FLAC3D在复杂工程条件下的应用

崔 亮 李连营 马乐民

(1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191;2.天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

随着城市基本建设的发展，建筑垃圾占城市总垃圾的比重越来越大，直接把建筑垃圾处理，不仅浪费资源还会产生一系列的环境问题。与此同时，人们越来越重视生活环境。改善环境的同时把建筑垃圾处理掉是最佳方式，所以越来越多的城市用建筑垃圾来堆景造山，这种处理方式在处理建筑垃圾的同时改善环境，具有很高的社会效益和经济效益[1]。

人工堆筑的山体往往具有体积很大、高度很高、荷载影响面积很大等工程特性，存在着不均匀沉降和严重的侧向位移等工程地质问题，因此必须对其进行准确地分析计算，以制定合适的地基处理方式。目前国内还没有针对堆山工程设计及施工的规范或者规程，而常规的分析方法只能选择典型剖面或者地段进行局部分析，由于适用条件等原因，常规的分析方法很难反映出堆山的整体变形和对周围环境影响。而数值模拟分析方法可以将复杂的岩土工程问题三维模型化，考虑其空间效应，通过计算分析能够得到堆山的整体变形效果，判定堆体沉降变形对周围的影响程度[2-6]。本文结合天津某堆山造景工程，利用FLAC3D对堆山工程中的沉降特性进行分析，其结果对类似的工程具有重要的指导意义。

1 工程概况

本工程占地约75万m2，东西宽约1200 m，南北宽900 m，局部宽500 m。本堆山工程山体主峰高45 m，其计算荷载达900 kPa;次峰高40 m，其计算荷载达800 kPa;配峰高35 m，其计算荷载达700 kPa。

1.1 工程周边环境

拟建场地周围200 m范围内分布有地铁、高铁、城市主干道、地下管线、厂房等对沉降和变形敏感的建(构)筑物;其西侧是铁东路，铁东路作为天津市主干路，其下埋有大量的管线，包括上下水、电信、电力等等;其东侧为正在施工地铁5号线，其中丹河北道站开挖深度达28 m左右;其北侧为烈士陵园及天津憩园;其南侧为天津市次干路迎宾道，其下也有大量的管线。

1.2 场地地层岩性

本场地埋深150 m范围内，按地层成因年代和物理性质大致简化为9层，如表1所示。

表1 场地地层划分及其物理力学性质表

1.3 堆山工程引起的工程地质问题

天津地区土质较软，在此软土上堆山最为显著的地基问题有两个方面：一是地基土的竖向变形;二是由于地基土剪切破坏而产生的地基土的侧向变形。对于堆山工程来讲，侧向变形的影响较大，因为侧向变形会对周边的道路、管线、地铁沿线、地铁站等产生明显的挤压效应，进而对其产生破坏。

2 计算模型

FLAC3D是美国ITSCA公司开发的一种应用于岩土工程的大型有限差分软件，它能直观显示岩土材料在各个应力状态下的变形情况[7]。

本文选择目前最通用的Mohr-Coulomb弹塑性模型，它特别适用那些在剪应力下屈服，并且剪应力的大小只取决于最大主应力和最小主应力，而与第二主应力没有关系的材料，岩土体正是这样的材料。另外，通过对二维模型进行试算，表明Mohr-Coulomb本构模型与修正剑桥模型在计算精度上均能满足本次稳定性分析要求，但修正剑桥模型计算参数往往很难通过试验确定，且对于复杂的大型三维计算模型来说，采用修正剑桥模型计算耗时长，计算难以收敛，而Mohr-Coulomb模型不存在这些问题。另一方面，在数值模拟中，参数选用的正确与否，直接关系到结果的准确性，而Mohr-Coulomb弹塑性模型所需参数较少，且均能通过试验得到真实准确的参数[8-9]。

本次拟建工程场地周围环境极为复杂，在确定数值计算模型时，应考虑堆山对周围环境影响。根据以往工程经验并结合拟建场地周围环境，确定本次数值模型东西向长度为2000 m，南北向长度为1300 m，并将京津城际铁路、地铁5号线等周围重要的建(构)筑物包含在内，保证计算模型满足堆山过程对周围环境影响分析的需要。

为使数值模型能够反映实际的地层情况，本次建模时根据地层成因年代和物理力学性质将地基土划分为9层，三维数值模型土层分布情况如图1所示。

图1 三维数值模型图

本次数值模拟分析的本构模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，摩尔-库伦模型材料参数包括弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角。各土层材料参数根据室内土工试验并结合工程经验综合确定，各项参数取值如表1所示。

