蘭州丘陵溝壑區(qū)挖方黃土高邊坡面臨的工程地質(zhì)問題及穩(wěn)定性分析

蒲小武， 王蘭民，吳志強(qiáng)， 劉 琨， 趙文琛， 馬林偉, 任 棟

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

?

蘭州丘陵溝壑區(qū)挖方黃土高邊坡面臨的工程地質(zhì)問題及穩(wěn)定性分析

蒲小武1,2， 王蘭民1,2，吳志強(qiáng)1，2， 劉 琨1,2， 趙文琛1,2， 馬林偉1,2, 任 棟1

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

通過對蘭州黃土丘陵溝壑區(qū)大量黃土挖方高邊坡的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些剛開挖不久的黃土邊坡多數(shù)都出現(xiàn)了不同程度的工程地質(zhì)問題，如卸荷裂隙、坡面沖溝、落水洞、局部滑塌等。通過有限元方法，對挖方過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示挖方后的位移場、應(yīng)力及應(yīng)變場都出現(xiàn)了顯著變化，挖方后的應(yīng)力釋放與局部集中、卸荷作用、風(fēng)化作用及雨水沖刷等內(nèi)因與外因及其相互作用是出現(xiàn)各種工程地質(zhì)問題的根本原因，而這些問題又會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)不同程度的降低。黃土丘陵溝壑區(qū)的自然邊坡在天然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定，用不同計(jì)算方法計(jì)算的安全系數(shù)達(dá)1.7左右；人工切坡以后坡度變陡，邊坡整體穩(wěn)定性下降，安全系數(shù)下降了約0.6；在Ⅷ度烈度地震作用下挖方邊坡處于臨界狀態(tài)，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在該類場地上的建設(shè)工程項(xiàng)目中必須重視挖方邊坡的抗震設(shè)防問題。

削山造地; 挖方邊坡; 工程地質(zhì)問題; 穩(wěn)定性

0 引言

黃土是一種特殊土類，有特殊的微結(jié)構(gòu)，具有水敏性和地震易損性等物理力學(xué)性質(zhì)[1-2]。當(dāng)黃土遭遇中強(qiáng)地震作用或遇水浸濕時(shí)，其微結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度喪失，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[3-8]。黃土高原是我國黃土主體分布區(qū)，地形地貌復(fù)雜，新構(gòu)造活動強(qiáng)烈，強(qiáng)震頻發(fā)，中強(qiáng)以上地震就會誘發(fā)大量的黃土滑坡災(zāi)害[9-12]。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，各地利用切坡造地、削山造地的方式獲取新的土地資源，極易造成城鎮(zhèn)毗鄰于黃土高邊坡之側(cè)而面臨潛在的滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)《蘭州市土地規(guī)劃(2011—2015年)》，蘭州市區(qū)黃河以北的青白石—九州—忠和片區(qū)已經(jīng)被規(guī)劃為建設(shè)用地的重點(diǎn)區(qū)域。2012年啟動的“蘭州新城”建設(shè)項(xiàng)目中預(yù)計(jì)要推平700多座荒山，開發(fā)整理青白石低丘緩坡等未利用土地，為城市發(fā)展提供新的建設(shè)用地。隨著該項(xiàng)目的實(shí)施，必將會產(chǎn)生大量的高陡黃土邊坡。

由于城鎮(zhèn)地帶人口密集, 人類工程活動強(qiáng)烈, 人與地質(zhì)環(huán)境相互作用機(jī)制復(fù)雜, 稍有不慎便有可能引起地質(zhì)環(huán)境破壞, 甚至引發(fā)重大地質(zhì)災(zāi)害, 導(dǎo)致群死群傷和巨大財(cái)產(chǎn)損失等災(zāi)害事件的發(fā)生。2009 年 5 月 16 日晚21點(diǎn)蘭州市九州臺山體發(fā)生滑坡，滑坡體推倒1棟6層樓的2個(gè)單元，導(dǎo)致7死1傷的嚴(yán)重傷亡事故。這一傷亡代價(jià)還是在有關(guān)人員發(fā)現(xiàn)山體異動后及時(shí)做出預(yù)警的結(jié)果。如果遭遇尚不能準(zhǔn)確預(yù)知的突發(fā)性強(qiáng)震作用，就會誘發(fā)規(guī)模更大的突發(fā)性地震滑坡，造成難以估量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

