第２３卷第４期 ２０１７年４月 水ｆｔ．０科技与经济 Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．，２０１７ 基于数值模拟的土洞稳定，Ｉ生分析 王 涣 ，马中伟 （１．贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室，贵阳５５０００２） ５５００２５；２．贵州有色地质工程勘察公司，贵阳 ［摘要］为评价土洞的稳定性，选取贵州龙洞堡机场三期工程中两个具有代表性土洞建立 力学模型，并采用经验公式对所揭露的地下土洞顸板稳定性进行计算，用以验证基于Ｆｌａｃ３ｄ 数值模拟进行稳定性分析建模的正确性。通过对模型最大不平衡力、塑性区分布和应力、位 移的变化进行研究，从而得出土洞在工程荷载作用下的沉降变形分布特征及破坏机制。 ［关键词］土洞；稳定性分析；工程荷载 ［中图分类号］ＴＶ２１２ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００６—７１７５（２０１７）０４—００２８—０６ Ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｃａｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｈｕａｎ ，ＭＡ Ｚｈｏｎｇ—Ｗｅｌ‘ （１．Ｋａｒｓｔ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｙｒ ｏｆ Ｅｄｕ— ｃａｔｉｏｎ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｃａｖｅ，ｔｗｏ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ Ｌｏｎｇｄｏｎｇｂａｏ ａｉｒｐｏｒｔ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｏｓｅｄ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃａｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｒｏｏｆ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒ— ｒｅｅｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｆｌａｃ３ ｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｆｏｒｃｅ，ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｄｉｓ— ｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｃａｖｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌｏａｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｃａｖｅｓ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌｏａｄ 我国西南地区岩溶作用强烈，区域面积约 ３４６×１０ ｋｍ ，占全国土地面积的１／３…。土洞是 可溶岩地区覆盖土层在地下水流的作用下，细颗 粒不断被水流运移至下伏溶洞裂隙中而形成的 填）空洞，通常形成于基岩面附近、粗颗粒土与细 颗粒土层交界面附近及地下水位频繁波动带附 近。由此可见，土洞塌陷是潜在的塌陷。因此， 研究覆盖型岩溶的塌陷一定要先研究土洞顶板 多呈空心的球状或半球状（下半部被垮落土体充 的稳定性。