3 计算结果

3.1 数值模拟分析

为使计算结果能清晰表述，数值计算中布置如图2所示，共58个测点，通过这些测点采集相关参数进而绘制相关曲线。

图2 地基土变形监测（线）点位置示意图

本次数值模拟分析中，通过对填土进行分层填筑实现对实际施工过程的模拟，荷载每步堆载5 m高度的土体，荷载是随着时间线性加载的。

同时为满足计算精度和节省计算时间的需要，本次模拟定义了10分析步模拟分级加载时地基土变形过程，其中一个分析步用来计算初始地应力，初始应力云图见图3;9个分析步用来模拟实际施工加载过程。其模拟流程大致可分为以下几个阶段。

1)三维建模：包括地基土分层建模、堆山山体实体建模、三维模型网格划分;

2)设置初始条件：包括材料参数赋值、定义分析步、定义荷载及边界条件;

3)数值计算：通过逐级激活单元网格，进行加载运算;

4)结果分析：进入后处理模块，输出等值线云图、矢量图、曲线图等，通过对比分析给出相应的结论和建议。

图3 初始应力云图

3.2 堆山填筑完成时竖向位移

填筑高度达到45.0 m(填筑完成)时，地基土竖向位移云图如图4—图7所示。

图4 填筑45.0 m时地表竖向位移云图（平面）

通过以上云图可以知道，山体堆土完成时，高45 m山体中心地表处沉降可达280.0 cm，一般山体地表处沉降可达100.0～200.0 cm左右，地基土整体沉降较大。

图5 填筑45.0 m时地基土竖向位移云图（剖面）

图6 填筑完成时地基土竖向位移曲线图（监测点D15-D21）

图7 填筑完成时地基土竖向位移曲线图（监测点D22-D40）

在填土荷载作用下，地基土竖向变形呈逐渐增大趋势，并且堆体主峰对应的下部地基土沉降值最大，其最大值为280 cm左右，沉降值随着堆体高度的减小呈递减趋势，这反映了在不同荷载条件下地基的沉降变化，特别是差异沉降;地基土的变形主要发生浅层地基土范围内，由此可知上部土体的强度直接影响地基土的稳定性，工程经验表明，增强上部土体的强度可以到达有效控制竖向变形的作用。

分析监测点竖向变形曲线可知，山体范围以外的地基土竖向变形以隆起为主，数值分析表明，地基土隆起最大值发生在山体最大高度两侧，并且与山体走向正交，且地基土隆起在山体形态弯折处最为突出。

3.3 堆山填筑完成时地基土侧向位移

3.3.1 地基土侧向位移云图

填筑高度达到45.0 m(填筑完成)时，地基土表层及各深度范围内侧向位移云图如图8—图12所示。

图8 填筑45.0 m时地基土地表侧移云图（平面）

图9 填筑45.0 m时地基土地表侧移云图（剖面）

图10 填筑45.0 m时地基土（地表下10 m处）侧移云图（剖面）

图11 填筑45.0 m时地基土（地表下25 m处）侧移云图（剖面）

3.3.2 地基土侧向位移曲线

填筑高度达到45.0 m(填筑完成)时，典型监测点处地基土各深度范围内侧向位移曲线如图13—图16所示。

图12 填筑45.0 m时地基土（地表下45 m处）侧移云图（剖面）

图13 填筑完成时地基土沿深度方向侧向位移曲线图（D11点处）

图14 填筑完成时地基土沿深度方向侧向位移曲线图（D16点处）

数值计算表明，在填土荷载作用下，地基土侧向变形主要发生在填土边缘以下地基土深度范围内，而且随着深度的增加，呈现拱形变化，即先从地表向下逐渐增大，达到一定深度后又逐渐减小，而且随着填土荷载的不断增加，地基土侧向位移逐渐向周围扩散且变形也越来越大，对周围建筑物形成挤压作用。

地基土侧向位移最大值一般发生在地表下一定深度范围内，其中在铁东路及淮东路附近其最大侧向位移值位于地表下15～20.0 m深度范围内，最大值约为16.5 cm，特别应该注意的是，地铁5号线区间隧道埋深一般为15 m左右，因此若采用天然地基条件下进行堆山，地基土的侧向位移将对周边地铁线造成严重影响。

图15 填筑完成时地基土沿深度方向侧向位移曲线图（D52点处）

图16 填筑完成时地基土沿深度方向侧向位移曲线图（D39点处）

4 结论

1)地基土的沉降变形主要发生浅层地基土范围内，上部土体的强度直接影响地基土的稳定性，增强上部土体的强度可以达到有效控制竖向变形的作用。

2)地基土侧向位移最大值一般发生在地表下一定深度范围内，侧向变形对周边建筑物的稳定性有较大影响，因此在实际施工过程中产生的侧向变形，应严格控制在红线范围内，这也说明对地基土侧向位移的影响范围和影响程度的控制，是关系到本次堆山成败的一个决定性因素。

3)本文讨论了FLAC3D在大型堆山工程中的具体应用，一方面突出了数值分析在复杂工程条件下的优势，另一方面为软土地区堆山造景产生的工程地质问题进行初步分析，其结果对工程实践具有深远的指导意义。