本文擬通過對蘭州黃河北丘陵溝壑區(qū)削山造地邊坡工程地質(zhì)問題的現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算，分析該場地上的邊坡穩(wěn)定性，以期對未來的工程建設(shè)場地規(guī)劃利用有所裨益，最大限度地規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的可能性。

1 削山造地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境與面臨的工程地質(zhì)問題

1.1 地質(zhì)環(huán)境狀況

蘭州地處青藏高原與隴西黃土高原交接帶附近，處于馬銜山—霧宿山NWW向構(gòu)造帶與大黃山—積石山NNW向構(gòu)造帶交匯復(fù)合部位。根據(jù)甘肅省地震區(qū)帶劃分，該區(qū)處于青藏高原東北緣天水—蘭州—河西走廊地震帶。1125年曾經(jīng)在馬銜山斷裂帶發(fā)生了7級地震，產(chǎn)生了大規(guī)模的滑坡和大量地裂縫。1995年永登5.8級地震是有儀器記錄以來發(fā)生的對蘭州市影響較大的破壞性地震，出現(xiàn)了許多滑坡及震陷災(zāi)害。

本文研究的削山造地區(qū)位于蘭州市黃河北青白石鎮(zhèn)白道坪村， 處在黃河四、五級高階地之上, 地勢相對較高，海拔高程1 600～1 850 m, 比高50～150 m。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，階地形態(tài)已基本不存在，主要為黃土梁峁?fàn)畹蜕角鹆甑孛病?區(qū)內(nèi)地層相對簡單, 從新到老分別為：晚更新世馬蘭黃土，中更新世離石黃土，早更新午城石黃土；黃土覆蓋層之下為第三紀(jì)紅層，多為石英砂巖。該區(qū)域?qū)侔敫珊禍貛夂?，年均氣?9.4℃，降雨量僅260～360 mm，而蒸發(fā)量達(dá)1 500 mm，極度干旱。該區(qū)未挖方前的自然斜坡，坡面有較好的植被覆蓋，形狀渾圓，無明顯工程地質(zhì)問題[圖1(a)]。

1.2 挖方邊坡出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題

“蘭州新城”建設(shè)項(xiàng)目工作區(qū)內(nèi)土質(zhì)極其疏松，孔隙比很大，具有粒狀架空大孔隙結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度很低，普遍具有嚴(yán)重的濕陷性、高壓縮性和動力易損性。為了減緩雨季坡面雨水沖刷，挖方邊坡以多級矮坡形式為主，并且在坡面防護(hù)了塑料網(wǎng)(質(zhì)量較差且多已風(fēng)化)。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，次級矮坡一般坡高5 m，坡頂面2～3 m，坡角在45°～78°間變化，一般下部幾級矮坡較陡，坡角在40°～50°，中間幾級很陡，六七十度不等，最上的幾級矮坡較緩[圖1(b)]。項(xiàng)目作業(yè)區(qū)內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了許多高達(dá)數(shù)十米甚至上百米的挖方邊坡，時(shí)至2014年底，該類邊坡已經(jīng)出現(xiàn)了許多工程地質(zhì)問題。

(1) 卸荷作用引起的地質(zhì)問題

通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在挖方邊坡第一、二級矮坡坡腳1～2 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了大量卸荷裂隙，裂隙傾角小于坡面傾角，張開度自坡面由外向內(nèi)逐漸變小，深度從十幾厘米至幾十厘米不等。對于暴露在空氣中的開挖坡面，風(fēng)化作用增強(qiáng)，再加上雨水沖刷剝蝕，土體浸水增重及強(qiáng)度降低，因此被卸荷裂隙切割的土體出現(xiàn)大塊掉落現(xiàn)象[圖1(d)]。

圖1 挖方邊坡工程地質(zhì)問題Fig.1 Engineering geological problems of the excavation slope

(2) 坡面沖溝及落水洞

蘭州屬溫帶半干旱氣候，降雨多集中于7—9月份。在降雨季節(jié)，當(dāng)遇到暴雨天氣時(shí)，由于非飽和黃土的滲透性較低，短時(shí)間的強(qiáng)降雨使得來不及滲透的雨水形成較大的坡面流，這樣長期的反復(fù)沖刷作用便會在坡面形成大小不一、規(guī)模不等的坡面沖溝?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，許多次級矮坡的坡面已經(jīng)形成了密集的貫通坡頂至坡底的沖溝，深度10～30 cm、寬度10～20 cm不等[圖1(e)]。順坡而下的水流流至下一階矮坡坡面處時(shí)，水勢減緩并匯聚在坡頂面逐漸向下滲透，又形成大小不一的落水洞，個(gè)別矮坡坡頂面甚至形成了直徑達(dá)30～40 cm、深度超過1 m的落水洞[圖1(f)]。

