利用平面软件绘图技术，形成SAT文件，再导入到ANASYS软件，通过ANASYS AXES TO FLAC3D接口程序，改变坐标格式，然后经过ANASYS TO FLAC3D前处理接口程序，生成FLAC3D网格文件，再导入FLAC3D最终形成有限差分网格单元。在生成的离散网格基础上，通过物理力学参数对材料常数进行赋值，加上边界条件就构成了完整的有限差分模型（见图1）。

图1 计算范围 单位：m

图2 网格模型

3 计算参数

数值模拟计算的有效性与土体介质力学参数选取的精确与否有很大的关系，降雨渗流是一个复杂的过程，要求所选取的力学参数更要有代表性。文中土体的力学参数见表1。

表1 靠崖窑土层设计计算指标建议值

4 计算结果分析

基于FLAC3D软件的渗流计算模块和常用的弹塑性计算的常用模块，进行了降雨渗流条件下的程序开发 （主要是针对降雨1h、3h、5h，各计算参数的变化情况），对渗流条件下靠崖窑土体结构的孔隙水压力、竖向位移和塑性区的分布进行了计算。

图3 孔隙水压力的分布情况

4.1 孔隙水压力

从图3孔隙水压力计算结果可以看出，在降雨初期主要表现为负的孔隙水水压力，范围在-10～-30kPa，该负孔隙水压力主要分布在下台梯窑洞底部土体中，而上台梯的孔隙水压力变化不大，只有-10kPa左右，根据负孔隙水压力有效应力变大的特点，这对土体强度是有利的，能暂时增加土体结构的稳定性，但是随着降雨持时和降雨量的影响，在降雨4h以后，孔隙水压力表现为正的孔隙水压力，范围在40～350kPa， 并且在下台梯窑顶底部，孔隙水压力达到200kPa，在窑洞最底部的局部区域其最大孔隙水压力达到350kPa，出现了超孔隙水压力，土体强度被减弱，稳定性降低。下台梯窑洞底部浅层负的孔隙水压力很快消散，说明窑洞土体逐渐达到饱和，土体强度降低，自重增加，渗透力增加，计算显示这部分土体很不稳定，而在上台梯和上覆土层中的负孔隙水压力变化仍然不太大，其稳定性比窑洞底部土体稍好，说明在台梯成列靠崖窑中，下台梯窑洞底部浅层范围是孔隙水压力的主要变化区，在该范围加强排水工作很关键。

4.2 垂直位移

整个降雨过程中垂直位移主要表现为向下的负位移，范围在1.5～35mm，靠崖窑窑洞顶部和上覆土层范围内的土体位移最大，而在靠崖窑最底部的位移最小，主要是由于窑洞浅层土体受到降雨的影响比较大，因此垂直变形比其他部位要偏大，而在深部垂直位移较小，该深部范围最大垂直位移不到10mm。在降雨初期，窑洞最底部的土体根本不会受到降雨的影响，几乎没有垂直位移，随着降雨持时和降雨量的增加，该范围的垂直位移变化也不是太大。而在下台梯窑洞底部浅层范围，在降雨初期垂直位移的变化很大，随着降雨持时和降雨量的增加，该位移又逐渐减少，但是处于增加的趋势，尤其是在边跨窑洞的垂直位移变化很大，而在中间跨的窑洞较小，因此对下台梯边跨窑洞进行加固以满足其窑洞的稳定性很关键。同时在上台梯窑洞顶部至洞顶范围，该范围受降雨的影响也很大，垂直位移始终处于迅速增加的趋势，尤其是在边跨窑洞，其位移变化也最大，中间跨的窑洞要较小，这可能是数值计算时与边界条件的设置有关。

4.3 塑性区的分布情况

塑性区靠崖窑破坏主要表现为拉伸破坏和剪切破坏，降雨初期在各窑洞的局部范围，尤其是在拱曲线附近都出现了不同程度的塑性区，但没有贯通，随着降雨持时和降雨量的增加，该范围的塑性区逐渐扩展，直至出现贯通破坏，尤其是下台梯窑洞剪切塑性区贯通的范围较大。说明降雨渗流情况下，台梯多孔成列靠崖窑的下台梯窑洞受到的影响最大，容易造成剪切破坏，随后会引起上台梯窑洞的牵引破坏，因此加强下台梯窑洞的稳定性是最关键的。

5 结语

结合台梯5孔一列半圆拱靠崖窑的算例，进行了应力场—渗流场耦合的有限差分数值模拟计算，通过孔隙水压力、垂直位移和塑性区的结果表明，在降雨渗流条件下，加强下台梯窑洞的稳定性是最关键的所在。

［1］李萍，张琦，陈小念.降雨条件下饱和—非饱和土的渗流分析［J］.兰州理工大学学报，2007，33（6）：115－11.

［2］赵克烈，张世雄，王官宝，等.FLAC－3D在深凹边坡形状优化中的应用［J］.露天采矿技术，2006 （1）：25－28.

［3］童丽萍，韩翠萍.黄土窑居自支撑结构体系的研究［J］.四川建筑科学研究，2009，35（2）：71-73.

［4］张玉香，田兴云.窑洞破坏的原因及其防治措施［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版）， 2004， 32（S）： 145－149.

［5］李新坡，陈永波，王永杰，等.用强度折减法和FLAC3D计算边坡的安全系数［J］.山地学报，2006，24（S）：235－239.

［6］漆泰岳，陆士良，高波.FLAC锚杆单元模型的修正及其应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（13）：2197－2200.

［7］陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

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

［9］赵明华，肖燕，陈昌富.软土流变特性的室内试验与改进的西原模型［J］.湖南大学学报（自然科学版），2004，31（1）：48-51.

［10］姚涛，邵龙潭.基于图像测量技术的非饱和黄土固结变形试验研究［J］.岩土力学， 2009，30（7）：2011-2015.

［11］陈善雄，陈守义.考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法［J］.岩土力学， 2001，22（4）：447－450.