近年来，三维数值模拟计算方法已经 ［收稿日期］２０１７～０ｌ一０６ ［作者简介］ 王涣（１９９２一），女，贵州遵义人，硕士研究生在读，研究方向为地质工程岩溶及地质灾害；马中伟（１９９２ ），男，内蒙古赤峰人，助理工程师，从事岩土工程勘察工作． 一一２８— 王涣，等：基于数值模拟的土洞稳定性分析 第４期 它能够很好地反映和模拟地下土洞的三维形态’１力学指标参数的确定 ～ …’ 一’… 一 。 本文将结合贵阳龙洞堡机场三期的工程实例，应 用ＦＬＡＣ ３Ｄ数值模拟方法对土洞稳定性进行分 析评价。 为了能使用经验公式得到的稳定性结果对 数值模拟结果进行验证，数值模拟参数的确定依 据见表１、表２。 表１ 场地岩土体的物理力学参数 ２ 工程实例 ２．１ 工程概况 要控制因素。因此，必须确保初始地应力场的可 靠性，才能较真实地模拟外荷载作用下岩土体的 应力应变特征。假定场地的初始地应力场主要 拟建场区位于贵阳市南明区龙洞堡机场北 侧，场地区域总面积为１．１６ ｋｍ ，地理位置为 Ｅｌ０６。４２ ～Ｅｌ０６。４８ ，Ｎ２６。３８ ～Ｎ２６。４１ 。场区 为岩、土体在自重作用下产生的，本模型采用分 阶段弹塑性求解法确定初始地应力。 ３）假定模型孔隙水压力保持不变。 ４）根据本次模拟的目标以及工程实际，设 区域构造形迹较为复杂，主要为褶皱和断裂。其 中，褶皱主要为羊场司复式向斜及众多的小型褶 定ｘ轴方向和Ｙ轴方向为法向位移约束，ｚ轴方 向底部为全约束。在数值模型中，计算边界条件 有应力边界条件、位移边界条件和混合边界条件 ３种。本次计算采用位移约束边界条件。 ５）本文主要考虑土洞顶板上覆土体在外加 荷载作用下的稳定性分析。荷载是逐级施加的， 并以土洞顶板最大不平衡力不收敛结合图形可 视化结果或塑性区的贯通作为破坏的变形依据。 ６）地质概化后的模型分为上下两层：ｚｋ一 ３９上覆土体黏土层，厚度为９．３ ＩＴＩ，土洞的跨度为 １．４，高０．８，深度为５ ｍ，下部基岩层，厚度为２ ｎｌ。 皱，断裂主要产生在褶皱的轴部，岩层较破碎，溶 蚀较严重。区域属于岩溶丘陵地貌，场区岩溶发 育，岩体破碎，地下溶（土）洞广泛分布。下面选 取场地具有代表性的钻孔ｚｋ一３９和ｚｋ一４７钻遇 两个大小不同的溶蚀洞体作为研究对象。 ２．２计算模型 考虑到计算场地的实际情况和数值计算的 特点，计算模型做以下假定： １）土洞周围岩土体按连续弹塑性体考虑， 岩体是大变形岩体。 ２）初始自重力（地应力）场的存在，在岩溶 计算模型见图１。Ｚｋ一４７上覆土体黏土层，厚度 为５．６ １ＴＩ，土洞的跨度为４．７ Ｉｌｌ，高２．５ ｍ，深度为 ４．５ １ＴＩ，下部基岩层，厚度为２ ｍ，见图２。 场地区既是岩土体所处环境发生改变引起变形 和破坏的重要力源，也是影响岩体力学性质的重 一２９— ２３卷第４期 ２０１７年４川 Ｖｏ１．２３ ＮＯ．４ Ａｔ）ｒ．，２０１７ Ｗ ａ Ｐ Ｓ Ｂｌｏｃｋ Ｇｒｏｕｐ 四￣：ｌａｙ ｙ ｌ 【Ｉｉｍｅｓｔｏｎｅ 水 利＿＿ 图１ ＺＫ一３９计算模型 图２ ＺＫ一４７计算模型 ２．３ 结果分析 科㈣ 但总体Ｊ：接近一个非零的恒定值时，模型则破坏 或进入流动状态。本文利川不平衡力的指示作 用，为研究场地地下溶洞的稳定性状况及模型建 立的 确性，特选取场地范『书１内ＺＫ一３９和ＺＫ一 ４７，所钻遇的 个大小 的地下土洞为研究埘 象，其住初始地应力下，逐级施ＪＪｌ】２７８．５ ｋＰａ荷载 最大不平衡力分析 技 ２．３．１与 ，ｊ系统内外力之篾，评价模型处于稳定状 济 过 ｒ态，还是小稳定的状态．． 与最大不平衡力接近于 ，经 最大不平衡力是模型在进行数值汁算迭代 即为 施ｌ』Ｊ【Ｉ 格点上的力的代数和为零 Ｅ ｆ’模型处于稳定状念．当不平衡力变化跳跃， Ｊ ｒ＿＿ｄ（： ，Ｚ） 一口 口 ｘ ｌ０ ｛ 作用＿Ｆ的最大不平衡力，见罔３、 ４。 嚣 ～…… ｙ Ｈｉ ６．５’ ６．０。 ５．５。 ５．０ ４．５ ４．０。 …Ｖ …………Ｉ一 …… １ １… Ｄ Ｏ ●Ｏ…０ ｚ０３ｏ￣＋ｏｏ３ ３．５ ３．０‘ ２．