延安地區(qū)廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡的破壞機(jī)理分析

劉漢陽

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢430040）

延安地區(qū)廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡的破壞機(jī)理分析

劉漢陽*

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢430040）

近年來，我國北方黃土地區(qū)人工開挖引發(fā)的滑坡、崩塌災(zāi)害頻發(fā)，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了深入研究并取得了豐碩成果，這些成果主要關(guān)注人工開挖引發(fā)的黃土滑塌，針對(duì)廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡的研究卻寥寥無幾，因此本文的研究目的旨在揭開此類滑坡的破壞機(jī)理，為當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)提供參考依據(jù)。以延安市富縣三畝臺(tái)滑坡為例，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量資料復(fù)原滑前邊坡地質(zhì)模型，取各土層原狀樣獲取物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而利用Midas-GTS軟件在分析硐室方面的優(yōu)勢(shì)，分復(fù)原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個(gè)施工步進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析滑面上偏應(yīng)力q和抗剪強(qiáng)度qf的變化規(guī)律，最終揭示廢棄窯洞引發(fā)黃土滑坡的破壞機(jī)理。CU試驗(yàn)結(jié)果顯示，Q3天然黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有從軟化型漸變到硬化型的特征；Q2天然黃土均為應(yīng)變軟化型，含水量增大時(shí)，Q2黃土亦出現(xiàn)應(yīng)變硬化的特點(diǎn)。有限元結(jié)果表明，窯洞開挖后坡腳應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)但對(duì)邊坡整體應(yīng)力場(chǎng)的影響很?。桓G洞廢棄后洞內(nèi)水氣流通不暢，致使坡腳隔水層頂面土體含水量逐漸增加，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

破壞機(jī)理；窯洞；黃土滑坡；有限元法；三維模擬

我國目前居住在黃土窯洞中的人口約3000萬，窯洞總建筑面積約為1.7×108m2,廣泛分布在陜西、山西、寧夏、甘肅、青海、河南西部等地區(qū)[1]。眾所周知，修建窯洞往往需要對(duì)自然邊坡斬腳、挖洞，從而打破了邊坡的自然穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而可能誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)相關(guān)資料記載，因人工開挖誘發(fā)黃土滑坡造成傷亡的案例時(shí)有發(fā)生。2004年5月23日，志丹縣街道辦城隍廟溝高志金家削坡建窯，引發(fā)黃土滑坡，造成1死3傷；2007年10月3日青平川采油廠因邊坡開挖誘發(fā)滑坡，直接經(jīng)濟(jì)損失200多萬元。目前，學(xué)者對(duì)人工開挖的邊坡關(guān)注越來越多，卻忽視了廢棄窯洞的危害，事實(shí)上，廢棄窯洞也可能引發(fā)滑坡。2005年10月12日發(fā)生的延安市富縣三畝臺(tái)滑坡就是窯洞廢棄引發(fā)滑坡的典型案例。

本文以三畝臺(tái)滑坡為例，首先根據(jù)周圍未擾動(dòng)的地形復(fù)原滑坡，結(jié)合裸露的滑坡后壁和剪出口位置確定主滑面形態(tài)，再往兩側(cè)擴(kuò)展為三維圓弧滑面，建立含滑面的三維有限元模型[2]?？紤]到邊坡上部和卵礫石層頂面的Q2黃土含水量不同，分別取一組Q3黃土和兩組Q2黃土原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲取土層的強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)。然后利用Midas-GTS軟件分復(fù)原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個(gè)施工步進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到邊坡的應(yīng)力場(chǎng)，再沿潛在滑面線提取各單元的主應(yīng)力參數(shù)σ1、σ2、σ3，進(jìn)而計(jì)算平均主應(yīng)力p、偏應(yīng)力q、應(yīng)力羅德角θ以及抗剪強(qiáng)度qf，繪制各階段滑面線附近各單元的q和qf關(guān)系曲線，最終揭示廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡的破壞機(jī)理[3]。

1 滑坡概況

三畝臺(tái)滑坡位于陜西省延安市富縣茶坊鎮(zhèn)羅家塔村三畝臺(tái)組?；掳l(fā)生于2005年10月12日22時(shí)，滑前無降雨，坡頂無開裂跡象，滑坡發(fā)生時(shí)速度極快，事故造成2人死亡，1人被氣浪掀出幸存，原坡腳的4孔窯洞和前排5間民房全部被毀。

