某機場擬建跑道滲流與應力耦合分析

丁一聰 石維浩 劉宏

摘 要：近年來國家基礎設施在快速發展，機場建設進入高速發展階段，而針對由飛機荷載、地下水升降等因素引起的機場地基沉降問題對機場道槽沉降的影響卻鮮有研究。文章通過使用Geo-Studio軟件中的SEEP/W計算出擬建機場跑道滲流場，再通過SIGMA/W模塊耦合計算出滲流場與應力場作用下的地基沉降。結果表明：（1）地下水位的升降和荷載作用下對道槽區影響較小;（2）百年一遇水位以上的土體有效應力幾乎不受水位升降影響，其余土體水位下降有效應力增大，特別是枯水期水位以下土體在水位降低后有效應力增幅很大;（3）在上部荷載作用下，土體沉降量由上至下逐漸減少。枯水期水位有效應力大于另兩個工況，故沉降量最大。

關鍵詞：飛機荷載;地下水升降;Geo-Studio;耦合計算;滲流場與應力場

中圖分類號：P642.2? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0147-03

從19世紀開始，地下水位的下降引起的地面沉降現象就被人們發覺，但是，由于當時地下水位下降較少引起的地面沉降量不大，對地面構造物的影響不大，所以沒有得到重視。

到了20世紀時，由于人們加大了地下水的開采，地下水位下降較為迅速，導致地面構造物的變形也增大，引起了人們的重視。宮本直巳提出了地面發生大面積沉降是由于大量地下水被開采引起地下水位下降所導致的[1];冉啟全等建立了地面沉降計算模型，對滲流、變形和沉降進行了模擬[2]。孫承志等對于北京東郊區域的沉降資料進行了分析，地面的沉降量跟地下水位變化呈正相關，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];趙建康等對浙江濱海平原的地面沉降資料和地下水位觀測數據進行了分析和整理，研究發現，地下水位呈現季節性的升降，地面沉降也發生了季節性的變化[4];王文良等通過室內試驗研究發現，地下水位上升對樁基變形及承載力有明顯的影響[5];顧強康等基于剛性道面PCN值理論基礎，建立了基于“地基-道面-飛機荷載”相互作用的道面結構三維有限元分析模型，研究表明高填土機場道面板底面最大拉應力與地基不均勻沉降呈線性關系[6]。

由此可見，地下水位的變化所引起的工程問題得到了學者越來越多的研究，但目前主要是研究由于基坑排水導致水位變化的情形。目前針對機場地基不均勻沉降問題即大面積堆載的沉降變形計算和飛機沖擊荷載、地下水升降等因素對機場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道面結構的影響具有重要的意義。

文章介紹了由Modflow計算場區枯水期工況、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，使用穩定滲流計算出擬建跑道的滲流狀況，再耦合SIGMA/W模塊計算擬建跑道在滲流以及上覆堆積荷載下的沉降。

1工程概況及參數選取

1.1工程概況

場區地表水系和地下水發育、地下水位高、地基滲透性強、液化土分布范圍廣。在水位上升期，長期浸泡滲透作用可能降低地基承載力并可能導致較大的沉降，出現道面病害，故地下水問題是本工程的關鍵問題。

1.2計算參數

1.2.1道面荷載與飛機荷載

機場道面面層厚度為0.36m，重度為25kN/m3，上基層和下基層分別為0.20m，重度為24kN/m3，因此道面對原地基產生的荷載大小為18.60kPa。

根據前期巖土工程初步勘察報告將貢嘎機場飛行區設計指標為4E，按空客A-330-300最大荷載2339KN考慮，飛機荷載為28.8kPa。

1.2.2物理力學參數

2計算模型

選取機場新建跑道西端剖面ZP08進行二維地基沉降數值模擬分析。剖面的平面示意圖如圖1所示。經由Modflow軟件模擬計算出枯水期水位為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。

為了便于計算，根據地質勘察成果，將地層概化，如圖2計算模型剖面圖所示。在模型兩端賦予水力邊界條件;在跑道和滑行道賦予應力邊界條件;模型左右兩側為x方向零位移約束，模型底邊界為y方向零位移約束。

3計算結果與分析

如表2為地基沉降模擬結果。圖3～圖8為ZP08剖面沉降位移等值線圖。

因飛機荷載只在短時間內對道面施加荷載，故圖4只計算模型在荷載下的沉降。

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

提取相同5個點在三種工況下的沉降量，繪制曲線如圖10。上部荷載對土體影響由上至下逐漸減小，1～5號點沉降量逐漸減小。因為地下水位的下降會導致水位以下土體有效應力增大，從而使得水位以下的土體發生較大沉降，故枯水期工況下的沉降量大于另外兩個工況下的沉降量。

4結論

通過改變場區的滲流場以及在道槽區堆加上覆荷載模擬（滲流與應力耦合），計算出道槽區的沉降量如表2。需要關注的是在飛機荷載作用下，道槽區沉降量為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生不均勻沉降），道槽區沉降量為6～26mm，低于沉降指標，符合要求。分析了三種工況下有效應力隨位移（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。得出結論：

（1）地下水位的升降和荷載作用下對道槽區影響較小。

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

（3）在上部荷載作用下，土體沉降量由上至下逐漸減少。枯水期水位有效應力大于另兩個工況，故沉降量最大。

（4）地下水水位上升土體沉降量有所恢復，水位再下降沉降量變大。

參考文獻：

[1]宮部直巳.地面沉降的研究方向[A].上海市地質處編選，國外地面沉降論文選譯[C].北京：地質出版社，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算模型[J].中國地質災害與防治學報.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采與地面沉降[J].高校地質學報.2006，12（2）：185-194.

[5]王文良，王曉謀，馬溪.地下水對黃土群樁基礎影響的試驗研究[J].中國公路學報，2015，28（09）：16-23.

[6]顧強康，李寧，黃文廣.機場高填土地基工后不均勻沉降指標研究[J].巖土力學，2009，30（12）：3865-3870.

基金項目：中國民航機場建設集團有限公司科研項目（JSRDKYN201812）