延安地區廢棄窯洞誘發黃土滑坡的破壞機理分析

劉漢陽

（湖北省電力勘測設計院，湖北武漢430040）

延安地區廢棄窯洞誘發黃土滑坡的破壞機理分析

劉漢陽*

（湖北省電力勘測設計院，湖北武漢430040）

近年來，我國北方黃土地區人工開挖引發的滑坡、崩塌災害頻發，學者們對此進行了深入研究并取得了豐碩成果，這些成果主要關注人工開挖引發的黃土滑塌，針對廢棄窯洞誘發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理，為當地建設提供參考依據。以延安市富縣三畝臺滑坡為例，依據現場測量資料復原滑前邊坡地質模型，取各土層原狀樣獲取物理力學參數，進而利用Midas-GTS軟件在分析硐室方面的優勢，分復原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個施工步進行三維數值模擬，分析滑面上偏應力q和抗剪強度qf的變化規律，最終揭示廢棄窯洞引發黃土滑坡的破壞機理。CU試驗結果顯示，Q3天然黃土的應力—應變曲線具有從軟化型漸變到硬化型的特征；Q2天然黃土均為應變軟化型，含水量增大時，Q2黃土亦出現應變硬化的特點。有限元結果表明，窯洞開挖后坡腳應力會產生較大的波動但對邊坡整體應力場的影響很小；窯洞廢棄后洞內水氣流通不暢，致使坡腳隔水層頂面土體含水量逐漸增加，強度降低，導致邊坡失穩破壞。

破壞機理；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[1]。眾所周知，修建窯洞往往需要對自然邊坡斬腳、挖洞，從而打破了邊坡的自然穩定狀態，進而可能誘發滑坡、崩塌等地質災害。據相關資料記載，因人工開挖誘發黃土滑坡造成傷亡的案例時有發生。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滑坡，直接經濟損失200多萬元。目前，學者對人工開挖的邊坡關注越來越多，卻忽視了廢棄窯洞的危害，事實上，廢棄窯洞也可能引發滑坡。2005年10月12日發生的延安市富縣三畝臺滑坡就是窯洞廢棄引發滑坡的典型案例。

本文以三畝臺滑坡為例，首先根據周圍未擾動的地形復原滑坡，結合裸露的滑坡后壁和剪出口位置確定主滑面形態，再往兩側擴展為三維圓弧滑面，建立含滑面的三維有限元模型[2]。考慮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黃土原狀樣進行室內試驗，獲取土層的強度力學參數。然后利用Midas-GTS軟件分復原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個施工步進行三維數值模擬，得到邊坡的應力場，再沿潛在滑面線提取各單元的主應力參數σ1、σ2、σ3，進而計算平均主應力p、偏應力q、應力羅德角θ以及抗剪強度qf，繪制各階段滑面線附近各單元的q和qf關系曲線，最終揭示廢棄窯洞誘發黃土滑坡的破壞機理[3]。

1 滑坡概況

三畝臺滑坡位于陜西省延安市富縣茶坊鎮羅家塔村三畝臺組。滑坡發生于2005年10月12日22時，滑前無降雨，坡頂無開裂跡象，滑坡發生時速度極快，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。

三畝臺滑坡位于羅家塔河二級階地(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。滑坡輪廓清晰，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37m，寬26m，最大厚度15m，坡腳4孔拱形窯洞長均6m，寬3m，高2.5m（見圖1、圖2）。調查走訪時發現，毀壞窯洞均已廢棄，洞內昏暗潮濕，裂隙發育，局部土體已經坍塌，而正在居住的窯洞，通風良好，土體干燥，洞內無明顯裂縫，洞壁洞頂穩定。

圖1 三畝臺滑坡實測地形圖

圖2 三畝臺滑坡地質剖面圖

2 參數測試與選取

2.1 CU試驗

在現場取一組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。分別對三組土樣做常規試驗和CU試驗，CU試驗采用應力—應變控制式三軸儀，圍壓依次為100、200、300、400kPa。三組土樣的物理力學參數見表1，CU試驗結果如下。

表1 滑坡區土層物理力學參數表

由試驗可見，Q3天然黃土的應力—應變曲線具有從軟化型漸變到硬化型的特征，各圍壓下Q2黃土的應力—應變曲線均為應變軟化型，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，即總應力強度和有效應力強度相同。當含水量增大時，100kPa圍壓下的Q2黃土曲線具有應變軟化的特點，200～400kPa圍壓下曲線表現出應變硬化的特征。固結穩定后土體中孔壓為零，剪切初期孔壓很小，隨著試驗進行，孔壓不斷增長，最后趨于穩定。卵礫石層頂面的黃土含水量較大但遠未達到飽和狀態，土體中有大部分孔隙被氣體充填。當土樣在圍壓作用下固結穩定后，孔壓降至0。剪切開始時，由于土樣未飽和，加上體應變較小，此時基本無孔壓，因此總應力和有效應力路徑重合，隨著孔隙內氣體的排出，體應變εv不斷增大，從某一點開始產生孔壓，并持續增長，同時有效應力路徑開始向左偏移，但最終偏移量較小，因此其總應力和有效應力強度相差不大，卻明顯小于天然狀態下的強度參數。

