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1、第 24卷第 13期岩石力学与工程学报Vol.24 No.13 2005 年 7 月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringJuly， 2005 收稿日期： 20040326；修回日期： 20040513 基金项目： 国家基金委创新研究群体基金项目(50221402)；教育部科学技术研究重大基金项目(10405) 作者简介： 何满潮(1956)，男，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任中国矿业大学教授、中国地质大学特聘教授、博士生导师，主要从 事软岩、边坡、工程地质、地热工程及工程岩体三维可视化等方面的教学与研究工作。E-m
2、ail： 。 国家重点文物保护工程高句丽将军坟 变形破坏机理研究 何满潮 1，2， 刘成禹1，王树仁3，杨国兴4，毛利勤2， 王新波4 (1. 中国矿业大学 (北京校区 ) 力学与建筑工程学院，北京 100083 ；2. 中国地质大学工程技术学院，北京 100083 ； 3. 北京科技大学土木与环境工程学院北京 100083 ；4. 总装备部工程设计研究总院北京 100028) 摘要： 在现场调研和工程地质勘察的基础上，分析了高句丽将军坟变形破坏的特征，应用三维有限差分程序 FLAC 3D，模拟研究了高句丽将军坟分别在自重、局部地基软化和地下水渗流 3 种工况下的应力场变化和变形破坏 规律，揭
3、示了高句丽将军坟渐进变形破坏的机制：以软弱地基的固结压密为先导，继而引起坟体倾斜沉陷，造成 地基隆起、块石间位错张开，最终导致高句丽将军坟变形破坏的过程。研究结果对将军坟进行稳定性评价和采取 有效的防护对策有重要意义。 关键词： 数值分析；变形破坏机理；地下水渗流场 中图分类号： O 241 文献标识码： A 文章编号： 10006915(2005)13222005 STUDY ON DEFORMATION FAILURE MECHANISM OF GAOJULI S JIANGJUNFEN OF NATIONAL KEY CULTURAL RELIC PRESERV ATION ENGINE
4、ERING HE Man-chao 1，2，LIU Cheng-yu1，WANG Shu-ren3，YANG Guo-xing4，MAO Li-qin2，WANG Xin-bo4 (1. School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China； 2. School of Engineering and Technology，China University of Geosciences ，Beijing100083， China； 3.
5、Civil and Environmental Engineering School ，University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083，China； 4. The Engineering Design Research Institute of Equipment Department ，Beijing 100028，China) Abstract ：Based on the field investigation and the engineering geological exploration， the defor
6、mation failure characteristics of Jiangjunfen was analyzed. The changes of the stress field and the rules of the deformation failure of Jiangjunfen under three cases ，the gravity field and the local soft foundation and the ground water seepage field ，were researched respectively using FLAC technique
7、. The simulation results show that the deformation failure mechanism of Jiangjunfen is a gradual developing process. Firstly，the whole structure of Jiangjunfen subsided into the local soft foundation， then leading to the decline of the northern part of the structure， accompanying with the tensile fr
