變高程水位面初始有效應(yīng)力場(chǎng)生成方式探討

宗學(xué)才，侯付闖

(1.東營市水務(wù)局，山東 東營 257091；2.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

隨著城市建設(shè)步伐的加快，大量工程不斷興建，其中有大量的隧道工程位于水下或一部分位于水上、一部分位于水下，形成水下建筑。在采用FLAC3D軟件對(duì)隧道圍巖進(jìn)行受力分析時(shí)，勢(shì)必遇到位于水下和部分位于水下的建筑的初始應(yīng)力場(chǎng)生成問題，多數(shù)學(xué)者在應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行有關(guān)隧道圍巖的模擬時(shí)，并未明確說明涉及水的條件下初始應(yīng)力場(chǎng)是如何生成的[1-5]。華福才[6]基于MATLAB軟件和FLAC3D有限差分軟件對(duì)青島地鐵施工中涉及水頭、圍巖滲透特性等相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究。孫闖等[7]對(duì)上海市盾構(gòu)法施工的某越江隧道進(jìn)行了模擬，主要研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管壁后注漿壓力與土體變形之間的關(guān)系。崔鐵軍等[8]采用FLAC3D軟件對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行了模擬，主要研究了所構(gòu)建模型的特點(diǎn)與計(jì)算效率和最終結(jié)果的關(guān)系。李林毅等[9]通過采用FLAC3D軟件分析了隧道斜井工程單層襯砌的受力特點(diǎn)，并將計(jì)算結(jié)果和復(fù)合襯砌的受力特點(diǎn)進(jìn)行比較，研究結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害防治提供了依據(jù)。馬春景等[10]采用FLAC3D軟件對(duì)富水區(qū)地鐵隧道土壓平衡盾構(gòu)施工的水力耦合進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示所開發(fā)方法對(duì)水力耦合計(jì)算的有效性。

本文基于砂柱試驗(yàn)在FLAC3D中構(gòu)建模型，通過變高程水位面設(shè)置，分析研究建筑位于水位面以下和部分位于水位面以下的情況下，初始應(yīng)力場(chǎng)生成方法，研究結(jié)果可為涉及地下水位條件下，應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行相關(guān)問題研究時(shí)初始應(yīng)力場(chǎng)的設(shè)置提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2 FLAC3D計(jì)算準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備采用FLAC3D進(jìn)行變高程水位面砂柱模型試驗(yàn)時(shí)，需要事先生成正確的初始應(yīng)力場(chǎng)。由于涉及地下水，初始應(yīng)力場(chǎng)的生成相對(duì)于無地下水時(shí)更為復(fù)雜。FLAC3D為摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型材料涉及有水條件下初始應(yīng)力場(chǎng)的生成提供了兩種方法：

1) 在設(shè)置了正確的孔隙壓力分布時(shí)，將處于地下水位面以下位置的建筑，相應(yīng)材料賦予飽和密度；而位于地下水位面以上位置的建筑，相應(yīng)材料賦予材料測(cè)量密度。設(shè)置模型材料其他相關(guān)參數(shù)，在不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值條件下進(jìn)行彈塑性求解，使模型達(dá)到默認(rèn)的平衡狀態(tài)，從而獲得初始應(yīng)力場(chǎng)。

2) 將處于地下水位面以下位置的建筑，相應(yīng)材料賦予飽和密度；而位于地下水位面以上位置的建筑，相應(yīng)材料賦予材料測(cè)量密度。在設(shè)置了合理的孔隙壓力分布時(shí)，設(shè)置模型材料其他相關(guān)參數(shù)，對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值條件下進(jìn)行彈塑性求解，使模型達(dá)到默認(rèn)的平衡狀態(tài)，從而獲得初始應(yīng)力場(chǎng)。

3 模型構(gòu)建

圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｉ爸? 000 mm，砂柱直徑100 mm，砂土干密度1 700 kg/m3，砂土孔隙率0.3，飽和密度為2 000 kg/m3。沿高程設(shè)置孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置兩種水位面高程，第一種情況水位面高程設(shè)置成1 m，砂柱全部位于水位面以下；第二種情況水位面高程設(shè)置成0.5 m，砂柱一半位于水位面以下，一半位于水位面以上。

