高原湖泊巖溶地基穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

肖經(jīng)光 姚美良 槐以高

摘要：本文以云南省呈貢新區(qū)失地為高原湖泊巖溶地貌的代表，簡(jiǎn)述了其巖溶洞隙的發(fā)育特征；并以農(nóng)民安置住房雨花2地塊二期建設(shè)項(xiàng)目為工程實(shí)例，借助有限差分軟件FLAC3D實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖溶洞、土洞地基自身的穩(wěn)定性及其加固方案的驗(yàn)證。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，針對(duì)高原湖泊巖溶地基的處理，無論是埋深11m范圍內(nèi)的單個(gè)體溶洞，還是埋深范圍在8m～15m的群體溶洞，均可以借助注漿處理方法明顯的改善和提高巖溶地基的穩(wěn)定性。

Abstract： In this paper， the land lost in Chenggong District of Yunnan province is the representative of the karst landform of the plateau lake， the development characteristics of karst cave gap are briefly described. Based on the engineering example， the stability of the karst cave and soil cave itself and the reinforcement scheme are verified by the finite difference software FLAC3D. Through numerical simulation， it is found that for the treatment of the karst foundation of the plateau lakes， whether the single cave in the depth of 11m or the cave in the depth of 8m～15m， the grouting treatment can obviously improve the karst foundation stability.

關(guān)鍵詞：高原湖泊；巖溶地基；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；FLAC3D

Key words： plateau lakes；karst foundation；stability；numerical simulation；FLAC3D

中圖分類號(hào)：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0096-04

0 引言

巖溶地基穩(wěn)定性的研究其實(shí)僅僅是巖溶學(xué)研究的一小部分，但該部分內(nèi)容的研究卻是眾多專業(yè)領(lǐng)域所不可回避的，比如道路和橋梁工程領(lǐng)域，房屋建筑工程領(lǐng)域，水利工程領(lǐng)域，地下建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域和市政工程領(lǐng)域等。不難想象，但凡在巖溶區(qū)進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目均需要進(jìn)行巖溶指標(biāo)和特性的各項(xiàng)研究。

自R.W.Clough 1965年首次將有限元引入巖土工程穩(wěn)定性分析以來，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中獲得了巨大的進(jìn)步，并成功解決了許多重大問題，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，使得研究人員在計(jì)算機(jī)上面完成巖土工程數(shù)值模擬成為可能，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為解決巖土工程問題的主流方法之一。國內(nèi)的有限元理論發(fā)軔較晚，卻發(fā)展迅速。從上世紀(jì)七十年代，徐芝倫教授將有限元理論引入國內(nèi)以來，經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，如今的有限元理論已經(jīng)較為成熟，基于有限元理論的諸多有限元軟件的出現(xiàn)為研究人員提供了強(qiáng)有力的可視化研究手段。

本文以呈貢新區(qū)失地農(nóng)民安置住房雨花2號(hào)地塊二期建設(shè)項(xiàng)目為背景，探討了其巖溶發(fā)育特征及其發(fā)展趨勢(shì)，并借助有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行高原湖泊巖溶地基的穩(wěn)定性研究，旨在為區(qū)域性特殊巖溶地基的處理提供準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)和簡(jiǎn)單的研究方法。

1 巖溶發(fā)育特征

1.1 工程概況

呈貢新區(qū)失地農(nóng)民安置住房雨花2號(hào)地塊二期建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地位于呈貢新區(qū)雨花2號(hào)地塊內(nèi)，場(chǎng)地東側(cè)隔規(guī)劃30m道路與云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院呈貢新校區(qū)相對(duì)，南側(cè)隔東外環(huán)南路與云南大學(xué)呈貢校區(qū)相對(duì)，西側(cè)隔規(guī)劃30m道路與云南民族大學(xué)呈貢校區(qū)相對(duì)，北側(cè)為雨花2號(hào)地塊一期前衛(wèi)營小區(qū)。擬建場(chǎng)地區(qū)位條件優(yōu)越，周邊已經(jīng)形成完善的交通路網(wǎng)。