(3) 局部滑塌

在青白石平填場地，個(gè)別挖方邊坡的次級矮坡已經(jīng)出現(xiàn)小規(guī)模的局部滑塌現(xiàn)象。有一處滑塌發(fā)生于某一邊坡左側(cè)邊緣，由第二階矮坡后緣開始至第一階矮坡坡面上部剪出，滑體僅限于第二級及第一級矮坡上部，呈楔形體狀，方量約5～6 m2，規(guī)模較小，失穩(wěn)滑體堆積于坡腳處[圖1(c)]。

蘭州青白石挖方邊坡出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，表面上看似乎主要與風(fēng)化作用、雨水沖刷剝蝕等外部因素有很大關(guān)聯(lián),但實(shí)質(zhì)上對于黃土這類低強(qiáng)度的土，挖方后卸荷減載使得應(yīng)力的釋放及重分布才是問題的關(guān)鍵。要弄清楚挖方后邊坡土體受到卸荷作用的程度，就需要研究挖方后邊坡位移場、應(yīng)力及應(yīng)變場的量值變化特征?；诖?，本文利用有限元方法對挖方過程及邊坡靜動力穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

2 黃土邊坡開挖過程及穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 有限元方法

2.1.1 有限元強(qiáng)度折減法

目前邊坡穩(wěn)定性分析最普遍、最常用、也最成熟的方法是有限元強(qiáng)度折減法。所謂強(qiáng)度折減法就是用一個(gè)折減法系數(shù)F將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ不斷折減，如式(1)和(2)所示，然后用折減后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Cf和φf取代原來的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ，這樣不斷增加F值，C值和φ值則不斷減小，直到某一抗剪強(qiáng)度下整個(gè)土坡發(fā)生失穩(wěn)。那么在發(fā)生整體失穩(wěn)前的那個(gè)折減系數(shù)值就是這個(gè)土坡的安全系數(shù)。

(1)

(2)

(3)

式中：Cf是折減后土體的黏聚力；C為土體實(shí)際黏聚力；F為折減系數(shù)；φf是折減后土體內(nèi)摩擦角；φ為土體內(nèi)摩擦角；τf是折減后的抗剪強(qiáng)度；σ為作用在滑動面上的正應(yīng)力。

2.1.2 擴(kuò)展Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則

巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，對于黃土也具適用性，但其最主要的缺點(diǎn)是屈服面在應(yīng)力空間中存在不連續(xù)點(diǎn)?；诖?采用擴(kuò)展的Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則以解決上述問題。

(1) 屈服面

擴(kuò)展Mohr-Coulomb模型屈服面函數(shù)為：

(4)

(5)

其中:φ是材料內(nèi)摩擦角；C是材料黏聚力；α是極偏角；p為平均主應(yīng)力；q為廣義剪應(yīng)力(等效剪應(yīng)力)；J3是第三偏應(yīng)力不變量。

(2) 塑性勢面

采用如下的橢圓函數(shù)作為塑性勢面：

(6)

式中:β是塑性勢面在子午面上的偏心率，控制塑性勢面在子午面上的形狀與函數(shù)漸近線之間的相似度；C0是初始黏聚力；ω是剪脹角；Umw則控制了塑性勢面在π平面上的形狀，其式為：

(7)

(8)

有限元計(jì)算中,非關(guān)聯(lián)流動法則能在一定程度上減少剪脹現(xiàn)象的發(fā)生, 因此在本文計(jì)算中選用非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則。

2.2 數(shù)值模型

選取蘭州青白石白道坪削山造地區(qū)某一勻質(zhì)馬蘭黃土邊坡作為數(shù)值分析、研究對象。邊坡比高為50 m，挖方前坡度30°，挖方后總體坡度45°；次級矮坡的坡度自坡底向上在45°～75°間變化，坡高5 m，中間設(shè)2 m平臺(圖2)。

圖2 邊坡模型簡圖(單位：m)Fig.2 Slope model diagram (Unit:m)

有限元模型均采用四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐?，?jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為15 165，單元總個(gè)數(shù)為14 880。模型中所有單元均采用擴(kuò)展Mohr-Column屈服準(zhǔn)則。模型參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場采集土樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選取，土樣取自挖方邊坡坡腳以上1 m處，參數(shù)通過三軸儀測定，所測參數(shù)如表1所列。