8、acture among stones and the heaving of the groundsill， and at last resulting in the stones sliding and the large scale structure deformation failure of Jiangjunfen. It is helpful to evaluate the stability of Jiangjunfen and to adopt preventing measures to control the evolutional deformation of Jiang
9、junfen with the 第 24 卷第 13 期何满潮等 . 国家重点文物保护工程高句丽将军坟变形破坏机理研究 ? 2221 ? research conclusion. Key words ：numerical analysis； deformation failure mechanism ；ground water seepage field 1 引言 近年来，由于人们对文物工程的认识程度有了 进一步的提高，因而，在文物工程保护方面，不断 加大了经济与技术投入的力度和规模，取得了不少 卓有成效的经验与成果。 由于文物工程形成的年代久远，受自身组成材 料、建筑结构、地质条件及周边环境
10、等多方面因素 影响，常造成不同程度的变形、损伤与破坏现象， 因此，采用新的技术手段和方法，弄清造成这种变 形、损伤与破坏的原因及其机理，对文物工程采取 及时有效的加固与防护对策，不仅具有重要的理论 意义，而且对工程实践也具有重要的指导意义。 本文以国家重点文物保护工程高句丽将军 坟 (以下简称将军坟)为工程背景，拟对其变形破坏 的机理进行研究，以采取有效的防护对策，为成功 申报世界文化遗产服务。 2 工程概况 将军坟位于吉林省集安市城北东约7.5 km 处， 为洞沟古墓群中现存最完整的大型石坟，外观呈方 坛阶梯型， 被誉为 “东方金字塔” 。据考古推断将军 坟是高句丽第20 代长寿王的陵墓，建
11、造于公元5 世纪初。 1961 年被首批列入国家重点文物保护工 程。为能成功申报世界文化遗产，特对其变形破坏 机理进行了立项研究。 2.1 地层岩性 将军坟位于鸭绿江及其支流的3 级阶地，地形 相对平坦，整体上北高南低；将军坟场区地层为第 四系中更新统冲、洪积阶地堆积物( al 2 Q)，岩性呈现 出明显的阶地二元结构，上部为细粒部分，主要为 含砂、砾石粘性土及细砂，下部为卵石。 2.2 地质构造 将军坟周围主要构造为凉水太平集安断 裂，该断裂所属的华夏系构造由SN 向的水平扭转 作用的构造应力形成。本区的新构造运动方式和缓、 平静。 2.3 地下水 由岩土工程勘察可知，将军坟场区地下水可分
12、为 2 层： (1) 上层滞水 含水层为粉质粘土，1 #孔静止水位埋深 3.65 m (高程260.93 m) ； 6 #孔静止水位埋深 4.00 m( 高程 257.92 m)，主要补给途径为大气降水，主要排泄途 径为大气蒸发。 (2) 深部潜水 含水层为细砂和卵石，静止水位埋深16.70 17.00 m( 高程 245.38246.96 m) ，主要为径流补给 排泄。 2.4 其他 据通化市地震局资料，该区抗震设防烈度小于 度，属不设防区。鉴于将军坟为国际闻名的历史 古迹，考虑到鸭绿江断裂中段历史上曾发生过中强 地震，震源浅，破坏较强，因此，将军坟按最低烈 度为度或度设防为宜。 集安市属亚
13、温带大陆性气候。 3 变形破坏特征 将军坟外观呈方坛阶梯型，底部为一层方形基 础石，边长约为32 m，厚为 0.45 m。其上 7 层阶坛 加顶盖石高为12.40 m。坟体表层由1 100 多块花岗 岩石块砌成，内部充填漂石、卵石和砂砾石土等。 方形的墓室建在阶坛顶部中央，边长约 5.5 m，高约 5.0 m。墓室通道开口方位SW232 。 将军坟的变形破坏主要有以下特征：沉陷倾斜、 追踪张裂、地面隆起、块石断裂、块石剥落、块石 外移以及块石倾斜等，前3 个特征属于整体变形破 坏，主要发生在将军坟的东北和西北侧面；后4 个 特征则属于局部变形破坏，在将军坟的4 个外侧面 与墓室及通道均有不同程
14、度发生。 3.1 整体变形破坏特征 (1) 沉陷倾斜 沉陷倾斜表现为多层阶坛整体沉陷倾斜，主要 体现在将军坟的东北侧面的右侧(如图 1 所示 )和西 北侧面的左侧 (如图 2 所示 )。 ? 2222 ? 岩石力学与工程学报 2005年 图 1 将军坟东北侧面沉陷倾斜、追踪张裂图 Fig.1 Deformation failure and crack on the northeast side of Jiangjunfen due to settlement 图 2 将军坟西北侧面沉陷倾斜、追踪张裂图 Fig.2 Deformation failure and crack on the nor
15、thwest side of Jiangjunfen due to settlement (2) 追踪张裂 追踪张裂与沉陷倾斜伴生，其特征是石块间的 缝隙加宽，追踪而上，局部伴随压裂现象，充填物 从石块间的缝隙处外露，主要表现在将军坟东北侧 面的右侧和西北侧面的左侧。 (3) 地面隆起 地面隆起由沉陷倾斜引起，表现为对应部位的 护基石隆起，主要分布于将军坟东北侧面的右侧(如 图 3 所示 )和西北侧面的左侧地表(如图 4 所示 )。 图 3 将军坟东北侧面护基石隆起图 Fig.3 Swelling deformation of bedstone on the northwest side of