整個(gè)場(chǎng)地總用地面積129826.32m2（合194.74畝），凈用地面積96571.19m2（合144.86畝），總建筑面積340318.10m2，凈容積率2.37，建筑密度19.54%，綠地率44.44%，住宅總套數(shù)1710套，用于解決周圍社區(qū)失地農(nóng)民的住房問題。

1.2 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)本工程勘察資料顯示，研究區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖地層是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)條件，其易溶解的化學(xué)成份和礦物成份較高，巖溶發(fā)育程度明顯較強(qiáng)；另外，巖溶的發(fā)育還受不同巖性的阻隔和地下水活動(dòng)的影響，往往沿地層分界線集中。地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度和巖溶作用強(qiáng)度存在空間上的聯(lián)系，地質(zhì)構(gòu)造本身對(duì)巖溶發(fā)育起到一定的影響和控制作用。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體中各類結(jié)構(gòu)面，尤其是張性裂隙是巖溶發(fā)育的有利場(chǎng)所，為地表水流的下滲及裂隙水的賦存、運(yùn)移、巖體溶蝕作用創(chuàng)造條件了有利條件，因此，強(qiáng)烈的先期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致研究區(qū)可溶巖地層裂隙發(fā)育、巖體破碎是巖溶發(fā)育的主導(dǎo)因素。

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪成果及已有資料表明：場(chǎng)地內(nèi)溶洞（裂隙）均發(fā)育在碳酸鹽巖古生界石炭系下統(tǒng)大塘組（C1d）砂質(zhì)灰?guī)r中等風(fēng)化地層中，地下巖溶發(fā)育大體順地層界線、巖層層面及裂隙等結(jié)構(gòu)面呈斜向發(fā)育，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙及層間裂隙，裂隙中均充填軟～可塑狀態(tài)黏土或松散狀態(tài)角礫土，未探到規(guī)模較大的水平向發(fā)育的溶洞，研究區(qū)內(nèi)揭露的溶蝕孔洞和溶蝕裂隙如圖1和圖2所示。從場(chǎng)地周邊已有鉆探揭露情況看，巖溶分散發(fā)育于場(chǎng)地不同地段，無規(guī)律性，溶洞空間分布不規(guī)律，并具有以垂直裂隙、層間裂隙發(fā)育為主的特征。

2 基于FLAC3D的數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算剖面的選取

呈貢新區(qū)失地農(nóng)民安置住房雨花2號(hào)地塊二期建設(shè)項(xiàng)目的剖面眾多，倘若將每個(gè)剖面機(jī)型數(shù)值模擬分析是難以實(shí)現(xiàn)的，況且眾多剖面無巖溶分布，或者較多的剖面雖然存在巖溶洞（隙）但是規(guī)格較小，埋置較淺，處理較為方便。鑒于上述原因，本節(jié)將選取一個(gè)具有代表性的剖面，該剖面應(yīng)當(dāng)既有單個(gè)溶洞的分布又有溶洞群的分布，如此可以避免分開討論的復(fù)雜性。同時(shí)，由于場(chǎng)區(qū)的占地面積較大，地形起伏變化大，所以放棄建立整體模型的思路。

通過分析鉆探資料并經(jīng)過篩選，選取35-35'剖面作為具有代表性的計(jì)算剖面，選取理由如下：

①35-35'剖面上面有三個(gè)鉆孔分別為ZK101，ZK102，ZK103；ZK101與ZK102相隔19.8m，ZK102與ZK103相隔19m。其中ZK103鉆孔在11m的頂板埋深處揭露單個(gè)溶洞；ZK102分別在頂板埋深8.6m、10.8m和15m處揭露三個(gè)不同規(guī)格的溶洞。如此可以滿足在一個(gè)剖面上研究單個(gè)溶洞和溶洞群對(duì)巖溶地基的穩(wěn)定性。②35-35'剖面的人工填土較少最薄處為0.8m，為了后期模型的簡(jiǎn)化，將土層定義為兩層，即將第一層的人工填土和第二層的粘土相合并，這樣不僅可以增大安全儲(chǔ)備，簡(jiǎn)化了計(jì)算，而且計(jì)算結(jié)果誤差較小。③35-35'通過勘察資料顯示，的原是地面地形起伏變化最小，從ZK101-ZK103垂直方向上的增量?jī)H僅0.8m，完全可以將后期的計(jì)算模型假定為水平，而且誤差不會(huì)較大。④勘察剖面圖顯示的溶洞形狀大都是橢圓形和類似的矩形形狀，這兩種形狀的溶洞在35-35'剖面均有體現(xiàn)，所以該剖面具有代表性。