表 1 土體的基本參數(shù)

2.3 邊坡開挖前后位移場、應(yīng)力場及應(yīng)變場的變化

(1) 位移場

挖方前邊坡總位移變化在坡腳處最大，僅為1.222×10-7m；挖方后，坡腳區(qū)域及1～5級次級矮坡(自下而上)出現(xiàn)了明顯的以垂直向?yàn)橹鞯奈灰谱兓?，上部荷重挖除得越多，向上的位移變化量越?圖3)。圖4是1～9級次級矮坡計(jì)算穩(wěn)定后坡肩及坡腳位移、應(yīng)力應(yīng)變對比曲線圖，是空間尺度上的變化。從圖中可以看到，1～4級矮坡坡肩、坡腳位移有較大差異，這種差異性自下而上逐漸減小，自第5級矮坡，坡腳、坡肩位移基本一致且逐漸減小，至第9級矮坡，位移變化量接近于零。

(2) Mises應(yīng)力的變化

圖4 不同位置位移、應(yīng)力及應(yīng)變變化Fig.4 Variation of displacement, stress and strain at different positions

Mises應(yīng)力也稱為等效應(yīng)力，其公式為：

(9)

式中:σ1、σ2、σ3為三個(gè)主應(yīng)力。

挖方以后1～8級次級矮坡坡腳都出現(xiàn)Mises應(yīng)力增強(qiáng)、集中現(xiàn)象，其中第一、二級矮坡坡腳、坡面、坡肩的Mises應(yīng)力都比較大，應(yīng)力集中的現(xiàn)象更為明顯(圖3)。

(3) 應(yīng)變場的變化

挖方后，邊坡坡腳及其相鄰區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大的應(yīng)變變化[圖3(c)]。空間尺度上看，變化主要發(fā)生在5級矮坡以下區(qū)域，1、2級矮坡坡腳應(yīng)變最大，達(dá)到0.006，自第1級矮坡向上，主應(yīng)變逐漸變小，直到8、9級減小為零。

(4) 挖方后出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題的原因探討

首先在挖方過程中，土體受到擾動，擾動帶內(nèi)土體強(qiáng)度會有所降低；其次，挖方后由于卸荷減載應(yīng)力釋放，土體會出現(xiàn)卸荷回彈作用，位移、應(yīng)變都出現(xiàn)較大變化，坡腳區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，對于黃土這種具有特殊微結(jié)構(gòu)的低強(qiáng)度土，卸荷作用使得土體微結(jié)構(gòu)有不同程度的損傷，土體強(qiáng)度會進(jìn)一步降低；再者，挖方后原有的植被覆蓋被徹底破壞，新鮮黃土坡面直接暴露于空氣中，使得風(fēng)化作用增強(qiáng)，當(dāng)遇有降雨天氣時(shí)，坡面下一定深度范圍內(nèi)土體含水量增大，土體的抗剪強(qiáng)度便會大大降低，日積月累受到雨滴的濺蝕及坡面水流的沖刷剝蝕便會形成大量的坡面沖溝。

次級矮坡的頂面由于應(yīng)力釋放會出現(xiàn)一些張性裂隙，坡面水流的沖擊便會形成許多落水洞。在坡頂面局部水流匯集區(qū)，由于土體含水量的增加，局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)加大，因此某些不利地段的次級矮坡就會出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象。

挖方后的邊坡，由于坡度變陡，一、二級矮坡坡腳出現(xiàn)了較大的應(yīng)變、位移變化，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生一些張性卸荷裂隙，尤其以第一階矮坡出現(xiàn)的最多。浸水增重，土體強(qiáng)度降低，再加之風(fēng)化剝蝕、雨水沖刷便會使得部分被裂隙分割的土體產(chǎn)生局部掉塊現(xiàn)象。

挖方后邊坡出現(xiàn)的這些工程地質(zhì)問題，如發(fā)生在邊坡上部區(qū)域，屬于卸荷減載作用，則會使邊坡穩(wěn)定性增加，如發(fā)生在下部區(qū)域，則會使邊坡整體穩(wěn)定性下降?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的這些問題大多發(fā)生在邊坡下部區(qū)域，這或多或少會使得邊坡穩(wěn)定性有所降低。這些削弱邊坡穩(wěn)定性的諸多工程地質(zhì)問題，雖然影響輕微，但在邊坡總體坡度變陡的情況下其靜、動力穩(wěn)定性如何還需進(jìn)一步分析研究。

