白鹿塬西南廢棄黃土窯洞邊坡破壞機理研究

劉 祥，蘇生瑞*，肖云飛

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710000；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074)

黃土在全球廣泛分布，而中國是世界上黃土分布范圍最大的國家之一，分布面積約為64萬km2[1]。陜西省是典型的黃土分布區，具有罕見的黃土分布范圍、覆蓋厚度及分布的連續性[2]。黃土是一種特殊的第四紀沉積物，具有直立性等特點，且黃土地區溝壑縱橫，塬、梁、峁廣泛發育[3]，加之在降雨較少時黃土具有的力學性質穩定且強度較高等一系列特征[4-5]，從而孕育了中國北方極具特色的民居形式——黃土窯洞。隨著社會經濟的不斷發展，越來越多的人選擇離開祖祖輩輩生活的黃土窯洞。然而當窯洞廢棄后，缺少日常維護，且人們常常在廢棄窯洞前修建新房，窯洞前的房屋阻隔光線、降低空氣流通等因素導致窯洞內潮濕，土體含水量增大，黃土穩定性降低，窯洞危險性增高。此外，由于無人維護，窯洞所在邊坡植物根劈作用強烈，裂縫發育，導致坡體穩定性降低，嚴重威脅人民群眾的生命財產安全及道路交通等公共基礎設施安全。因此對廢棄黃土窯洞邊坡進行穩定性和防治對策的研究具有重大意義。國內學者一直以來重點對黃土窯洞變形破壞和穩定性進行研究，并在黃土窯洞穩定性影響因素、穩定性分析方法和破壞模式等方面取得了卓著的成果。如趙龍[6]采用ANSYS有限元軟件對不同降雨入滲深度下和不同覆土厚度的黃土窯洞進行了靜力分析，探究降雨入滲對黃土窯洞結構性能的影響；張帥[7-8]運用有限元的強度折減法分析了窯洞形態參數的敏感性對黃土窯洞穩定系數的影響，并探尋了黃土窯洞穩定性的評價方法等。

本文以西安市長安區四坡村崩塌隱患為研究對象，運用MADIS軟件建立研究區窯洞模型并進行數值模擬計算，分析窯洞在不同狀態下的應力應變和位移場特征，剖析廢棄黃土窯洞邊坡穩定的影響因素和破壞機理，不僅對廢棄黃土窯洞地區地質災害的防治提供理論支撐，同時也對廢棄黃土窯洞災害的機理研究具有重要的參考意義。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

通過對研究區實地勘查、實地測量地形圖及對廢棄黃土窯洞尺寸的調查和統計，同時結合黃土邊坡陡峻情況和本文的研究目的，以研究區實測剖面為基礎建立三維幾何模型(圖1)，采用窯洞尺寸為窯拱寬度3 m，立壁高 2 m，窯拱高1.5 m，窯腿寬度2 m，進深7 m，上覆土層厚7 m的雙孔窯洞為研究對象，模型計算范圍沿洞徑各個方向均不小于3～4倍洞徑。

1.2 地質模型

通過野外現場勘察，廢棄黃土窯洞所在邊坡主要由Q2eol黃土和古土壤組成，因此在數值模擬中只考慮2類巖土材料：①Q2eol黃土、②古土壤。根據實地勘察確定的土層厚度、土層空間分布和窯洞尺寸建立研究區三維地質模型(圖1)，土層共三層：上層為厚6.0 m的Q2eol黃土層；中層古土壤層厚1.0 m；下層為Q2eol黃土層。

1.3 數學力學模型

通過對地質模型中地層賦予相應的物理力學參數來建立數學力學模型。研究不同窯洞狀態下含水量對黃土窯洞邊坡穩定的影響，窯洞狀態共分四種：正常居住(干燥)、窯洞廢棄(稍濕)、依窯建房(潮濕)和飽和工況，網格劃分圖如圖1所示。

依據研究區土樣的固結快剪試驗結果和《工程地質手冊(第五版)》綜合確定本次模擬中材料的物理力學參數(表1)。土體材料設置為各向同性材料，并采用摩爾-庫倫本構模型。

2 數值模擬結果分析

采用MIDAS中的施工階段分析，通過賦予巖土材料不同的含水量來模擬不同窯洞狀態的實際情況。設置邊坡未開挖窯洞的初始應力狀態為0，計算開挖后窯洞的應力、位移和應變，并運用強度折減法(SRM法)計算窯洞開挖后邊坡的穩定性。

2.1 穩定性分析

通過MIDAS有限元軟件內置強度折減法對不同狀態下黃土窯洞的穩定性進行模擬分析，得出各狀態下窯洞邊坡穩定性系數。

分析結果可以發現，正常居住的黃土窯洞穩定性較高，雖然人工斬坡和坡腳挖窯的人類活動降低了邊坡的穩定性，但邊坡仍處于穩定狀態，穩定性系數可達K=1.25；當窯洞廢棄時，窯洞所在邊坡穩定系數明顯下降，此時系數K=1.05；而隨著依窯建房，窯內采光不足、通風較差、黃土吸潮等情況愈發嚴重，窯洞土體含水量升高，窯洞邊坡穩定性進一步降低至K=1.02；連續降雨時窯洞周圍土體的含水量持續升高，邊坡的穩定性則不斷降低，最終穩定性系數降至K=0.97，導致邊坡失穩。