所選剖面的剖面圖如圖3所示。分別將ZK103和ZK102揭露的溶洞進(jìn)行編號(hào)，溶洞的規(guī)格參數(shù)見表1。

■

2.2 模型概化處理

2.2.1 地質(zhì)模型概化

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理，這是因?yàn)閷?shí)際研究區(qū)的地形地貌起伏變化較大，并且通過剖面圖可以看出地質(zhì)情況較為復(fù)雜，如果不進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理不但會(huì)使得計(jì)算過程冗長(zhǎng)，而且計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)存在重大偏差。故而將模型做幾點(diǎn)假定處理：

①通過前述的35-35'人工填土較少的特點(diǎn)，將數(shù)值地層模型簡(jiǎn)化為兩層，分別為粘土、中等風(fēng)化砂質(zhì)灰?guī)r，假定土層為均質(zhì)各向同性。②由于所選剖面的自然地面起伏較小，在模型中忽略兩個(gè)鉆孔之間的高差，以水平平面考慮。③根據(jù)勘探資料將不規(guī)則的溶洞形狀假定近似為橢圓形和類矩形。④為了避開溶洞的影響，模型的邊界從平距40m左右沿正方向延伸了10m左右。⑤考慮將要在該地基上面進(jìn)行基礎(chǔ)的施工，不可避免的會(huì)產(chǎn)生基地附加應(yīng)力和上覆土層上面的活荷載，綜合各種情況，將模型的上水平邊界上面施加均布荷載1.66MPa。

2.2.2 概化幾何模型及巖土力學(xué)參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)模型進(jìn)行的概化處理，以及剖面選取原則將模型概化為圖4；并將數(shù)值模擬需要的巖土力學(xué)參數(shù)總結(jié)為表2。

2.3 定義邊界及確定工況

通過巖土工程評(píng)價(jià)資料和相關(guān)的文獻(xiàn)[1-3]資料，在本工程案例中主要是通過固定四周和底部平面來實(shí)現(xiàn)幾個(gè)面的位移值為零，其中自然地面為自由邊界，除了其上面施加有均布荷載之外并其他無邊界條件約束。

具體地講：固定模型邊界x=0面上所有點(diǎn)x的方向的速度；固定模型邊界x=50面上所有點(diǎn)的x方向的速度；固定模型邊界y=0面上所有點(diǎn)的y方向的速度；固定模型邊界y=3面上所有點(diǎn)的y方向的速度；固定模型底部邊界的z方向的速度。

本工程將首先模擬溶洞在自然狀態(tài)下（未經(jīng)處理）地基土層的應(yīng)力狀況；之后將向洞體里面注漿，模擬注漿之后地基的應(yīng)力反映狀況，因此分為case1（未注漿）和case2（注漿后）兩個(gè)工況，對(duì)比注漿前后地基承載力和位移的變化情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況一

考慮到溶洞上覆土層的自重應(yīng)力、建筑物的基地附加應(yīng)力和部分的施工過程中的活荷載的作用，需要在模型的頂面（z=23的平面）上施加一個(gè)面荷載。工況一模擬的是溶洞注漿處理之前的應(yīng)力狀態(tài)和位移狀態(tài)。通過計(jì)算所得到的工況一的應(yīng)力狀態(tài)如圖5～圖6；位移狀態(tài)如圖7～圖8。

通過圖5至圖6可以看出最大主應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力均以壓應(yīng)力為主，其中最大主應(yīng)力出現(xiàn)在埋置深度最小的2號(hào)溶洞的兩側(cè)轉(zhuǎn)角處，大小為25.6MPa；豎向的有效應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在相同位置，其值為25MPa，通過查看不同埋置深度的溶洞豎向有效應(yīng)力狀態(tài)可知，隨著頂板深度的增加有效應(yīng)力逐漸較小，詳見表3。