2.4 開挖前后邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡開挖前，坡角約30°，坡頂、坡面及坡腳無裂隙存在，整個(gè)坡形呈渾圓狀，坡體有較好的植被覆蓋，不同方法計(jì)算的安全系數(shù)在1.7～1.8間(表2)。有限元方法計(jì)算的安全系數(shù)相對極限平衡法偏小，潛在最不利滑動面位于坡體深部(圖5)，邊坡的穩(wěn)定性較好。

圖5 滑移面位置圖Fig.5 Position of the sliding surface

挖方后，邊坡的坡角總體為45°，比挖方前陡峭了15°，不同方法計(jì)算的安全系數(shù)降低了約0.6左右，在1.2以內(nèi)。有限元方法計(jì)算的潛在最不利滑動面上移，位于邊坡坡面淺部區(qū)域，剪出口位于第二級矮坡的坡腳處[圖5(b)]。黃土是一種低強(qiáng)度的特殊土，通常認(rèn)為安全系數(shù)低于1.2便處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)[8]。

在Ⅷ度地震動的作用下，極限平衡法計(jì)算的挖方邊坡安全系數(shù)接近于1(表2)。用有限元方法計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，采用了岷縣漳縣6.6級地震岷縣臺記錄的主震加速度時(shí)程(震中距18 km，近場波)，峰值加速度為220 gal，卓越頻率在4.5～5.5 Hz間 (圖6)。計(jì)算得出的安全系數(shù)僅為1.02，邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，潛在最不利滑動面較靜力下的要深，塑性區(qū)的范圍也更大[圖5(c)]，因此邊坡失穩(wěn)滑動時(shí)的危害性會更大。

表 2 穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6 地震荷載及頻譜特征Fig.6 Earthquake load and frequency spectrum characteristics

3 討論與結(jié)論

(1) 蘭州黃土丘陵溝壑區(qū)的自然邊坡在天然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定；人工切坡以后，由于土體擾動、卸荷作用、風(fēng)化作用、降雨滲透及坡面水流沖刷等因素，都使得土體強(qiáng)度降低，邊坡出現(xiàn)卸荷破壞、坡面沖溝、落水洞、局部滑塌等工程地質(zhì)問題。

(2) 挖方后的邊坡，坡度變陡，整體穩(wěn)定性下降，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡四季溫度、干濕循環(huán)變化，土體性狀隨之發(fā)生變化，邊坡穩(wěn)定性也會發(fā)生周期性的變化。雨季時(shí)土體濕度增大、強(qiáng)度降低，會使得邊坡局部區(qū)域處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 作為Ⅷ度設(shè)防區(qū)，蘭州及其周邊是地震活動性很強(qiáng)的區(qū)域，歷史上曾發(fā)生過多次中強(qiáng)以上地震。挖方邊坡在Ⅷ度地震作用下，安全系數(shù)在1左右，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。在平山造地地區(qū)修建住宅等工程建筑物，如果不對挖方產(chǎn)生的高陡邊坡進(jìn)行抗震設(shè)防，將會使得人民的生命財(cái)產(chǎn)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

References)

[1] 王蘭民.黃土動力學(xué)[M].北京：地震出版社，2003.

WANG Lan-min.Loess Dynamics[M].Beijing:Seismological Press,2003.(in Chinese)

[2] 汪國烈，明文山.濕陷性黃土的浸水、變形規(guī)律與工程對策——兼談我國對濕陷性黃土認(rèn)識的深化過程[C]//濕陷性黃土研究與工程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

WANG Guo-lie，MING Wen-shan.Water Immerging,Deformation and Engineering Techniques of Collapsible Loess and the Understanding Process of This Problem in China[C]//Engineering and Research on Collapsible Loess.Beijing:China Architecture and Building Press,2001.(in Chinese)

[3] 高國瑞.黃土顯微結(jié)構(gòu)分類與濕陷性[J].中國科學(xué)，1980(12)：1203-1212.

GUO Guo-rui.Microstructure Classification and Collapsibility of Loess Soils[J].Science in China,1980(12):1203-1212.(in Chinese)

[4] Rogers C D F，Dijkstra T A，Smalley I J.Hydroconsolidation and Subsidence of Loess:Studies from China,Russia,North America and Europe[J].Engineering Geology,1994,37(2)：83-113.

