FLAC^3D在潮濕環境史前考古土遺址直立探方穩定預判中的應用

陳鵬飛 張景科 諶文武 楊善龍 和法國 陸愷

內容摘要：潮濕環境中考古探方的失穩破壞不僅對遺址文物的保護不利，而且威脅著現場工作人員的人身安全。目前對潮濕環境下考古探方穩定性預判的研究較少。本文基于杭州潮濕地區的巖土參數采用FLAC3D數值模擬軟件進行探方開挖前穩定性預判模擬計算。模擬探方為直立式，尺寸（長×寬×深）為5m×5m×2.4m。模擬發掘過程采取降排水措施。數值計算結果表明：（1）隨開挖不斷進行，坑壁水平位移逐漸增大，曲線形狀呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，極值點位于距頂部1.75m的坑壁處。（2）最終安全系數為2.37。（3）得出了潛在滑移帶所在位置，坑壁滑移帶剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處。計算結果可以為現場考古模擬發掘試驗提供參考，為直立式考古探方穩定性預加固提供依據。

關鍵詞：潮濕環境；史前考古遺址；直立探方；FLAC3D；穩定預判

中圖分類號：P901 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國東南方潮濕環境地區的史前考古遺址主要集中分布在長江流域：如長江上游地區的巫山大溪文化遺址、新繁水觀音遺址等，長江中游地區的盤龍城遺址、屈家嶺文化遺址等，長江下游地區的河姆渡文化遺址、良渚文化遺址等。為確保文化層信息的完整連續性，直立探方是常用的考古發掘型式。鑒于探方四壁均保存著重要文化信息，不宜過多采取工程加固措施；而文化層開挖與信息的提取歷時長，我國東南方潮濕環境中的直立探方極易失穩破壞。探方失穩不僅對發掘的古遺址保護有威脅，同時也會影響到考古人員的安全。因此，在潮濕環境下史前土遺址的考古探方穩定性的預判尤為重要。

考古發掘探方與工程基坑有諸多類似之處。目前對于在潮濕環境中基坑工程的研究已經取得了豐富的成果。隨著計算機技術的發展，基坑工程穩定性預判多利用數值計算方法，有限元及有限差分數值計算軟件在基坑模擬計算中的應用越來越廣泛，而且取得了良好的效果。劉杰等通過ANSYS數值模擬計算對地鐵車站基坑的圍護結構進行了模擬，結合現場變形監測得到了很好的驗證[1]。李磊等則是通過ABAQUS有限元軟件對基坑進行了數值模擬[2]。周念清等采用三維有限差分法對基坑降水進行了模擬計算，模擬結果與地下水位實際監測數據十分吻合[3]。孔德森等通過建立二維有限元彈塑性分析模型采用強度折減法對軟土深基坑坑底抗隆起情況進行了穩定性分析[4]。吳忠誠等通過深基坑復合土釘墻支護大型現場原位測試對比FLAC3D模擬，得出通過建立的三維數值模擬分析模型能夠反映復合土釘支護的基坑在開挖過程中的受力和變形特征[5]。蔡海波等通過對基坑在原有設計基礎上沿深開挖深度的工況下進行模擬計算，優化了原有設計的支護方案[6]。吳意謙等對濕陷性黃土地區深基坑進行了模擬計算，與現場監測結果較為一致，為基坑的合理設計與安全施工提供了科學依據[7]。丁勇春等通過計算模擬出臨江基坑在考慮江內潮位變化情況下基坑支護結構的穩定性[8]。可見數值模擬方法在基坑工程優化設計、穩定性預判中應用廣泛，通過現場監測數據驗證了計算結果的合理性。結合考古發掘坑與基坑的類同性，選擇性地引入基坑穩定性預判的理論方法應用到考古發掘探方的穩定性預判之中，對于考古發掘具有重要意義。

FLAC3D軟件能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形，具有強大的前后處理功能，在巖土工程問題中應用廣泛[9-12]。本文采用FLAC3D軟件。選取浙江大學紫金港校區巖土條件為基本工況，模擬了開挖深2.4m、長寬均為5.0m的模擬考古直立探方，開展了FLAC3D計算軟件在考古探方穩定性預判中的探索。

2 試驗場地概況

2.1 試驗地點

現場試驗選擇在浙江省科技考古與文物保護技術研究試驗基地。該場地位于浙江省杭州市浙江大學紫金港校區。

2.2 試驗場地與史前考古遺址的相似性

通過現場調查，場地土體為物理力學性質差的黏土、淤泥質粉質黏土；場地地下水位為0.8m，且試驗基地周邊有多處池塘、水田。該場地的土體條件、地下水情況與良渚遺址的考古環境相似。