16、 Jiangjunfen due to settlement 3.2 局部变形破坏特征 (1) 块石断裂 块石断裂在将军坟的4 个外侧面和墓室及通道 内普遍存在。断裂方向多为竖向，且多发生在块石 图 4 将军坟西北侧面护基石隆起图 Fig.4 Swelling deformation of bedstone on the northwest side of Jiangjunfen due to settlement 的角部；有些断裂则沿节理面发展，断裂方向受节 理面控制。 (2) 块石剥落 块石剥落在将军坟的4 个外侧面和墓室及通道 内普遍存在。剥落主要表现为沿块石顶面外缘凸起 的内侧向外、向
17、下发展的崩落，且多发生在块石的 边角部；有些剥落则沿节理面发展，剥落面的方向 受节理面控制。 (3) 块石外移 块石外移移距从几厘米到几十厘米不等。有些 块石是整体外移；有些块石只是一端外移；有些块 石则是一端外移，而另一端内移；有些块石的外移 同时带动了内填卵、漂石的外露；局部块石的外移 在整体上表现为整个阶梯块石的外移。 (4) 块石倾斜 块石倾斜主要表现在将军坟的4 个外侧面，倾 斜角度从几度到几十度不等。倾斜主要表现为内倾。 4 数值建模过程 4.1 地质模型 根据现场调研及工程勘察结果，将军坟的地质 模型如图5 所示。 图 5 将军坟的地质模型图 Fig.5 Geological m
18、odel 将军坟块 石阶坛 卵、 漂石垫层 粉质粘土层 卵石层 上层滞 水水位 潜水水位 北 第 24 卷第 13 期何满潮等 . 国家重点文物保护工程高句丽将军坟变形破坏机理研究 ? 2223 ? 4.2 数值建模 本文选用三维有限差分计算程序FLAC 3D(fast Lagrangian analysis of continua) 进行计算分析。该程 序尤其适用于模拟计算地质材料和岩土工程的力学 行为。根据计算对象的形状划分相应网格。FLAC 3D 程序包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功 能，可计算地质类材料的高度非线性、不可逆剪切 破坏和压密、粘弹(蠕变 )、孔隙介质的应力渗流 耦合
19、、热力耦合以及动力学问题等 1 。 FLAC 3D 程序建立在拉格朗日算法基础上，采用 显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量 )的 时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落。 本文主要采用各向同性弹性材料模型进行计算。构 建将军坟三维计算模型，计算范围下部地基长50 m， 宽 50 m，厚度取20 m，上部结构按前述尺寸建模。 将军坟数值模型的网格剖分如图6 所示。计算模型 共划分 37 992 个单元， 42 171 个节点。 图 6 数值模型的网格剖分图 Fig.6 Grid mesh of the numerical model 4.2.1 模型分类及边界条件 为了全面、客观地
20、揭示将军坟的变形破坏机理， 再现将军坟的变形破坏过程及预测将军坟的变形破 坏趋势，构建了以下3 个类型的数值模型： (1) 将军坟在自重应力场下固结沉降的数值模 型。 (2) 粉质粘土层固结压密局部积水条件下的数 值模型。 (3) 底部卵石层在潜水渗流作用条件下的数值 模型。 计算模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移 动，模型其余部分为自由面。在渗流分析中，依据 水文钻孔观测资料，在模型底部设定北高南低的潜 水面的最大水头差值为1.6 m 2，3。 4.2.2 数值模型计算参数 根据现场取样和岩土力学试验结果，并考虑到 岩石的尺度效应 4 ，计算采用的岩土物理力学参 数见表1。 表 1 岩土物
21、理力学参数表 Table1 Physico-mechanical parameters of rocks and soils 序号岩土名称 密度 /(kgm 3) 体积模量 /MPa 剪切模量 /MPa 1 花岗岩块石2 600 8 000 6 000 2 充填漂石、卵石、砂砾石土2 200 3 000 2 000 3 卵、漂石垫层2 000 60 40 4 粉质粘土层1 900 30 20 5 卵石层2 150 70 50 6 浸润填土层2 080 30 20 7 浸润粘性土层1 950 20 10 5 变形破坏机理分析 5.1 自重应力下的位移场特征 在自重应力下，地基基础在固结沉降的过程
