某機(jī)場(chǎng)擬建跑道滲流與應(yīng)力耦合分析

丁一聰 石維浩 劉宏

摘 要：近年來(lái)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施在快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，而針對(duì)由飛機(jī)荷載、地下水升降等因素引起的機(jī)場(chǎng)地基沉降問(wèn)題對(duì)機(jī)場(chǎng)道槽沉降的影響卻鮮有研究。文章通過(guò)使用Geo-Studio軟件中的SEEP/W計(jì)算出擬建機(jī)場(chǎng)跑道滲流場(chǎng)，再通過(guò)SIGMA/W模塊耦合計(jì)算出滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)作用下的地基沉降。結(jié)果表明：（1）地下水位的升降和荷載作用下對(duì)道槽區(qū)影響較小;（2）百年一遇水位以上的土體有效應(yīng)力幾乎不受水位升降影響，其余土體水位下降有效應(yīng)力增大，特別是枯水期水位以下土體在水位降低后有效應(yīng)力增幅很大;（3）在上部荷載作用下，土體沉降量由上至下逐漸減少?？菟谒挥行?yīng)力大于另兩個(gè)工況，故沉降量最大。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)荷載;地下水升降;Geo-Studio;耦合計(jì)算;滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)

中圖分類號(hào)：P642.2? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0147-03

從19世紀(jì)開(kāi)始，地下水位的下降引起的地面沉降現(xiàn)象就被人們發(fā)覺(jué)，但是，由于當(dāng)時(shí)地下水位下降較少引起的地面沉降量不大，對(duì)地面構(gòu)造物的影響不大，所以沒(méi)有得到重視。

到了20世紀(jì)時(shí)，由于人們加大了地下水的開(kāi)采，地下水位下降較為迅速，導(dǎo)致地面構(gòu)造物的變形也增大，引起了人們的重視。宮本直巳提出了地面發(fā)生大面積沉降是由于大量地下水被開(kāi)采引起地下水位下降所導(dǎo)致的[1];冉啟全等建立了地面沉降計(jì)算模型，對(duì)滲流、變形和沉降進(jìn)行了模擬[2]。孫承志等對(duì)于北京東郊區(qū)域的沉降資料進(jìn)行了分析，地面的沉降量跟地下水位變化呈正相關(guān)，并且地面的沉降分布范圍也是與水位降落漏斗大致一致[3];趙建康等對(duì)浙江濱海平原的地面沉降資料和地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和整理，研究發(fā)現(xiàn)，地下水位呈現(xiàn)季節(jié)性的升降，地面沉降也發(fā)生了季節(jié)性的變化[4];王文良等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地下水位上升對(duì)樁基變形及承載力有明顯的影響[5];顧強(qiáng)康等基于剛性道面PCN值理論基礎(chǔ)，建立了基于“地基-道面-飛機(jī)荷載”相互作用的道面結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型，研究表明高填土機(jī)場(chǎng)道面板底面最大拉應(yīng)力與地基不均勻沉降呈線性關(guān)系[6]。

由此可見(jiàn)，地下水位的變化所引起的工程問(wèn)題得到了學(xué)者越來(lái)越多的研究，但目前主要是研究由于基坑排水導(dǎo)致水位變化的情形。目前針對(duì)機(jī)場(chǎng)地基不均勻沉降問(wèn)題即大面積堆載的沉降變形計(jì)算和飛機(jī)沖擊荷載、地下水升降等因素對(duì)機(jī)場(chǎng)道槽沉降的影響卻鮮有研究。所以研究地下水位變化以及上覆荷載對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響具有重要的意義。

文章介紹了由Modflow計(jì)算場(chǎng)區(qū)枯水期工況、豐水期工況和百年一遇洪水位工況下的地下水水位高度，將水位賦予GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，使用穩(wěn)定滲流計(jì)算出擬建跑道的滲流狀況，再耦合SIGMA/W模塊計(jì)算擬建跑道在滲流以及上覆堆積荷載下的沉降。

1工程概況及參數(shù)選取

1.1工程概況

場(chǎng)區(qū)地表水系和地下水發(fā)育、地下水位高、地基滲透性強(qiáng)、液化土分布范圍廣。在水位上升期，長(zhǎng)期浸泡滲透作用可能降低地基承載力并可能導(dǎo)致較大的沉降，出現(xiàn)道面病害，故地下水問(wèn)題是本工程的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2計(jì)算參數(shù)

1.2.1道面荷載與飛機(jī)荷載

機(jī)場(chǎng)道面面層厚度為0.36m，重度為25kN/m3，上基層和下基層分別為0.20m，重度為24kN/m3，因此道面對(duì)原地基產(chǎn)生的荷載大小為18.60kPa。