2.3 巖土條件及地下水

試驗基地現場勘察表明，試驗場地地層自上而下依次是：

素填土：黃褐色內部有較多裂隙，裂隙寬1—2cm，土體厚度80cm。

雜填土：主要由磚塊、水泥塊及夾雜其中的碎土組成，力學性質較差、透水性好。土體厚度35cm。

素填土：深褐色，土體內部有水平發育空隙，空隙內有細沙充填。土體厚度35cm。

淤泥質黏土：灰黑色，土質均勻，流塑性，土體性質較差。土體厚度20cm。

黏土：黃色，土質均勻，軟塑性，小孔隙發育，土體疏松，性質較差。土體厚度70cm。

黏土：青灰色，土質均勻，可塑性，無裂隙發育，土體性質較差。

各土層的物理力學參數如表1所示。

場地的地下水豐富，周邊有多處池塘、水田，現場地下水位一般位置在0.8m附近，隨天氣變化而波動，波動幅度0.1m。

3 模擬開挖方案及方法

3.1 模擬工況及方法

試驗現場為典型潮濕環境，池塘、河流、湖泊等地表水豐富，降水量大，導致地下水位高且補給源充足，為使模擬現場考古發掘作業正常進行，在模擬探方開挖過程中以及后期文化層信息提取收集過程中必須全程實施降排水措施，將地下水降至考古探方底部以下，減少地下水的不良影響。

由于實驗現場土層多為滲透性極差的黏土組成，地下水滲透緩慢，滲透壓力對于模擬探方穩定性影響相對較弱，同時為簡化計算，本次模擬計算僅考慮地下水面以下的土體采用飽和狀態下的物理力學參數，地下水位面以上的土體采用天然狀態下的物理力學參數進行模擬計算。

3.2 開挖、邊界、網格

模擬開挖可認為是平面應變問題而且開挖探方模型對稱，可以將模型簡化為二維問題并選取一半作為計算對象。模型的高度為12m，長15m，在FLAC3D中對模型按現場土層情況進行分組，模型由6360個單元（zones）和9882個節點（grid-

points）組成。

數值模擬計算的土體本構模型采用Mohr-

Cloumb模型，除開挖探方所形成的邊坡及坑底設為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，限制其在法向方向以及切向方向的位移，模型的四周方向為單向邊界，限制其在法向方向的位移。

3.3 模擬開挖方案

基于史前考古土遺址發掘實踐及FLAC3D模擬軟件的可實施性，模擬開挖方案為：開挖分為四步進行，每次開挖0.6m，最終開挖深度2.4m，開挖情況如圖1所示。

4 模擬分析結果及穩定性預判

4.1 位移云圖

位移監測可以直接反應出數值計算中模型監測位置的變形情況，也可推演出現實情況下對應位置的變形情況，結合現場地質條件的認識便可判別出對象的穩定性以及潛在破壞的位置，而且在生產實踐中位移的監測較應力的監測更加簡便、精確。

由水平位移云圖2可知，水平橫向位移主要集中在坑壁附近，隨開挖不斷進行變形范圍逐漸增加，且位移量也逐漸增大；坡腳處也出現水平位移，且隨著開挖進行，出現水平位移的范圍逐漸增大。

圖3為每次開挖結束后坑壁最終達到穩定狀態時位移情況，Y軸為基坑深度，X軸為坑壁的水平位移值，負值表示位移方向向探方內部位移，反之正方向表示向探方外側位移。由監測結果可知，第一次開挖，開挖深度為0.6m相對較淺，水平位移量較小，在1mm左右；第二次開挖0.6m，模擬探方深度為1.2m，由坡頂至坡底水平位移量逐漸增大，1.0m處水平位移量達到極值；第三次開挖0.6m，模擬探方深度為1.8m，由坡頂至坡底水平位移量先增大后減小，在1.5m處時水平位移量達到極值1mm；第四次開挖0.6m，模擬探方深度為2.4m，由坡頂至坡底水平位移量先增大后減小，在1.75m處時水平位移量達到極值3.9mm。

4.2 安全系數

FLAC3D中對于邊坡穩定性的數值模擬常用方法為強度折減法，即通過降低巖土體的參數，使得邊坡剛好達到臨界破壞狀態，此時對于巖土體的抗剪強度進行的折減程度即定義安全系數。安全系數為巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后剪切強度的比值。在數值計算中分別采用強度折減法計算每次開挖后探方模型的安全系數，四次開挖完成后的安全系數如圖4所示。