2.2 參數計算

在p-q坐標系中，當試樣達到破壞時，各路徑曲線的終點近似一條直線，故可通過各路徑的終點做直線，即破壞主應力線，簡稱為Kf線[4]。設Kf線的傾角α，與q軸的截距為d，α和d與c和φ的關系。

根據幾何關系得到式(1)、(2)，由此求出強度參數c、φ。

3 數值模擬

為了反映邊坡不同階段應力場的變化，有限元分為復原邊坡、窯洞開挖和窯洞廢棄3個施工步進行模擬。模擬窯洞廢棄時，根據含水量將Q2黃土分為上下兩層。建模時，利用關于主剖面對稱的拋物線方程將二維滑面擴展成三維滑動面[2]，用擴展的滑動面和分別過窯肩、窯間、窯頂的3條剖面將模型分割后，再劃分網格，從而保證滑面線與實體單元的邊界線重合，以便提取滑面線上的應力分量。在此基礎上，選用Midas-GTS進行施工階段的應力分析，材料的屈服準則選為摩爾—庫倫，本構關系為理想彈塑性，參數依據試驗結果取值（見表2），圖3為該滑面的三維數值模型，圖3中邊坡走向約70m，坡腳4孔窯洞長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取值

圖3 三維數值模型

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力分量σ1、σ2、σ3，根據公式(3)～(5)算出各單元的平均主應力p、偏應力q、應力羅德角θ，將p、θ代入式(6)得到單元屈服時的偏應力qf，作出不同階段滑面線附近土體單元q與qf的關系曲線，分析比較各階段滑面土體單元的偏應力、抗剪強度，從而獲取滑坡失穩破壞過程中在滑動面上的響應，最終揭示此類滑坡的破壞機理。為了對比方便，在復原邊坡階段，3-3′剖面中的滑動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屈服，但由于臨近坡頂的單元仍有一定的安全儲備，此時邊坡穩定；揭示了窯洞開挖產生的應力釋放對窯肩附近滑面線上的單元應力影響不明顯，僅在坡腳產生小于30kPa的應力波動，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度降幅高達150kPa，此時超出剪應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一步向坡頂延伸，直至潛在滑動面附近的土體單元全部屈服，形成貫通面，導致邊坡失穩并開始后滑動。

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

剖面3-3′經過窯頂中心，導致修建窯洞時，窯頂附近土體單元的應力發生明顯下降，降幅約50kPa。

以上分析表明，自然斜坡經人工削坡斬腳后，坡腳會出現明顯的應力集中，且窯間的集中程度最高，此時靠近坡腳的大部分土體已屈服，但臨近坡頂的土體單元仍有相當的安全儲備，因此邊坡仍處于穩定狀態。修建窯洞會引起坡腳土體應力釋放，但附近單元可能應力集中，不過對整個邊坡的應力分布影響不大，屈服范圍亦擴張有限，此時邊坡仍處于穩定狀態，無安全隱患。

窯洞廢棄后，洞內常年陰暗潮濕，加上前排房屋擋風、遮光等諸多原因導致坡腳土體含水量逐漸增加，強度參數不斷降低，邊坡屈服范圍逐步擴大并向坡頂干燥土層延伸，最終導致邊坡整體失穩滑動。由于最后屈服的土體單元位于坡頂干燥土層，此時坡頂土體應力已高度集中，因此這種黃土滑坡具有突發、快速的特點。

4 結論

(1)三軸試驗結果表明：Q3天然黃土的應力—應變曲線表現出由應變軟化向應變硬化漸變的特征，而Q2天然黃土的應力—應變曲線均為應變軟化型，當含水量增大時，Q2黃土強度急劇下降，應力—應變曲線表現出應變硬化的特征。

(2)自然斜坡形成直立邊坡后，坡腳土體應力驟升并迅速達到屈服強度，而臨近坡頂的單元還有一定的安全儲備，此時邊坡處于穩定狀態。修建窯洞雖然造成坡腳應力產生較大波動，但對整個邊坡的應力場影響較小，屈服范圍亦擴張有限，此時邊坡無安全隱患。窯洞廢棄后，洞內土體水氣流通不暢，使得坡腳隔水層頂面土體含水量逐漸增大，其抗剪強度不斷減低，屈服范圍逐漸擴大并向坡頂延伸，從而導致邊坡失穩。由于最后屈服的土體單元位于坡頂，其土體干燥且應力已高度集中，因而這種黃土滑坡具有突發、快速的特點。

[1]侯繼堯.陜西窯洞民居[J].建筑學報,1984,22(10):71-73.

[2]張常亮，李同錄.三維邊坡穩定性分析的解析算法[J].中國地質災害與防治學報，2007,18(1):99-103.

[3]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社，1994.

[5]王靖泰，李永進，等.蘭州黃土的土力學特征[J].甘肅科學學報，1996（8）(增):5-12.

[6]雷祥義.黃土高原地質災害與人類活動[M].北京：地質出版社，2001.

[7]張常亮，王阿丹，邢鮮麗，李同錄，李萍.侵蝕誘發黃土滑坡的機理分析[J].巖土力學.

P642.22

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，現從事巖土工程、地質災害方面的勘察與設計工作。