[5] Feda J.Structural Stability of Subsident Loess Soils from Praha-Dejvice[J].Engineering Geology,1966,1(3):201-219.

[6] 楊運(yùn)來.黃土濕陷機(jī)理的研究[J].中國科學(xué):B輯，1988(7):754-766.

YANG Yun-lai.Study of the Collapsible Mechanism of Loess Soils[J].Science in China:Series B,1988(7):754-766.(in Chinese)

[7] 高國瑞.我國黃土濕陷性質(zhì)的形成研究[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(2):1-8.

GAO Guo-rui.The Formation of Collapsibility of Loess Soils in China[J].Journal of Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute,1994(2):1-8.(in Chinese)

[8] 張振中.黃土地震災(zāi)害預(yù)測[M].北京：地震出版社,1999.

ZHANG Zhen-zhong.Prediction of Loess Seismic Disasters[M].Beijing:Seismological Press,1999.(in Chinese)

[9] 吳瑋江，王念秦.甘肅滑坡災(zāi)害[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2006.

WU Wei-jiang,WANG Nian-qin.Landslide Disaster of Gansu[M].Lanzhou:Lanzhou University Press,2006.(in Chinese)

[10] 車愛蘭,吳志堅(jiān),彭冬,等.黃土斜坡震害面波勘探調(diào)查及其動力穩(wěn)定性分析——以甘肅岷縣、漳縣MS6.6地震為例[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(4):724-729.

CHE Ai-lan,WU Zhi-jian,PENG Dong,et al.Surface Wave Investigation and Dynamic Stability Analysis for Earthquake-induced Loess Landslides[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(4):724-729.(in Chinese)

[11] 王蘭民,吳志堅(jiān).岷縣漳縣6.6級地震震害特征及其啟示[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(3):401-412.

WANG Lan-min,WU Zhi-jian.Earthquake Damage Characteristics of the Minxian-ZhangxianMS6.6 Earthquake and Its Lessons[J].China Earthquake Engineering Journal, 2013,35(3):401-412.(in Chinese)

[12] 徐舜華,吳志堅(jiān),孫軍杰,等.岷縣漳縣6.6級地震典型滑坡特征及其誘發(fā)機(jī)制[J].地震工程學(xué)報(bào),2013,35(3)：471-476.

XU Shun-hua,WU Zhi-jian,SUN Jun-jie,et al.Study on the Characteristics and Inducing Mechanism of Typical Earthquake Landslides of the Minxian-ZhangxianMS6.6 Earthquake[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(3):471-476.(in Chinese)

Engineering Geological Problems of Loess High Excavation Slope in Loess Hilly and Gully Region of Lanzhou and Its Stability Analysis

PU Xiao-wu1,2, WANG Lan-min1,2, WU Zhi-jian1,2, LIU Kun1,2, ZHAO Wen-chen1,2, MA Lin-wei1,2, REN Dong1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.KeylaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China)

Due to the recent rapid urbanization process, a large number of high and steep loess slopes have been excavated in the hilly-gully region of Lanzhou. Through field investigations, we found that most of the excavated high and steep loess slopes have many engineering geological problems of different degrees, such as unloading crannies, slope gullies, sinkholes, and local landslide collapses. Using finite element method, we simulated the excavation process, and the results show that the displacement and stress and strain fields of the excavation slope exhibit significant changes after excavation. These include stress release and local concentration, an unloading effect, the weathering and flushing action of water, and internal and external factors and their interaction, which lead to various engineering geological problems with respect to the excavation slope. These problems will result in reduced slope stability to different degrees. In a hilly-gully loess region, the slope body is stable in its natural state, with a safety factor of above 1.7 by different calculation methods. The slope gradient increases after the slope is cut, resulting in a decrease in the slope stability, and a 0.6 reduction in the safety factor. The excavation slope is close to the critical stable state, and is an instability risk for earthquake intensity values of Ⅷ or higher.

moving mountain and reclaiming land; excavation slope; engineering geological problems; stability

2015-05-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478444，41472297)；中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013IELSZ05)

蒲小武(1976- )，男，甘肅武都人，高級工程師，現(xiàn)主要從事巖土地震工程與地震預(yù)測理論研究。E-mail：wdpuxw@163.com。

王蘭民(1960-)，男，陜西蒲城人，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥羷恿W(xué)與巖土地震工程。E-mail:wanglm@gssb.gov.cn。

TU444

A

1000-0844(2016)05-0787-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0787