某机场拟建跑道渗流与应力耦合分析

丁一聪 石维浩 刘宏

摘 要：近年来国家基础设施在快速发展，机场建设进入高速发展阶段，而针对由飞机荷载、地下水升降等因素引起的机场地基沉降问题对机场道槽沉降的影响却鲜有研究。文章通过使用Geo-Studio软件中的SEEP/W计算出拟建机场跑道渗流场，再通过SIGMA/W模块耦合计算出渗流场与应力场作用下的地基沉降。结果表明：（1）地下水位的升降和荷载作用下对道槽区影响较小;（2）百年一遇水位以上的土体有效应力几乎不受水位升降影响，其余土体水位下降有效应力增大，特别是枯水期水位以下土体在水位降低后有效应力增幅很大;（3）在上部荷载作用下，土体沉降量由上至下逐渐减少。枯水期水位有效应力大于另两个工况，故沉降量最大。

关键词：飞机荷载;地下水升降;Geo-Studio;耦合计算;渗流场与应力场

中图分类号：P642.2          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0147-03

从19世纪开始，地下水位的下降引起的地面沉降现象就被人们发觉，但是，由于当时地下水位下降较少引起的地面沉降量不大，对地面构造物的影响不大，所以没有得到重视。

到了20世纪时，由于人们加大了地下水的开采，地下水位下降较为迅速，导致地面构造物的变形也增大，引起了人们的重视。宫本直巳提出了地面发生大面积沉降是由于大量地下水被开采引起地下水位下降所导致的[1];冉启全等建立了地面沉降计算模型，对渗流、变形和沉降进行了模拟[2]。孙承志等对于北京东郊区域的沉降资料进行了分析，地面的沉降量跟地下水位变化呈正相关，并且地面的沉降分布范围也是与水位降落漏斗大致一致[3];赵建康等对浙江滨海平原的地面沉降资料和地下水位观测数据进行了分析和整理，研究发现，地下水位呈现季节性的升降，地面沉降也发生了季节性的变化[4];王文良等通过室内试验研究发现，地下水位上升对桩基变形及承载力有明显的影响[5];顾强康等基于刚性道面PCN值理论基础，建立了基于“地基-道面-飞机荷载”相互作用的道面结构三维有限元分析模型，研究表明高填土机场道面板底面最大拉应力与地基不均匀沉降呈线性关系[6]。

由此可见，地下水位的变化所引起的工程问题得到了学者越来越多的研究，但目前主要是研究由于基坑排水导致水位变化的情形。目前针对机场地基不均匀沉降问题即大面积堆载的沉降变形计算和飞机冲击荷载、地下水升降等因素对机场道槽沉降的影响却鲜有研究。所以研究地下水位变化以及上覆荷载对道面结构的影响具有重要的意义。

文章介绍了由Modflow计算场区枯水期工况、丰水期工况和百年一遇洪水位工况下的地下水水位高度，将水位赋予GeoStudio软件中的SEEP/W模块，使用稳定渗流计算出拟建跑道的渗流状况，再耦合SIGMA/W模块计算拟建跑道在渗流以及上覆堆积荷载下的沉降。

1工程概况及参数选取

1.1工程概况

场区地表水系和地下水发育、地下水位高、地基渗透性强、液化土分布范围广。在水位上升期，长期浸泡渗透作用可能降低地基承载力并可能导致较大的沉降，出现道面病害，故地下水问题是本工程的关键问题。

1.2计算参数

1.2.1道面荷载与飞机荷载

机场道面面层厚度为0.36m，重度为25kN/m3，上基层和下基层分别为0.20m，重度为24kN/m3，因此道面对原地基产生的荷载大小为18.60kPa。

根據前期岩土工程初步勘察报告将贡嘎机场飞行区设计指标为4E，按空客A-330-300最大荷载2339KN考虑，飞机荷载为28.8kPa。

1.2.2物理力学参数

2计算模型

选取机场新建跑道西端剖面ZP08进行二维地基沉降数值模拟分析。剖面的平面示意图如图1所示。经由Modflow软件模拟计算出枯水期水位为3565.00～3565.05m，丰水期水位为3567.72～3567.84m，百年一遇水位为3568.85～3569.08m。

为了便于计算，根据地质勘察成果，将地层概化，如图2计算模型剖面图所示。在模型两端赋予水力边界条件;在跑道和滑行道赋予应力边界条件;模型左右两侧为x方向零位移约束，模型底边界为y方向零位移约束。

3计算结果与分析

如表2为地基沉降模拟结果。图3～图8为ZP08剖面沉降位移等值线图。

因飞机荷载只在短时间内对道面施加荷载，故图4只计算模型在荷载下的沉降。

提取Y方向上的1～5号（由下至上）位移点在三种工况下的有效应力，绘制曲线如图9。5号点（百年一遇水位之上）在各工况下有效应力几乎相等;4号点（丰水期水位之上）、3号点（枯水期水位之上）随着水位下降，有效应力逐渐增大;1、2号点（枯水期水位之下）随着水位下降，增大幅度较3、4号点更大。

提取相同5个点在三种工况下的沉降量，绘制曲线如图10。上部荷载对土体影响由上至下逐渐减小，1～5号点沉降量逐渐减小。因为地下水位的下降会导致水位以下土体有效应力增大，从而使得水位以下的土体发生较大沉降，故枯水期工况下的沉降量大于另外两个工况下的沉降量。

4结论

通过改变场区的渗流场以及在道槽区堆加上覆荷载模拟（渗流与应力耦合），计算出道槽区的沉降量如表2。需要关注的是在飞机荷载作用下，道槽区沉降量为22～25mm。极端条件下枯水期工况→百年一遇洪水→枯水期工况（水力梯度的改变易产生不均匀沉降），道槽区沉降量为6～26mm，低于沉降指标，符合要求。分析了三种工况下有效应力随位移（Y方向）的变化、三种工况下沉降量随位移（Y方向）的变化以及水位升降沉降量的变化。得出结论：

（1）地下水位的升降和荷载作用下对道槽区影响较小。

（2）百年一遇水位以上的土体有效应力几乎不受水位升降影响，其余土体水位下降有效应力增大，特别是枯水期水位以下土体在水位降低后有效应力增幅很大。

（3）在上部荷载作用下，土体沉降量由上至下逐渐减少。枯水期水位有效应力大于另两个工况，故沉降量最大。

（4）地下水水位上升土体沉降量有所恢复，水位再下降沉降量变大。

参考文献：

[1]宫部直巳.地面沉降的研究方向[A].上海市地质处编选，国外地面沉降论文选译[C].北京：地质出版社，1978：1-12

[2]冉启全，顾小芸.考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型[J].中国地质灾害与防治学报.1988（02）：101-105.

[3]孙承志，高云安，胡晓天等.北京市东郊地面沉降分析[J].岩土工程界.2002（11）：27-29.

[4]赵建康，吴孟杰，刘思秀.浙江省滨海平原地下水开采与地面沉降[J].高校地质学报.2006，12（2）：185-194.

[5]王文良，王晓谋，马溪.地下水对黄土群桩基础影响的试验研究[J].中国公路学报，2015，28（09）：16-23.

[6]顾强康，李宁，黄文广.机场高填土地基工后不均匀沉降指标研究[J].岩土力学，2009，30（12）：3865-3870.

基金项目：中国民航机场建设集团有限公司科研项目（JSRDKYN201812）