2.2 位移分析

在計算完成后，對結果云圖和數據進行數值分析，在MADIS GTS NX的后處理單元中提取模型在X、Y和Z方向的位移云圖并進行分析，發現不同黃土狀態的窯洞模型的豎向(Z軸方向)位移和橫向(X軸方向)位移的改變最為明顯，并且Z向和X向的位移變化對窯洞的穩定性最具決定性意義，所以在對窯洞的位移分析中，分別對豎向(Z軸方向)和橫向(X軸方向)位移進行分析研究。圖中位移以坐標軸正向為正。

由圖2和圖3的計算結果可以看出，窯洞拱頂和窯底中間處的豎直方向(Z向)位移值較大，窯洞兩側立壁中間處的水平方向(X向)位移值較大。由于模型幾何對稱，研究時控制點選取窯腿中心一側窯洞的窯口底部中點(a點)、拱頂中點(b點)和窯腿中部(c點)為研究對象(圖4)。

經計算得出控制點的位移結果如表2所示。

從表2中可以得出，不同窯洞狀態同一位置處的位移都隨著土體含水量的增加而增加。根據位移值正負的規定，a點發生了向上的位移，即窯洞底部隆起；b點發生了向下的位移，即窯洞拱頂發生下沉，c點發生了向右的位移，即窯洞側壁土體向內部位移。

綜合以上可以得出：(1)在含水量的增加導致窯洞狀態變化的過程中，各控制點的位移值逐漸增大，且水平和豎直方向位移范圍也在逐漸擴大，體現出隨著窯洞逐漸廢棄，窯洞所在邊坡的穩定性逐漸降低。同時，從云圖中發現Z和X方向最大位移值和位移范圍均向窯洞內部移動，反映出隨著窯洞廢棄，含水量的增加，窯洞所在坡體的破壞形式由坡體表層局部破壞向坡體整體失穩變化，發生整體崩塌和滑坡的可能性增大。(2)最大豎向(Z向)位移產生在黃土窯洞的拱頂中點附近，約為6.83 cm。這主要是由于窯洞上部土體在重力作用下的沉降，容易發生局部或整體的坍塌破壞；窯洞底部產生豎直向上的位移，最大值約為3.86 cm，表現為窯洞底部土體隆起，這是因為窯洞開挖導致底部土體因卸荷作用發生向上擠出。(3)最大水平(X向)位移產生在兩窯洞相鄰的立壁中部，約為8.63 cm。這是由于窯洞開挖破壞了土體原有的平衡狀態，窯洞兩側土體在水平壓力的作用下向洞內發生變形，且水平位移僅集中在窯腿表面。

圖3 不同窯洞狀態X向位移云圖

圖4 雙孔窯洞位移控制點的位置

表2 各狀態下黃土窯洞控制點位移

2.3 應力分析

分析應力云圖(圖5、圖6)可以發現，由于洞室開挖導致應力重分布，窯洞周圍土體較同一深度的土體應力更大。窯洞因土拱作用主要承擔豎直和水平向的應力，其中窯腿承擔豎向應力較大，而窯洞兩側立壁因周圍土體朝向洞內松脹變形，其水平應力較大，且在轉角處容易產生應力集中、裂縫等變形破壞，進而造成窯洞失穩；窯頂和窯底表現為較低的豎向應力，但水平應力較高，容易引起窯洞拱頂裂縫發育，從而產生掉塊等現象，而窯底則表現為局部隆起。

多個窯洞的存在使得窯洞中間土體應力值較大，且兩窯拱中間土體的水平應力更為突出，更容易發育豎向裂縫，從而降低窯洞所在邊坡的整體穩定性。

2.4 塑性應變分析

塑性應變圖(圖7)能反應出潛在破壞位置，為治理不穩定邊坡提供依據。對黃土窯洞在含水量增大過程中可能出現的破壞位置，即對塑性應變區的分布情況進行研究。在塑性應變圖中，認為最大等效塑性應變值為0的區域沒有進入塑性區，大于0時，則認為該區域進入塑性區，且數值越大越不安全。通過對不同黃土狀態下的塑性應變云圖進行觀察和對比發現，塑性區最先出現在兩窯洞相鄰的直臂中點附近，且兩窯洞間區域土體的等效塑性應變值顯著大于其他區域土體。

圖5 不同窯洞狀態豎向應力云圖

圖6 不同窯洞狀態水平應力云圖

對比模擬結果可以發現，隨著窯洞狀態的變化即坡體含水量的不斷增加，塑性應變區的范圍及數值不斷增大，坡體穩定性逐漸降低，且塑性應變區有向坡頂和坡體內部擴展的趨勢，黃土窯洞邊坡發生整體失穩的可能性增大。

