FLAC3D在潮湿环境史前考古土遗址直立探方稳定预判中的应用

陈鹏飞 张景科 谌文武 杨善龙 和法国 陆恺

内容摘要：潮湿环境中考古探方的失稳破坏不仅对遗址文物的保护不利，而且威胁着现场工作人员的人身安全。目前对潮湿环境下考古探方稳定性预判的研究较少。本文基于杭州潮湿地区的岩土参数采用FLAC3D数值模拟软件进行探方开挖前稳定性预判模拟计算。模拟探方为直立式，尺寸（长×宽×深）为5m×5m×2.4m。模拟发掘过程采取降排水措施。数值计算结果表明：（1）随开挖不断进行，坑壁水平位移逐渐增大，曲线形状呈“弓”型，水平位移由顶部至底部先增大到极值后减小，极值点位于距顶部1.75m的坑壁处。（2）最终安全系数为2.37。（3）得出了潜在滑移带所在位置，坑壁滑移带剪出口位于坑壁2.0m—2.4m处。计算结果可以为现场考古模拟发掘试验提供参考，为直立式考古探方稳定性预加固提供依据。

关键词：潮湿环境；史前考古遗址；直立探方；FLAC3D；稳定预判

中图分类号：P901 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）04-0135-06

Abstract： The instability of an archaeology excavation unit in moist environments is not only bad for the sites and protection of relics， but also threatens the personal safety of archaeologists. Little research on the stability of this equipment when used in such environments has been conducted at present， however. This study presents research on how to prejudge the stability of excavation units prior to excavation by applying the numerical simulation software FLAC3D to the geological conditions and moist environment of Hangzhou when using a vertical excavation unit that measures 5m×5m×2.4m. The numerical calculation， combined with drainage measures also recorded during the simulation， yielded several results. First， during excavation the deformation of the pit wall increases gradually in the shape of a bow being drawn， and the horizontal displacement first increases to extremum and then decreases from the top to the bottom. The point where the extremum is reached is 1.75 m from the top of the pit wall. Second， the stability coefficient is 2.37， and； finally， the location of the potential slip band is clearly observable， the opening of the slip band being 2.0m-2.4m from the top of the pit wall. These calculation results can provide reference for field archaeological excavation and evidence for preparatory reinforcement of vertical excavation units.

Keywords： moist environment； prehistoric archaeology site； vertical excavation unit； FLAC3D； pre-judging stability；

1 引 言

我国东南方潮湿环境地区的史前考古遗址主要集中分布在长江流域：如长江上游地区的巫山大溪文化遗址、新繁水观音遗址等，长江中游地区的盘龙城遗址、屈家岭文化遗址等，长江下游地区的河姆渡文化遗址、良渚文化遗址等。为确保文化层信息的完整连续性，直立探方是常用的考古发掘型式。鉴于探方四壁均保存着重要文化信息，不宜过多采取工程加固措施；而文化层开挖与信息的提取历时长，我国东南方潮湿环境中的直立探方极易失稳破坏。探方失稳不仅对发掘的古遗址保护有威胁，同时也会影响到考古人员的安全。因此，在潮湿环境下史前土遗址的考古探方稳定性的预判尤为重要。

考古发掘探方与工程基坑有诸多类似之处。目前对于在潮湿环境中基坑工程的研究已经取得了丰富的成果。随着计算机技术的发展，基坑工程稳定性预判多利用数值计算方法，有限元及有限差分数值计算软件在基坑模拟计算中的应用越来越广泛，而且取得了良好的效果。刘杰等通过ANSYS数值模拟计算对地铁车站基坑的围护结构进行了模拟，结合现场变形监测得到了很好的验证[1]。李磊等则是通过ABAQUS有限元软件对基坑进行了数值模拟[2]。周念清等采用三维有限差分法对基坑降水进行了模拟计算，模拟结果与地下水位实际监测数据十分吻合[3]。孔德森等通过建立二维有限元弹塑性分析模型采用强度折减法对软土深基坑坑底抗隆起情况进行了稳定性分析[4]。吴忠诚等通过深基坑复合土钉墙支护大型现场原位测试对比FLAC3D模拟，得出通过建立的三维数值模拟分析模型能够反映复合土钉支护的基坑在开挖过程中的受力和变形特征[5]。蔡海波等通过对基坑在原有设计基础上沿深开挖深度的工况下进行模拟计算，优化了原有设计的支护方案[6]。吴意谦等对湿陷性黄土地区深基坑进行了模拟计算，与现场监测结果较为一致，为基坑的合理设计与安全施工提供了科学依据[7]。丁勇春等通过计算模拟出临江基坑在考虑江内潮位变化情况下基坑支护结构的稳定性[8]。可见数值模拟方法在基坑工程优化设计、稳定性预判中应用广泛，通过现场监测数据验证了计算结果的合理性。结合考古发掘坑与基坑的类同性，选择性地引入基坑稳定性预判的理论方法应用到考古发掘探方的稳定性预判之中，对于考古发掘具有重要意义。