５ ２．Ｏ‘ １．５‘ １．０’ Ｏ．５’ ｌ＼ 一 ～ Ｍ ｔ…ａ…ｔｕⅢｎ口…ｕｐ Ｊｎ ｎｎ…｝ｌ‘Ｍ Ｕ§Ａ ｏ１２ ０ ４ ｏ．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ １．８ ＺＯ ２．２ ×ｌ０ 图３ ＺＫ一３９钻孔地下土洞初始地应力及荷载作用下的最大不平衡力监测图 ＬＡＬ＿’￡， ．口 ～ｑ５∞ ×ｊ０ ６．０‘ ２ １６ Ｏ Ｏ４ Ｏｅ Ｔｈｕ ０ ５．５‘ Ｈｉｓｔｏｒｙ＂ …２ Ｕｎｂ４ｌ一州Ｆｏ～ …‘¨Ｏ６ｅｅ Ｏ０４ ５．Ｏ‘ ４．５’ Ｖｓ Ｓ｝ｅＤ ＇口Ｄ０ｅ‘Ｏ … ＋∞３ ４．０‘ ３．５。 ３．０。 ２．５’ ２．０ １．５’ １．Ｏ。 ０．５’ 一 十。 ＾一一．．ｍ ¨ ＇…＿ｃ…ｕ 口Ｇ…ｐＩ Ｉｎ Ｍ…“ …ｓＡ ０．５ １・ｏ １－５ ２・ “ｒ ２．５ ３．０ ３；５ ４１０ 图４ ＺＫ一４７钻子Ｌ地下土洞初始地应力及荷载作用下的最大不平衡力监测图 王涣，等：基于数值模拟的土洞稳定性分析 第４期 对图３、图４分析可得出以下结论： １）由图３可知，所钻遇的地下土洞，在初始 状态下达到平衡后，整个系统稳定。在此基础 上，逐级施加荷载，系统达到平衡，计算迭代过程 缓慢，逐渐收敛趋近于零，处于稳定状态。在整 个计算过程中，模型计算迭代过程收敛效果好， 整个系统稳定，节点最大不平衡力为 ６．６３５×１０ Ｎ。这与通过经验公式所计算出的土 洞室在外荷载作用下基本稳定的宏观判断一致。 ２）由图４可知，所钻遇的地下土洞，在初始 状态下达到平衡后，整个系统稳定。在此基础 图５ ＺＫ一３９在初始应力下竖直方向位移云图 上，逐级施加荷载，计算迭代过程缓慢，且接近一 个非零的恒定值，由图中可看出不平衡力跳跃变 化，说明模型被破坏或进入塑性流变状态。在整 个计算过程中，模型计算迭代过程收敛效果好， 加载后模型不稳定，节点的最大不平衡力为 ６．０５６×１０ Ｎ。这与通过经验公式所计算出的土 洞室在外荷载作用下不稳定的宏观判断一致。 ２．３．２位移变形分析 在已知工程区岩土体初始应力条件和外荷 载的作用下，位移是描述物体受力变形状态的一 类重要的物理量。为研究场区在初始应力条件 图６ ＺＫ一３９在外荷载作用下竖直方向位移云图 及外荷载作用下位移场分布特征，本文特取ＺＫ一 ３９所钻遇的稳定性土洞和ＺＫ一４７所钻遇的不稳 定性土洞作为研究模型，来分析场区初始应力条 件及外荷载作用下的位移沉降变形分布特征，见 ｌ ５～图８。 １）通过对图５、图６、图７和图８比较分析可 知，地下岩溶洞室在外荷载作用下的沉降位移量 大于初始地应力（自重力）下的沉降位移量。洞 室跨径大、洞体临界高度大的ＺＫ一４７，其岩土体 周围的沉降量比跨径相对较小的ＺＫ一３９钻遇的 地下洞室上覆土体大。 图７ ＺＫ一４７在初始应力下竖直方向位移云图 ２）通过图５及图８对比分析可知，在外荷载 的作用下，ＺＫ一３９处于稳定状态的土洞，随着距 离越远离洞室壁，洞室周围的沉降量逐渐增大。 这是由于当洞体处于稳定状态时，洞体自身的减 压拱作用，会使自重力对土洞的作用得以抵消， 而远离洞室表面处的围岩体应力同时受到洞室 轮廓和初始地应力的双重影响。因此，相对而 言，远离洞室表面处的位移量比洞室上部的位移 图８ ＺＫ一４７在外荷载作用下竖直方向位移云图 第２３卷第４ ２０１７年４月 大 、反之，当荷载作川Ｆ处于失稳状态的土洲 ＺＫ一４７，随着距离越靠近涮室壁，洞室周同的沉 降艟逐渐增大。且洞顶上部的沉降量最大，最大 位移墁达到了１ ｌ０ ｎＩＤ１，沉降量往洞侧两边递减．． ２．３。３ 应力变形分析 １）埘 ９和 ｌ０分析呵知，处于稳定状态的 三：： ＺＫ一３９土涧，不论是 自重还是外荷载的作川下， 最大嘘力都对称分布于 士洞两侧，说明应力呈埘 称分布的特征，且麻力受荷载作用影响／ｆ 大 ㈨ ｙ， Ｃ０ｎｔ０ｕｒ ｏｆ ｓＺＺ 薰蓥蒜 ： 一 ＝ 。