由圖可知隨開挖深度不斷增加坑壁的安全系數逐漸降低，四次開挖完成后的安全系數分別為14.71、4.86、2.93、2.37，第二次開挖完成后，安全系數降低幅度最大，后兩次開挖完成后安全系數變化值相對較小。

4.3 剪應變增量

模擬開挖完成后探方外土體的剪應變增量云圖及位移矢量云圖如圖5所示。圖中箭頭方向代表對應單元的位移方向，箭頭長度代表位移值的相對大小，由圖可知在模型開挖完成后，坑壁有向坑內滑移的趨勢，坑壁處位移量最大，其后面土體的位移量逐漸降低。

由剪應變增量云圖可知剪應變增量分布呈“帶”狀分布。土體的破壞主要有兩種：拉伸破壞與剪切破壞[13]。本次模擬中拉伸塑性區主要位于模擬探方外側后緣1.5m—2.0m處，沿垂向發育深度約為1.5m，此區域土體受水平向拉應力作用，當拉應力超出土體的極限抗拉強度，此區域便會出現后緣拉裂縫。剪切塑性區主要位于坑壁2.0m—2.4m處，與坑壁呈45°夾角，在距頂部2.3m的坑壁處剪應變增量最大。

5 分析與討論

5.1 位移云圖

隨著開挖不斷進行，變形量逐漸增大，坑壁的變形曲線逐漸呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，極值點附近即為此模擬探方的危險帶。危險帶位于距頂部1.75m左右，此處地層為淤泥質粉質黏土與黃色黏土，土體物理力學性質極差，所以在開挖完成后，由于開挖卸荷出現臨空面。坑壁下部土體作為主動區，失去了被開挖掉的探方內被動區土體的支撐，所以此處將會產生較大變形。此處將是重點監測、治理地帶。最終開挖完成后的變形量最大值僅為3.9mm，約為直立探方開挖深度的1.6‰，變形值相對較小，不會對考古探方內的文化層信息造成破壞。

5.2 安全系數

第一次開挖完成后，開挖深度為0.6m模型安全系數14.71。第二次開挖完成后，模型深度達1.2m，模型的安全系數降低至4.86，其穩定性大幅降低。后面兩次開挖完成后模型的安全系數變化量小，但安全系數相對較小。

最終模型的安全系數為2.37，安全儲備足。在降排水的條件下除發生極端事件，使初始條件發生明顯變化外，考古探方是可以達到穩定狀態的，即在本次模擬的工況下進行現場開挖是不會出現失穩破壞情況的。

5.3 剪應變增量

巖土體的破壞是由于某一面上的剪應力達到了巖土體的剪切強度，此時剪切面上必然發生了較大的剪切變形。通過剪應變增量云圖的情況即可判斷出潛在滑移面的位置[14]，通過剪應變增量的貫通也可作為邊坡變形破壞的準則[15]。此剪應變增量云圖是在對土體參數進行不斷折減的情況下獲取的，由此可以預知由于土體的力學性質降低而引起的滑移破壞情況。

可看出潛在滑移帶所在位置，在開挖初期由于開挖形成臨空面，改變了初始穩定狀態，臨空面出現向探方內部位移趨勢，后部開始出現拉張帶，約束臨空面的位移。隨開挖深度增加，臨空面增大，拉張帶垂向延伸發育，坑壁底部出現剪切帶。可以看出兩者均在各自相應方向發育，但兩者并未貫通，由此可知在浙江大學紫金港校區內進行的現場模擬史前考古發掘直立探方，在降排水措施下是不會出現失穩破壞的；模擬探方潛在剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處，此區域為易破壞區域，應重點監測其位移變化情況。

6 結 論

通過FLAC3D數值模擬軟件對浙江省杭州市浙江大學紫金港校區內尺寸（長×寬×深）為5m×5m×2.4m的直立式模擬考古探方的計算得出如下結論：

（1）隨著開挖進行，坑壁變形量逐漸增大，曲線形狀呈“弓”型，水平位移由頂部至底部先增大到極值后減小，危險帶位于距頂部1.75m附近的坑壁處。

（2）在降排水的條件下，模擬探方開挖完成后最終穩定系數為2.37。

（3）得出了潛在滑移帶所在位置，坑壁剪切塑性區剪出口位于坑壁2.0m—2.4m處，此處為易破壞區域。

（4）據計算結果為現場考古模擬發掘試驗提供參考，為直立式考古探方穩定性預加固提供依據。可見，通過采用數值模擬軟件FLAC3D，可以為我國東南方潮濕地區考古發掘探方穩定性預判及預加固提供可靠依據。

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