三畝臺(tái)滑坡位于羅家塔河二級(jí)階地(T2)上，地層由上至下依次為Q3黃土、Q2黃土以及河流相的卵礫石層。Q3黃土厚約8m，Q2黃土厚約為22m，卵礫石層厚約5～6m，其中卵礫石層頂面的Q2黃土含水量較高，厚度約4m?；螺喞逦?，后緣無明顯裂縫及落水洞，坡頂裸露滑坡后壁直立，高差2～5m，邊坡高33m，坡度72°，滑體長(zhǎng)37m，寬26m，最大厚度15m，坡腳4孔拱形窯洞長(zhǎng)均6m，寬3m，高2.5m（見圖1、圖2）。調(diào)查走訪時(shí)發(fā)現(xiàn)，毀壞窯洞均已廢棄，洞內(nèi)昏暗潮濕，裂隙發(fā)育，局部土體已經(jīng)坍塌，而正在居住的窯洞，通風(fēng)良好，土體干燥，洞內(nèi)無明顯裂縫，洞壁洞頂穩(wěn)定。

圖1 三畝臺(tái)滑坡實(shí)測(cè)地形圖

圖2 三畝臺(tái)滑坡地質(zhì)剖面圖

2 參數(shù)測(cè)試與選取

2.1 CU試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)取一組Q3黃土，兩組Q2黃土原狀樣，其中一組為Q2天然黃土，一組位于卵礫石層頂面附近。分別對(duì)三組土樣做常規(guī)試驗(yàn)和CU試驗(yàn)，CU試驗(yàn)采用應(yīng)力—應(yīng)變控制式三軸儀，圍壓依次為100、200、300、400kPa。三組土樣的物理力學(xué)參數(shù)見表1，CU試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 滑坡區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)表

由試驗(yàn)可見，Q3天然黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有從軟化型漸變到硬化型的特征，各圍壓下Q2黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型，軟化比介于0.47～0.85。剪切過程中Q3、Q2天然黃土兩組試樣均無孔隙水壓力，即總應(yīng)力強(qiáng)度和有效應(yīng)力強(qiáng)度相同。當(dāng)含水量增大時(shí)，100kPa圍壓下的Q2黃土曲線具有應(yīng)變軟化的特點(diǎn)，200～400kPa圍壓下曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。固結(jié)穩(wěn)定后土體中孔壓為零，剪切初期孔壓很小，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，孔壓不斷增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定。卵礫石層頂面的黃土含水量較大但遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)，土體中有大部分孔隙被氣體充填。當(dāng)土樣在圍壓作用下固結(jié)穩(wěn)定后，孔壓降至0。剪切開始時(shí)，由于土樣未飽和，加上體應(yīng)變較小，此時(shí)基本無孔壓，因此總應(yīng)力和有效應(yīng)力路徑重合，隨著孔隙內(nèi)氣體的排出，體應(yīng)變?chǔ)舦不斷增大，從某一點(diǎn)開始產(chǎn)生孔壓，并持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)有效應(yīng)力路徑開始向左偏移，但最終偏移量較小，因此其總應(yīng)力和有效應(yīng)力強(qiáng)度相差不大，卻明顯小于天然狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)。

2.2 參數(shù)計(jì)算

在p-q坐標(biāo)系中，當(dāng)試樣達(dá)到破壞時(shí)，各路徑曲線的終點(diǎn)近似一條直線，故可通過各路徑的終點(diǎn)做直線，即破壞主應(yīng)力線，簡(jiǎn)稱為Kf線[4]。設(shè)Kf線的傾角α，與q軸的截距為d，α和d與c和φ的關(guān)系。

根據(jù)幾何關(guān)系得到式(1)、(2)，由此求出強(qiáng)度參數(shù)c、φ。

3 數(shù)值模擬

為了反映邊坡不同階段應(yīng)力場(chǎng)的變化，有限元分為復(fù)原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個(gè)施工步進(jìn)行模擬。模擬窯洞廢棄時(shí)，根據(jù)含水量將Q2黃土分為上下兩層。建模時(shí)，利用關(guān)于主剖面對(duì)稱的拋物線方程將二維滑面擴(kuò)展成三維滑動(dòng)面[2]，用擴(kuò)展的滑動(dòng)面和分別過窯肩、窯間、窯頂?shù)?條剖面將模型分割后，再劃分網(wǎng)格，從而保證滑面線與實(shí)體單元的邊界線重合，以便提取滑面線上的應(yīng)力分量。在此基礎(chǔ)上，選用Midas-GTS進(jìn)行施工階段的應(yīng)力分析，材料的屈服準(zhǔn)則選為摩爾—庫倫，本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性，參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取值（見表2），圖3為該滑面的三維數(shù)值模型，圖3中邊坡走向約70m，坡腳4孔窯洞長(zhǎng)6m，寬3m，高3m，3條剖面為分別1-1′、2-2′（圖4）、3-3′。