ｔｏ— ０ Ｏ０ ００ ￣一￣Ｏ０ ０ 图９ ＺＫ一３９在初始应力下竖直方向应力云图 图ｌＯ ＺＫ一３９在外荷载作用下竖直方向应力云图 ２）对 １２分析可知，ＺＫ一４７洞体在外荷载 作川下，应力受其影响较大，土洞顶板的中部及 顶部的成力明 增ＪＪｕ。 ２．３．４塑性区分析 从土洞周 土体的弹塑性状态定程度上，可 以分析土体是 处于稳定状态。本文采取场地 『｝１仞始状态稳定，而受到外荷载失稳的ＺＫ一４７ — ２一 Ｖ０１．２３ Ｎｏ．４ Ａｐｌ’．．２０１７ 钻遇的地下ｉｌ，４ 的模 作为分析对象．埘图１３、 冈ｌ４分析可得…以下结论： Ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆＳＺＺ ｉ黧 ■２ Ｏ０００ｅ＋Ｏ０４ ｔｏ ３ ８３７５￣＋００４ 图ｌ ＺＫ一４７在初始应力下竖直方向应力云图 ＢＩ．ｅｋ Ｓｉａｌｅ 糍一：２嚣 ： ｓ ｈｅａｒ－ｐ 图ｌ３ Ｋ一３９在初始地应力下的塑性区分布图 Ｂｌｏｃｋ Ｓｔａｔｅ Ｕ 日 … ｓｈｅａｒ－ｐ 图１４ ＺＫ一４７在外荷载作用下的塑性区分布图 水 利 科 技 与ｄ 经 济 王 涣，等：基于数值模拟的土洞稳定性分析 土洞周围以及上部土体完全发生剪切屈服 破坏，已形成从土洞顶板底部到顶部的塑性贯通 区，整个洞体处于失稳状态，破坏形式以剪切破 坏为主。 第４期 ３）虽然本文运用该方法所使用的本构模型 及模拟土洞顶板失稳过程中不可避免存在偏差， 但从上面最大不平衡力的监测结果以及应力、位 移变化特征来看，所建的模型针对具体的问题， ３ 结 语 １）顶板厚度、土洞埋深、土洞高度以及土洞 符合具体的实际检验，具有一定的可靠性。 ［参考文献］ ［１］石祥锋．岩溶区桩基荷载下隐伏溶洞顶板稳定性研 究［Ｒ］．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所， ２００５：２—３． 的跨度是土洞稳定性的内在影响因素，在外力的 作用下，顶板厚度薄、高度及跨度大的土洞稳定 性相对较弱。 ２）从工程实例的计算结果可看出，ＦＬＡＣ ３Ｄ ［２］沈冰．岩溶地区桩基础稳定性研究［Ｄ］．南宁：广西 大学。２００６：２５—４０． 数值模拟方法对于确定出破坏区的位置和范围 是切实可行的，能有效地评价土洞顶板稳定性， ［３］黄彰荣．数值分析方法在评定岩溶稳定性中的应用 ［Ｊ］．山西建筑，２００７，３３（２１）：１１５—１１６． 也在理论上为土洞顶板稳定性评价提供了一条 新途径。 ， ＋。‘＋’’＋”＋ ＋”＋。‘＋‘‘＋ ‘＋”＋ ＋… ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 互穿聚合物网络 种或多种各自交联和相互穿透的聚合物网络组成的高分子共混物，简称ＩＰＮＳ。 互穿聚合物网络是由两 ＋ ｉ ； 合成方法主要有分步法和同 步法两种。分步法是将已经交联的聚合物（第一网络）置人含有催化剂、交联剂 等的另一单体或预聚物中，使其溶胀，然后使第二单体或预聚体就地聚合并交联形成第二网络，所得产品称 分步互穿聚合物网络。同步法，是将两种或多种单体在同一反应器中按各自聚合和交联历程进行反应，形成 同步互穿网络。在由两种聚合物形成的网络中，如果有～种是线型分子，该网络称为半互穿聚合物网络。将 两种不同弹性体胶乳进行混合、凝聚和交联而制成的互穿网络，称为互穿弹性体网络，简称ＩＥＮＳ。 ＩＰＮＳ的特点在于含有能起到“强迫相容”作用的互穿网络，不同聚合物分子相互缠结形成一个整体，不 能解脱。在ＩＰＮＳ中不同聚合物存在各自的相，亦未发生化学结合，因此ＩＰＮＳ不同于接枝或嵌段共聚物，亦 不同于一般高分子共混物或高分子复合材料。ＩＰＮＳ的结构和性能与制备方法有关，聚合物Ｉ／聚合物１１ ＩＰＮＳ （聚合物Ｉ为第一网络，聚合物Ⅱ为第二网络）的结构和性能不同于聚合物Ⅱ／聚合物Ｉ ＩＰＮＳ（聚合物Ⅱ为第 一网络，聚合物Ｉ为第二网络）。值得注意的是，在ＩＰＮＳ内如存有永久性不能解脱的缠结，则ＩＰＮＳ的某些力