根據(jù)前期巖土工程初步勘察報(bào)告將貢嘎機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)設(shè)計(jì)指標(biāo)為4E，按空客A-330-300最大荷載2339KN考慮，飛機(jī)荷載為28.8kPa。

1.2.2物理力學(xué)參數(shù)

2計(jì)算模型

選取機(jī)場(chǎng)新建跑道西端剖面ZP08進(jìn)行二維地基沉降數(shù)值模擬分析。剖面的平面示意圖如圖1所示。經(jīng)由Modflow軟件模擬計(jì)算出枯水期水位為3565.00～3565.05m，豐水期水位為3567.72～3567.84m，百年一遇水位為3568.85～3569.08m。

為了便于計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)勘察成果，將地層概化，如圖2計(jì)算模型剖面圖所示。在模型兩端賦予水力邊界條件;在跑道和滑行道賦予應(yīng)力邊界條件;模型左右兩側(cè)為x方向零位移約束，模型底邊界為y方向零位移約束。

3計(jì)算結(jié)果與分析

如表2為地基沉降模擬結(jié)果。圖3～圖8為ZP08剖面沉降位移等值線圖。

因飛機(jī)荷載只在短時(shí)間內(nèi)對(duì)道面施加荷載，故圖4只計(jì)算模型在荷載下的沉降。

提取Y方向上的1～5號(hào)（由下至上）位移點(diǎn)在三種工況下的有效應(yīng)力，繪制曲線如圖9。5號(hào)點(diǎn)（百年一遇水位之上）在各工況下有效應(yīng)力幾乎相等;4號(hào)點(diǎn)（豐水期水位之上）、3號(hào)點(diǎn)（枯水期水位之上）隨著水位下降，有效應(yīng)力逐漸增大;1、2號(hào)點(diǎn)（枯水期水位之下）隨著水位下降，增大幅度較3、4號(hào)點(diǎn)更大。

提取相同5個(gè)點(diǎn)在三種工況下的沉降量，繪制曲線如圖10。上部荷載對(duì)土體影響由上至下逐漸減小，1～5號(hào)點(diǎn)沉降量逐漸減小。因?yàn)榈叵滤坏南陆禃?huì)導(dǎo)致水位以下土體有效應(yīng)力增大，從而使得水位以下的土體發(fā)生較大沉降，故枯水期工況下的沉降量大于另外兩個(gè)工況下的沉降量。

4結(jié)論

通過(guò)改變場(chǎng)區(qū)的滲流場(chǎng)以及在道槽區(qū)堆加上覆荷載模擬（滲流與應(yīng)力耦合），計(jì)算出道槽區(qū)的沉降量如表2。需要關(guān)注的是在飛機(jī)荷載作用下，道槽區(qū)沉降量為22～25mm。極端條件下枯水期工況→百年一遇洪水→枯水期工況（水力梯度的改變易產(chǎn)生不均勻沉降），道槽區(qū)沉降量為6～26mm，低于沉降指標(biāo)，符合要求。分析了三種工況下有效應(yīng)力隨位移（Y方向）的變化、三種工況下沉降量隨位移（Y方向）的變化以及水位升降沉降量的變化。得出結(jié)論：

（1）地下水位的升降和荷載作用下對(duì)道槽區(qū)影響較小。

（2）百年一遇水位以上的土體有效應(yīng)力幾乎不受水位升降影響，其余土體水位下降有效應(yīng)力增大，特別是枯水期水位以下土體在水位降低后有效應(yīng)力增幅很大。

（3）在上部荷載作用下，土體沉降量由上至下逐漸減少?？菟谒挥行?yīng)力大于另兩個(gè)工況，故沉降量最大。

（4）地下水水位上升土體沉降量有所恢復(fù)，水位再下降沉降量變大。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮部直巳.地面沉降的研究方向[A].上海市地質(zhì)處編選，國(guó)外地面沉降論文選譯[C].北京：地質(zhì)出版社，1978：1-12

[2]冉啟全，顧小蕓.考慮流變特性的流固耦合地面沉降計(jì)算模型[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).1988（02）：101-105.

[3]孫承志，高云安，胡曉天等.北京市東郊地面沉降分析[J].巖土工程界.2002（11）：27-29.

[4]趙建康，吳孟杰，劉思秀.浙江省濱海平原地下水開(kāi)采與地面沉降[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào).2006，12（2）：185-194.

[5]王文良，王曉謀，馬溪.地下水對(duì)黃土群樁基礎(chǔ)影響的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（09）：16-23.

[6]顧強(qiáng)康，李寧，黃文廣.機(jī)場(chǎng)高填土地基工后不均勻沉降指標(biāo)研究[J].巖土力學(xué)，2009，30（12）：3865-3870.

基金項(xiàng)目：中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（JSRDKYN201812）