FLAC3D软件能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形，具有强大的前后处理功能，在岩土工程问题中应用广泛[9-12]。本文采用FLAC3D软件。选取浙江大学紫金港校区岩土条件为基本工况，模拟了开挖深2.4m、长宽均为5.0m的模拟考古直立探方，开展了FLAC3D计算软件在考古探方稳定性预判中的探索。

2 试验场地概况

2.1 试验地点

现场试验选择在浙江省科技考古与文物保护技术研究试验基地。该场地位于浙江省杭州市浙江大学紫金港校区。

2.2 试验场地与史前考古遗址的相似性

通过现场调查，场地土体为物理力学性质差的黏土、淤泥质粉质黏土；场地地下水位为0.8m，且试验基地周边有多处池塘、水田。该场地的土体条件、地下水情况与良渚遗址的考古环境相似。

2.3 岩土条件及地下水

试验基地现场勘察表明，试验场地地层自上而下依次是：

素填土：黄褐色内部有较多裂隙，裂隙宽1—2cm，土体厚度80cm。

杂填土：主要由砖块、水泥块及夹杂其中的碎土组成，力学性质较差、透水性好。土体厚度35cm。

素填土：深褐色，土体内部有水平发育空隙，空隙内有细沙充填。土体厚度35cm。

淤泥质黏土：灰黑色，土质均匀，流塑性，土体性质较差。土体厚度20cm。

黏土：黄色，土质均匀，软塑性，小孔隙发育，土体疏松，性质较差。土体厚度70cm。

黏土：青灰色，土质均匀，可塑性，无裂隙发育，土体性质较差。

各土层的物理力学参数如表1所示。

场地的地下水丰富，周边有多处池塘、水田，现场地下水位一般位置在0.8m附近，随天气变化而波动，波动幅度0.1m。

3 模拟开挖方案及方法

3.1 模拟工况及方法

试验现场为典型潮湿环境，池塘、河流、湖泊等地表水丰富，降水量大，导致地下水位高且补给源充足，为使模拟现场考古发掘作业正常进行，在模拟探方开挖过程中以及后期文化层信息提取收集过程中必须全程实施降排水措施，将地下水降至考古探方底部以下，减少地下水的不良影响。

由于实验现场土层多为渗透性极差的黏土组成，地下水渗透缓慢，渗透压力对于模拟探方稳定性影响相对较弱，同时为简化计算，本次模拟计算仅考虑地下水面以下的土体采用饱和状态下的物理力学参数，地下水位面以上的土体采用天然状态下的物理力学参数进行模拟计算。

3.2 开挖、边界、网格

模拟开挖可认为是平面应变问题而且开挖探方模型对称，可以将模型简化为二维问题并选取一半作为计算对象。模型的高度为12m，长15m，在FLAC3D中对模型按现场土层情况进行分组，模型由6360个单元（zones）和9882个节点（grid-

points）组成。

数值模拟计算的土体本构模型采用Mohr-

Cloumb模型，除开挖探方所形成的边坡及坑底设为自由边界外，模型底部为固定约束边界，限制其在法向方向以及切向方向的位移，模型的四周方向为单向边界，限制其在法向方向的位移。

3.3 模拟开挖方案

基于史前考古土遗址发掘实践及FLAC3D模拟软件的可实施性，模拟开挖方案为：开挖分为四步进行，每次开挖0.6m，最终开挖深度2.4m，开挖情况如图1所示。

4 模拟分析结果及稳定性预判

4.1 位移云图

位移监测可以直接反应出数值计算中模型监测位置的变形情况，也可推演出现实情况下对应位置的变形情况，结合现场地质条件的认识便可判别出对象的稳定性以及潜在破坏的位置，而且在生产实践中位移的监测较应力的监测更加简便、精确。

由水平位移云图2可知，水平横向位移主要集中在坑壁附近，随开挖不断进行变形范围逐渐增加，且位移量也逐渐增大；坡脚处也出现水平位移，且随着开挖进行，出现水平位移的范围逐渐增大。

图3为每次开挖结束后坑壁最终达到稳定状态时位移情况，Y轴为基坑深度，X轴为坑壁的水平位移值，负值表示位移方向向探方内部位移，反之正方向表示向探方外侧位移。由监测结果可知，第一次开挖，开挖深度为0.6m相对较浅，水平位移量较小，在1mm左右；第二次开挖0.6m，模拟探方深度为1.2m，由坡顶至坡底水平位移量逐渐增大，1.0m处水平位移量达到极值；第三次开挖0.6m，模拟探方深度为1.8m，由坡顶至坡底水平位移量先增大后减小，在1.5m处时水平位移量达到极值1mm；第四次开挖0.6m，模拟探方深度为2.4m，由坡顶至坡底水平位移量先增大后减小，在1.75m处时水平位移量达到极值3.9mm。