22、中， 将军坟的位移场呈现为明显的中间大两头小的漏斗 型不均匀下沉 (如图 7 所示 )。该不均匀沉降的结果 将进一步增大粉质粘土层固结挤压密实的程度，从 而阻塞了地表浅部大气降水自北向南渗流的通道， 最终导致了将军坟北面表土层上部积水越来越多。 图 7 自重应力下固结沉降的位移场图(单位： m) Fig.7 Displacement field for consolidation settlement under gravity field(unit ：m) 5.2 局部积水条件下变形破坏特征 5.2.1 局部积水条件下的位移场特征 如图 8 所示，由于局部积水的浸润软化作用， 在重力荷载作用
23、下，出现了将军坟整体向北侧梯度 倾斜下沉的现象，并且发生了坟体和地基沉降不协 调的特征。一方面造成了将军坟向北侧倾斜下沉， 另一方面由于沉降不匀造成了护基石隆起的现象。 数值模拟结果与现场的变形破坏现象是一致的。 5.2.2 局部积水条件下的应力场特征 图 9 为局部积水条件下的最大主应力图。从图9 可以看出，在坟体的北侧与基础石接触部位出现了 南 北 南 ? 2224 ? 岩石力学与工程学报 2005年 图 8 局部积水条件下的竖向(z 方向 )位移图 (单位： m) Fig.8 Vertical( z direction) displacement field under the loca
24、l soft foundation (unit ：m) 图 9 局部积水条件下的最大主应力图(单位： Pa) Fig.9 Maximum principal stress field under the local hydrops (unit：Pa) 拉应力，然后在东北与西北两侧面，拉应力随阶坛 向上逐渐向斜上方扩展，直至坟体的顶部，这与现 场追踪张裂趋势是一致的；另外，在坟体北侧从基 础底面直至坟体顶部，出现了拉、压分区现象，最 大拉破坏位置位于坟体上部阶坛，这与现场的块石 间接触缝隙的大小变化情况是吻合的。 5.3 潜水渗流作用下的变形破坏特征 在基础底部卵石层潜水渗流作用下，同样出现 了
25、将军坟整体向北侧梯度沉陷倾斜的特征(如图10 所示 )。但下沉的量值较小，最大下沉量只占粉质粘 土层固结压密局部积水条件下沉降量的1/4 左右， 说明造成将军坟沉陷倾斜变形破坏的主要原因是粉 质粘土层固结压密局部积水条件所致，而底部卵石 层潜水渗流作用对将军坟的沉陷倾斜变形影响不 大。 6 结论 (1) 将军坟变形破坏的主要机制是：地基压密、 积水软化、变形拉裂、沉陷隆起。即整个坟体在自 重应力下使所作用的地基土发生压密，阻挡北侧地 图 10 潜水渗流作用下的竖向位移及流速矢量图(单位： m) Fig.10 Vertical displacement and flow vector under
26、 the condition of groundwater seepage(unit ：m) 表水向南渗流， 形成积水， 使北侧地基土发生软化， 软化后的地基和上部坟体共同作用，使坟体块石之 间发生变形拉裂，坟体倾斜沉降引起周围地表土体 发生隆起。 (2) 块石受整体变形破坏影响产生应力集中， 导致块石边角部应力较大，块石断裂和剥落多发生 在块石的边角部。此外，长时期的风化、大气降水 的浸润腐蚀等，也是造成条块石沿节理面剥落、损 伤的一个重要原因。 (3) 渗水加剧风化。如将军坟墓室内顶板(盖顶 石)大面积渗水， 尤其沿节理面的渗水在冬季易产生 冻涨劈裂。 (4) 造成将军坟整体倾斜变形破坏的
27、主要原因 是粉质粘土层固结压密后，形成局部积水软化地基 所致，基础底部卵石层潜水的渗流作用对上部坟体 结构造成的沉降影响较小。 参考文献 (References) ： 1 Itasca Consulting Group Inc FLAC 3D (2.0) user s manualR. Minnesota，USA：Itasca Consulting Group Inc.，1996. 2 陈平，张有天 . 裂隙岩体渗流与应力耦合分析J. 岩石力学与工 程学报，1994， l3(4)： 299308.(Chen Ping， Zhang Youtian. Coupling analysis of s
28、eepage/stress for jointed rockJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1994，l3(4)：299308.(in Chinese) 3 章根德，王羽，石占中 . 地质材料中的流固耦合研究J. 岩石 力学与工程学报， 2000， 19(增)： 856859.(Zhang Gende ，Wang Yu， Shi Zhanzhong. Study for fluid-solid-interaction in geological mediaJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2000， l9(Supp.)：856859.(in Chinese) 4 何满潮，景海河，孙晓明. 软岩工程力学 M. 北京：科学出版社， 2002.(He Manchao ，Jing Haihe ，Sun Xiaoming. Soft Engineering MechanicsM. Beijing ：Science Press ，2002.(in Chinese) 南 北 北 南 北 南