圖1 Liakopoulos砂柱試驗(yàn)設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果

以下主要探討在對(duì)初始應(yīng)力賦值和不賦值條件下，涉及變高程水位面條件下，初始應(yīng)力場(chǎng)的生成區(qū)別。

4.1 不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行賦值

在不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行賦值條件下，分別模擬計(jì)算兩種水位面條件下獲得的初始應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果見圖2。過程中直接對(duì)材料賦予其真實(shí)的彈塑性模型，并賦予真實(shí)的相關(guān)彈塑性材料參數(shù)，主要包括剪切模量、體積模量、黏聚力、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角。首先對(duì)1 m高程水位面的砂柱進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)生成，將材料密度設(shè)置為飽和密度，獲得的Z方向初始應(yīng)力場(chǎng)云圖見圖2(a)。由圖2(a)可知，在不設(shè)置初始應(yīng)力值時(shí)，能夠獲得正確的初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算共執(zhí)行4 852步。然后對(duì)0.5 m高程水位面的砂柱進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)生成，將位于水位面以下材料密度設(shè)置為飽和密度，將位于水位面以上材料密度設(shè)置為干密度，獲得的Z方向初始應(yīng)力場(chǎng)云圖見圖2(b)。由圖2(b)可知，在不設(shè)置初始應(yīng)力值時(shí)，也能夠獲得正確的初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算共執(zhí)行6 584步。

圖2 不賦值初始應(yīng)力時(shí)求解的初始應(yīng)力場(chǎng)云圖

4.2 對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值

在對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行賦值條件下，分別模擬計(jì)算0.5、1 m兩種水位面高程條件下獲得的初始應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果見圖3。過程中同樣采用直接對(duì)材料賦予其真實(shí)的彈塑性模型，并賦予材料真實(shí)的相關(guān)彈塑性參數(shù)，主要包括剪切模量、體積模量、黏聚力、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角。首先對(duì)1 m高程水位面的砂柱進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)生成，將材料整體密度設(shè)置為飽和密度，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算，對(duì)ZZ方向、XX方向、YY方向的初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)合理賦值，最終獲得的Z方向初始應(yīng)力場(chǎng)云圖見圖3(a)。由圖3(a)可知，在設(shè)置初始應(yīng)力值時(shí)，也能夠獲得正確的初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算共執(zhí)行122步，幾乎未進(jìn)行計(jì)算。然后對(duì)0.5m高程水位面的砂柱進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)生成，將位于水位面以下材料密度設(shè)置為飽和密度，將位于水位面以上材料密度設(shè)置為干密度，同樣經(jīng)過計(jì)算，對(duì)ZZ方向、XX方向、YY方向的初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)合理賦值，這里要特別注意計(jì)算結(jié)果的正確性，因?yàn)槲挥谒幻嬉韵挛恢锰帲爸某跏紤?yīng)力設(shè)置和水面以上位置處的設(shè)置并不相同，獲得的Z方向初始應(yīng)力場(chǎng)云圖見圖3(b)。由圖3(b)可知，在設(shè)置初始應(yīng)力值時(shí)，也能夠獲得正確的初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算共執(zhí)行106步，也幾乎未進(jìn)行計(jì)算就達(dá)到了初始平衡狀態(tài)。相較于不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值時(shí)的情況，在對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值時(shí)，計(jì)算效率提高，計(jì)算結(jié)果和軟件自行計(jì)算結(jié)果相同。

圖3 彈塑性模型變參數(shù)求解的初始有效應(yīng)力場(chǎng)云圖

5 結(jié) 論

在對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行和不進(jìn)行適當(dāng)賦值時(shí)，通過對(duì)比不同高程水位面求解得到的初始應(yīng)力場(chǎng)Z方向的應(yīng)力場(chǎng)云圖，結(jié)論如下：

1) 在不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行和不進(jìn)行適當(dāng)賦值時(shí)，直接進(jìn)行彈塑性模型條件下的求解，均能夠獲得變高程水位面條件下與實(shí)際情況符合的初始應(yīng)力場(chǎng)。

2) 相比于對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值的情況，不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值能夠有效減少計(jì)算求解步數(shù)。

3) 建議采用不對(duì)初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值、直接彈塑性求解的方式生成涉及變高程水位面建筑的初始應(yīng)力場(chǎng)。