3 廢棄黃土窯洞邊坡破壞機理分析

窯洞處于正常居住狀態時，黃土性質受含水量影響較小，窯洞依靠自身結構產生的抗力，承受所在邊坡的土壓力，窯洞拱頂和側壁等關鍵部位位移較小，產生的變形以彈性變形和閉合原有裂隙為主；窯洞廢棄后，洞內土體吸潮明顯，一方面土體容重增加，另一方面由于黃土具有水敏性，窯洞土體本身的力學性質降低，窯洞立壁的水平應力和位移逐漸增大，拱頂和窯洞底部的豎向位移也逐漸增大，窯洞所在邊坡黃土的原狀結構開始破壞，窯洞出現較明顯變形，容易發生局部破壞；依窯建房后，前排房屋遮光、擋風作用明顯，窯洞更加潮濕，窯洞所在邊坡土體自重進一步增加，黃土力學性質進一步降低，應力和位移值繼續增大，且應力、位移范圍及最大值向窯洞內部移動，窯洞所在邊坡穩定性進一步降低，局部破壞范圍增大且有發生整體破壞的可能；在降雨的持續作用下，廢棄黃土窯洞各主要部位變形進一步發展，黃土粘聚力大幅降低，窯洞拱形結構遭到破壞，窯洞整體處于失穩狀態，極易發生崩塌和滑坡等整體失穩破壞。

4 四坡村崩塌隱患治理

4.1 研究區概況

研究區地貌屬黃土臺塬塬邊斜坡地帶，如圖8所示，廢棄黃土窯洞所在斜坡臨空面的坡面形態為階梯形，陡立，坡度在70°～80°，局部呈近直立狀甚至反傾。地層巖性為第四系中更新統風積黃土和古土壤。據實地調查統計研究區共有廢棄黃土窯洞17孔，窯洞類型為靠崖式窯洞，尺寸總體情況為：窯洞寬2.5～3.5 m，窯洞高3.0～3.5 m(窯洞直壁高1.5 m，拱高1.5～2.0 m)，窯洞進深6.0～8.0 m，窯腿寬度2.0～3.0 m，覆土厚度5.0～8.0 m。

圖7 不同窯洞狀態塑性應變云圖

圖8 研究區航拍圖

圖9 不同窯洞狀態塑性應變云圖

4.2 治理措施

根據廢棄窯洞邊坡數值模擬研究的結果，應對窯洞窯臉、拱頂、兩窯洞拱圈間、直臂、直臂與拱圈交接以及窯腳等薄弱部位采取重點治理措施。綜合邊坡崩塌隱患的成因、規模、性質及破壞特征與現場實際施工條件限制，得出治理的總體思路是采用“削坡+窯洞封堵+排水+坡腳護面墻”的工程措施。治理工程應遵循“安全可靠，經濟合理，環保美觀”的原則。

“削坡+窯洞封堵+排水+坡腳護面墻”治理方案具體參數為：對圖1中的尺寸按照二級邊坡、斜坡坡率為1∶0.5、斜坡間平臺寬3.0 m，窯洞封堵和坡腳設置頂寬0.5 m、底寬0.8 m、基礎埋深0.5 m、墻高2.0 m的護面墻。

4.3 治理數值模擬

對上述治理方案運用MIDAS數值模擬軟件分析，地層參數是窯洞狀態為飽和工況時的物理力學參數(表1)，護面墻彈性模量取2.70×107Pa，泊松比取0.25，容重取20 kN/m3。

采用SRM強度折減法計算治理后飽和工況狀態下邊坡的穩定性，并對治理前后飽和工況狀態下邊坡的塑性云圖(圖9)進行對比分析。

治理后飽和工況狀態下邊坡的安全系數為Fs=4.3，邊坡處于安全狀態，邊坡穩定性較治理前(安全系數Fs=0.97)有了很大提高。邊坡在治理前有明顯的塑性區，而治理后邊坡的塑性區和最大等效應變有著明顯的減小，邊坡穩定性和安全性得到很大提高。

5 結論

1)隨著窯洞狀態的改變(含水量的改變)邊坡穩定性逐漸降低。廢棄黃土窯洞邊坡穩定性較正常居住窯洞明顯降低。

2)隨著窯洞狀態的改變，窯洞含水量也發生相應的變化，而土體含水量的增加導致土體力學性質的降低，局部臨空面土體發生失穩掉落，隨著降雨等因素的作用，土體力學性質進一步降低，窯洞拱形結構遭到破壞，從而引起窯洞所在邊坡發生崩塌和滑坡等整體失穩破壞。

3)從坡體防治、坡面防治和防排水工程三個方面，給出相應的廢棄黃土窯洞邊坡的防治措施。針對四坡村廢棄黃土窯洞邊坡提出“削坡+窯洞封堵+排水+坡腳護面墻”的工程治理方案，經數值模擬對比分析得出，該防治措施效果顯著。