1號(hào)和3號(hào)溶洞雖然頂板埋置深度僅相差20cm，但是由于1號(hào)溶洞的頂板厚度較大，以致其豎向有效應(yīng)力較3號(hào)稍大。豎向應(yīng)力云圖和水平向應(yīng)力云圖均隨深度逐漸減小，其中最大豎向應(yīng)力為25MPa，最大水平向應(yīng)力為16MPa，均以壓應(yīng)力體現(xiàn)。

通過圖7和圖8可以看出，在z=23平面上的均布荷載作用下2號(hào)溶洞的位移變形相對(duì)最大，整體來講，四個(gè)溶洞頂板的位移量均較小，最大的位移量值15mm出現(xiàn)在3號(hào)溶洞頂板處，考慮由于中等風(fēng)化砂質(zhì)灰?guī)r的體積模量和剪切模量值相對(duì)較大的因素。出現(xiàn)局部位移量較大的部位為上覆粘土層，位于模型的左側(cè)，如圖9和圖10所示，其值為3.37cm。

■

■

3.2 工況二

工況二與工況一的主要區(qū)別為對(duì)四個(gè)溶洞進(jìn)行注漿處理，輸出最大、豎向和豎向有效主應(yīng)力云圖，如圖11至圖13；總位移云圖如圖14；注漿處理之后四個(gè)溶洞的豎向位移云圖如圖15至圖18。

通過圖14可以看出總位移的發(fā)生位置和大小較未注漿之前均未發(fā)生較大變化，主要是因?yàn)樽{體提供的是局部的巖土體加強(qiáng)，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的粘土層影響較小，這一點(diǎn)符合實(shí)際狀態(tài)。

通過查看四個(gè)溶洞經(jīng)過處理之后的豎向位移云圖可以看出，最大的位移仍然出現(xiàn)在2號(hào)溶洞的頂板處，但是對(duì)比未注漿之前的溶洞豎向應(yīng)力云圖可以看出注漿之后的豎向應(yīng)力云圖成層性更加均勻，說明受力更加均勻，而且位移量值減小。處理之后的1號(hào)溶洞的豎向位移為1.15mm，2號(hào)溶洞的豎向位移為1.46mm，3號(hào)溶洞的豎向位移為1.17mm，4號(hào)溶洞的豎向位移為0.79mm。

4 總結(jié)

本文簡(jiǎn)述了以云南呈貢新區(qū)失地農(nóng)民安置住房雨花2號(hào)地塊二期建設(shè)項(xiàng)目為背景的高原巖溶發(fā)育特征，并對(duì)巖溶區(qū)的土層參數(shù)進(jìn)行了整理，確定了用于數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)參數(shù)；依據(jù)該建設(shè)項(xiàng)目展開了巖溶地基穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，分別設(shè)置注漿之前和注漿之后兩個(gè)工況，模擬進(jìn)行注漿處理之后，地基受力狀態(tài)的變化以及位移的變化。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：未注漿之前，在均布荷載的作用下產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為25.6MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，出現(xiàn)在溶洞兩端的轉(zhuǎn)角處。由于量值較大，考慮對(duì)此巖溶地基進(jìn)行地基處理；通過注漿處理之后發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力和豎向應(yīng)力的作用位置并無較大變化，但是量值卻大幅減小，最大主應(yīng)力由25.6MPa降低至7.4MPa，說明注漿體起到了強(qiáng)大的支撐作用，不僅僅填滿了溶洞，一定程度上阻止了溶洞的繼續(xù)發(fā)育，而且實(shí)現(xiàn)了地基加固；其總位移和豎向位移也有大幅減小，處理之后的每個(gè)溶洞豎向位移均未超過2mm，埋置最深的4號(hào)溶洞的豎向位移小于1mm。可見處理之后的巖溶地基承載力顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寧.云南臨滄某機(jī)場(chǎng)巖溶發(fā)育規(guī)律及地基穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.

[2]李源.昆明新機(jī)場(chǎng)巖溶塌陷機(jī)理研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2009.

[3]付博.昆明小哨機(jī)場(chǎng)航站樓區(qū)巖溶發(fā)育特征及地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[D].成都：成都理工大學(xué)，2008.