变高程水位面初始有效应力场生成方式探讨

宗学才，侯付闯

(1.东营市水务局，山东 东营 257091；2.陕西中凯恒瑞工程项目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

随着城市建设步伐的加快，大量工程不断兴建，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软件对隧道围岩进行受力分析时，势必遇到位于水下和部分位于水下的建筑的初始应力场生成问题，多数学者在应用FLAC3D软件进行有关隧道围岩的模拟时，并未明确说明涉及水的条件下初始应力场是如何生成的[1-5]。华福才[6]基于MATLAB软件和FLAC3D有限差分软件对青岛地铁施工中涉及水头、围岩渗透特性等相关关系进行了研究。孙闯等[7]对上海市盾构法施工的某越江隧道进行了模拟，主要研究了盾构掘进过程中管壁后注浆压力与土体变形之间的关系。崔铁军等[8]采用FLAC3D软件对盾构隧道的施工过程进行了模拟，主要研究了所构建模型的特点与计算效率和最终结果的关系。李林毅等[9]通过采用FLAC3D软件分析了隧道斜井工程单层衬砌的受力特点，并将计算结果和复合衬砌的受力特点进行比较，研究结果为现场灾害防治提供了依据。马春景等[10]采用FLAC3D软件对富水区地铁隧道土压平衡盾构施工的水力耦合进行了模拟，结果显示所开发方法对水力耦合计算的有效性。

本文基于砂柱试验在FLAC3D中构建模型，通过变高程水位面设置，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况下，初始应力场生成方法，研究结果可为涉及地下水位条件下，应用FLAC3D进行相关问题研究时初始应力场的设置提供依据和指导。

2 FLAC3D计算准备

在准备采用FLAC3D进行变高程水位面砂柱模型试验时，需要事先生成正确的初始应力场。由于涉及地下水，初始应力场的生成相对于无地下水时更为复杂。FLAC3D为摩尔库伦弹塑性本构模型材料涉及有水条件下初始应力场的生成提供了两种方法：

1) 在设置了正确的孔隙压力分布时，将处于地下水位面以下位置的建筑，相应材料赋予饱和密度；而位于地下水位面以上位置的建筑，相应材料赋予材料测量密度。设置模型材料其他相关参数，在不对初始应力进行适当赋值条件下进行弹塑性求解，使模型达到默认的平衡状态，从而获得初始应力场。

2) 将处于地下水位面以下位置的建筑，相应材料赋予饱和密度；而位于地下水位面以上位置的建筑，相应材料赋予材料测量密度。在设置了合理的孔隙压力分布时，设置模型材料其他相关参数，对初始应力进行适当赋值条件下进行弹塑性求解，使模型达到默认的平衡状态，从而获得初始应力场。

3 模型构建

图1为试验模型。砂柱高1 000 mm，砂柱直径100 mm，砂土干密度1 700 kg/m3，砂土孔隙率0.3，饱和密度为2 000 kg/m3。沿高程设置孔压监测点，设置两种水位面高程，第一种情况水位面高程设置成1 m，砂柱全部位于水位面以下；第二种情况水位面高程设置成0.5 m，砂柱一半位于水位面以下，一半位于水位面以上。

图1 Liakopoulos砂柱试验设置

4 计算结果

以下主要探讨在对初始应力赋值和不赋值条件下，涉及变高程水位面条件下，初始应力场的生成区别。

4.1 不对初始应力进行赋值

在不对初始应力进行赋值条件下，分别模拟计算两种水位面条件下获得的初始应力场，结果见图2。过程中直接对材料赋予其真实的弹塑性模型，并赋予真实的相关弹塑性材料参数，主要包括剪切模量、体积模量、黏聚力、抗拉强度、内摩擦角。首先对1 m高程水位面的砂柱进行初始应力场生成，将材料密度设置为饱和密度，获得的Z方向初始应力场云图见图2(a)。由图2(a)可知，在不设置初始应力值时，能够获得正确的初始应力场，计算共执行4 852步。然后对0.5 m高程水位面的砂柱进行初始应力场生成，将位于水位面以下材料密度设置为饱和密度，将位于水位面以上材料密度设置为干密度，获得的Z方向初始应力场云图见图2(b)。由图2(b)可知，在不设置初始应力值时，也能够获得正确的初始应力场，计算共执行6 584步。

图2 不赋值初始应力时求解的初始应力场云图

4.2 对初始应力进行适当赋值

在对初始应力进行赋值条件下，分别模拟计算0.5、1 m两种水位面高程条件下获得的初始应力场，结果见图3。过程中同样采用直接对材料赋予其真实的弹塑性模型，并赋予材料真实的相关弹塑性参数，主要包括剪切模量、体积模量、黏聚力、抗拉强度、内摩擦角。首先对1 m高程水位面的砂柱进行初始应力场生成，将材料整体密度设置为饱和密度，同时经过计算，对ZZ方向、XX方向、YY方向的初始应力进行适当合理赋值，最终获得的Z方向初始应力场云图见图3(a)。由图3(a)可知，在设置初始应力值时，也能够获得正确的初始应力场，计算共执行122步，几乎未进行计算。然后对0.5m高程水位面的砂柱进行初始应力场生成，将位于水位面以下材料密度设置为饱和密度，将位于水位面以上材料密度设置为干密度，同样经过计算，对ZZ方向、XX方向、YY方向的初始应力进行适当合理赋值，这里要特别注意计算结果的正确性，因为位于水位面以下位置处，砂柱的初始应力设置和水面以上位置处的设置并不相同，获得的Z方向初始应力场云图见图3(b)。由图3(b)可知，在设置初始应力值时，也能够获得正确的初始应力场，计算共执行106步，也几乎未进行计算就达到了初始平衡状态。相较于不对初始应力进行适当赋值时的情况，在对初始应力进行适当赋值时，计算效率提高，计算结果和软件自行计算结果相同。

图3 弹塑性模型变参数求解的初始有效应力场云图

5 结 论

在对初始应力进行和不进行适当赋值时，通过对比不同高程水位面求解得到的初始应力场Z方向的应力场云图，结论如下：

1) 在不对初始应力进行和不进行适当赋值时，直接进行弹塑性模型条件下的求解，均能够获得变高程水位面条件下与实际情况符合的初始应力场。

2) 相比于对初始应力进行适当赋值的情况，不对初始应力进行适当赋值能够有效减少计算求解步数。

3) 建议采用不对初始应力进行适当赋值、直接弹塑性求解的方式生成涉及变高程水位面建筑的初始应力场。