4.2 安全系数

FLAC3D中对于边坡稳定性的数值模拟常用方法为强度折减法，即通过降低岩土体的参数，使得边坡刚好达到临界破坏状态，此时对于岩土体的抗剪强度进行的折减程度即定义安全系数。安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。在数值计算中分别采用强度折减法计算每次开挖后探方模型的安全系数，四次开挖完成后的安全系数如图4所示。

由图可知随开挖深度不断增加坑壁的安全系数逐渐降低，四次开挖完成后的安全系数分别为14.71、4.86、2.93、2.37，第二次开挖完成后，安全系数降低幅度最大，后两次开挖完成后安全系数变化值相对较小。

4.3 剪应变增量

模拟开挖完成后探方外土体的剪应变增量云图及位移矢量云图如图5所示。图中箭头方向代表对应单元的位移方向，箭头长度代表位移值的相对大小，由图可知在模型开挖完成后，坑壁有向坑内滑移的趋势，坑壁处位移量最大，其后面土体的位移量逐渐降低。

由剪应变增量云图可知剪应变增量分布呈“带”状分布。土体的破坏主要有两种：拉伸破坏与剪切破坏[13]。本次模拟中拉伸塑性区主要位于模拟探方外侧后缘1.5m—2.0m处，沿垂向发育深度约为1.5m，此区域土体受水平向拉应力作用，当拉应力超出土体的极限抗拉强度，此区域便会出现后缘拉裂缝。剪切塑性区主要位于坑壁2.0m—2.4m处，与坑壁呈45°夹角，在距顶部2.3m的坑壁处剪应变增量最大。

5 分析与讨论

5.1 位移云图

随着开挖不断进行，变形量逐渐增大，坑壁的变形曲线逐渐呈“弓”型，水平位移由顶部至底部先增大到极值后减小，极值点附近即为此模拟探方的危险带。危险带位于距顶部1.75m左右，此处地层为淤泥质粉质黏土与黄色黏土，土体物理力学性质极差，所以在开挖完成后，由于开挖卸荷出现临空面。坑壁下部土体作为主动区，失去了被开挖掉的探方内被动区土体的支撑，所以此处将会产生较大变形。此处将是重点监测、治理地带。最终开挖完成后的变形量最大值仅为3.9mm，约为直立探方开挖深度的1.6‰，变形值相对较小，不会对考古探方内的文化层信息造成破坏。

5.2 安全系数

第一次开挖完成后，开挖深度为0.6m模型安全系数14.71。第二次开挖完成后，模型深度达1.2m，模型的安全系数降低至4.86，其稳定性大幅降低。后面两次开挖完成后模型的安全系数变化量小，但安全系数相对较小。

最终模型的安全系数为2.37，安全储备足。在降排水的条件下除发生极端事件，使初始条件发生明显变化外，考古探方是可以达到稳定状态的，即在本次模拟的工况下进行现场开挖是不会出现失稳破坏情况的。

5.3 剪应变增量

岩土体的破坏是由于某一面上的剪应力达到了岩土体的剪切强度，此时剪切面上必然发生了较大的剪切变形。通过剪应变增量云图的情况即可判断出潜在滑移面的位置[14]，通过剪应变增量的贯通也可作为边坡变形破坏的准则[15]。此剪应变增量云图是在对土体参数进行不断折减的情况下获取的，由此可以预知由于土体的力学性质降低而引起的滑移破坏情况。

可看出潜在滑移带所在位置，在开挖初期由于开挖形成临空面，改变了初始稳定状态，临空面出现向探方内部位移趋势，后部开始出现拉张带，约束临空面的位移。随开挖深度增加，临空面增大，拉张带垂向延伸发育，坑壁底部出现剪切带。可以看出两者均在各自相应方向发育，但两者并未贯通，由此可知在浙江大学紫金港校区内进行的现场模拟史前考古发掘直立探方，在降排水措施下是不会出现失稳破坏的；模拟探方潜在剪出口位于坑壁2.0m—2.4m处，此区域为易破坏区域，应重点监测其位移变化情况。

6 结 论

通过FLAC3D数值模拟软件对浙江省杭州市浙江大学紫金港校区内尺寸（长×宽×深）为5m×5m×2.4m的直立式模拟考古探方的计算得出如下结论：

（1）随着开挖进行，坑壁变形量逐渐增大，曲线形状呈“弓”型，水平位移由顶部至底部先增大到极值后减小，危险带位于距顶部1.75m附近的坑壁处。

（2）在降排水的条件下，模拟探方开挖完成后最终稳定系数为2.37。

（3）得出了潜在滑移带所在位置，坑壁剪切塑性区剪出口位于坑壁2.0m—2.4m处，此处为易破坏区域。

（4）据计算结果为现场考古模拟发掘试验提供参考，为直立式考古探方稳定性预加固提供依据。可见，通过采用数值模拟软件FLAC3D，可以为我国东南方潮湿地区考古发掘探方稳定性预判及预加固提供可靠依据。

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