表2 有限元模擬各土層參數(shù)取值

圖3 三維數(shù)值模型

圖4 剖面2-2′示意圖

在后處理階段，提取剖面與滑面交線附近單元的主應(yīng)力分量σ1、σ2、σ3，根據(jù)公式(3)～(5)算出各單元的平均主應(yīng)力p、偏應(yīng)力q、應(yīng)力羅德角θ，將p、θ代入式(6)得到單元屈服時(shí)的偏應(yīng)力qf，作出不同階段滑面線附近土體單元q與qf的關(guān)系曲線，分析比較各階段滑面土體單元的偏應(yīng)力、抗剪強(qiáng)度，從而獲取滑坡失穩(wěn)破壞過程中在滑動(dòng)面上的響應(yīng)，最終揭示此類滑坡的破壞機(jī)理。為了對(duì)比方便，在復(fù)原邊坡階段，3-3′剖面中的滑動(dòng)面與窯洞相交部分不予考慮。

表明，自然斜坡一旦開挖成直立邊坡，潛在滑面上的大部分土體單元已經(jīng)屈服，但由于臨近坡頂?shù)膯卧杂幸欢ǖ陌踩珒?chǔ)備，此時(shí)邊坡穩(wěn)定；揭示了窯洞開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放對(duì)窯肩附近滑面線上的單元應(yīng)力影響不明顯，僅在坡腳產(chǎn)生小于30kPa的應(yīng)力波動(dòng)，但潛在滑面線上的屈服范圍向坡頂延伸了5m；由于下部Q2黃土的含水量明顯增加，造成滑面上土體單元的抗剪強(qiáng)度降幅高達(dá)150kPa，此時(shí)超出剪應(yīng)力不斷向周圍未屈服單元卸載，使得潛在滑面線的屈服范圍進(jìn)一步向坡頂延伸，直至潛在滑動(dòng)面附近的土體單元全部屈服，形成貫通面，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)并開始后滑動(dòng)。

由于剖面2-2′的滑面線穿過4孔窯洞中間，因此人工削坡產(chǎn)生的坡腳應(yīng)力集中程度更高，增量達(dá)到200kPa；坡腳修建窯洞產(chǎn)生的應(yīng)力釋放較窯間大，約為50～100kPa，潛在滑面線的屈服范圍也擴(kuò)展了4m；坡腳土體單元的應(yīng)力釋放造成了相鄰?fù)馏w單元應(yīng)力集中，增幅高達(dá)500kPa。

剖面3-3′經(jīng)過窯頂中心，導(dǎo)致修建窯洞時(shí)，窯頂附近土體單元的應(yīng)力發(fā)生明顯下降，降幅約50kPa。

以上分析表明，自然斜坡經(jīng)人工削坡斬腳后，坡腳會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且窯間的集中程度最高，此時(shí)靠近坡腳的大部分土體已屈服，但臨近坡頂?shù)耐馏w單元仍有相當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備，因此邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。修建窯洞會(huì)引起坡腳土體應(yīng)力釋放，但附近單元可能應(yīng)力集中，不過對(duì)整個(gè)邊坡的應(yīng)力分布影響不大，屈服范圍亦擴(kuò)張有限，此時(shí)邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，無安全隱患。

窯洞廢棄后，洞內(nèi)常年陰暗潮濕，加上前排房屋擋風(fēng)、遮光等諸多原因?qū)е缕履_土體含水量逐漸增加，強(qiáng)度參數(shù)不斷降低，邊坡屈服范圍逐步擴(kuò)大并向坡頂干燥土層延伸，最終導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)滑動(dòng)。由于最后屈服的土體單元位于坡頂干燥土層，此時(shí)坡頂土體應(yīng)力已高度集中，因此這種黃土滑坡具有突發(fā)、快速的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明：Q3天然黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)出由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化漸變的特征，而Q2天然黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型，當(dāng)含水量增大時(shí)，Q2黃土強(qiáng)度急劇下降，應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。

(2)自然斜坡形成直立邊坡后，坡腳土體應(yīng)力驟升并迅速達(dá)到屈服強(qiáng)度，而臨近坡頂?shù)膯卧€有一定的安全儲(chǔ)備，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。修建窯洞雖然造成坡腳應(yīng)力產(chǎn)生較大波動(dòng)，但對(duì)整個(gè)邊坡的應(yīng)力場(chǎng)影響較小，屈服范圍亦擴(kuò)張有限，此時(shí)邊坡無安全隱患。窯洞廢棄后，洞內(nèi)土體水氣流通不暢，使得坡腳隔水層頂面土體含水量逐漸增大，其抗剪強(qiáng)度不斷減低，屈服范圍逐漸擴(kuò)大并向坡頂延伸，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。由于最后屈服的土體單元位于坡頂，其土體干燥且應(yīng)力已高度集中，因而這種黃土滑坡具有突發(fā)、快速的特點(diǎn)。

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A

1004-5716(2015)11-0014-04

2015-06-10

2015-07-10

劉漢陽（1981-），男（漢族），湖北漢川人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害方面的勘察與設(shè)計(jì)工作。