高東源，王 輝，程建偉，劉學(xué)會

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

在堆積和侵蝕的雙重作用下，黃土高原溝壑縱橫，呈現(xiàn)塬、梁、峁和溝壑等反差巨大的黃土地貌景觀[1]。由于黃土高原特殊的地理環(huán)境，可耕地面積非常少，宅基地缺乏，自古以來就形成了斬坡建窯的生活習(xí)慣[2-4]。隨著生活條件的提高和社會的快速發(fā)展，建設(shè)過程中對更多的黃土邊坡進(jìn)行開挖、斬坡等活動，使開挖坡體失去原有的平衡，常常會誘發(fā)滑坡[5]。調(diào)查顯示：自20世紀(jì)50年代至2012年，陜西省的北部地區(qū)共發(fā)生了16 616個黃土滑坡和土崩，密度超過5個/km2；在隴西和隴東地區(qū)，自20世紀(jì)50年代至1992年，一共發(fā)生了14 109個黃土滑坡，密度超過6個/km2[6]。在延安地區(qū)類似的工程問題仍在不斷增多[7-8]，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓敭a(chǎn)安全。找到誘發(fā)因素是滑坡防治工作的前提和重要根據(jù)，這對地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)具有現(xiàn)實意義。為此，本文就鴕鳥臺廢棄窯洞引起滑坡災(zāi)害問題，通過三軸剪切試驗對黃土土體的強(qiáng)度特性以及黃土變形破壞誘發(fā)滑坡發(fā)生的機(jī)理展開研究，并通過數(shù)值模擬對廢棄窯洞變形破壞、應(yīng)力變化進(jìn)行模擬，對比以往廢棄窯洞的處理方法，探討更優(yōu)的廢棄窯洞治理措施。

1 研究對象

本研究以吳起縣鴕鳥臺廢棄窯洞滑坡為研究對象。吳起縣鴕鳥臺位于陜西省延安市的西北部，原為一古滑體前緣經(jīng)人工切坡形成的高陡邊坡，邊坡高度33 m，其中下部為中更新Q2黃土，上部為上更新Q3黃土，總體坡度45°～50°，局部可達(dá)55°以上。坡體前緣斬坡后開挖有4孔窯洞，窯洞進(jìn)深6 m，開間3 m，拱高3.5 m。鴕鳥臺地處東經(jīng)107°38′57″至108°32′49″，北緯36°33′33″至37°24′27″之間，境內(nèi)地層由老到新依次為中生界白堊系華池組(K1h)、新生界新近系保德組(N2b)、第四系(Q)地層?？h域內(nèi)河流均屬黃河水系，干流深切，支流密布。根據(jù)水文資料，吳起縣多年地表徑流量為1.357 6×108m3，地下水多年平均天然補(bǔ)給量為0.543 8×108m3，水資源總量1.901 4×108m3。鴕鳥臺滑坡地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 吳起縣鴕鳥臺滑坡地質(zhì)剖面圖

2009年9月，這個廢棄多年的窯洞發(fā)生坍塌并誘發(fā)坡體滑動，毀壞了緊鄰窯洞修建的5間住房[9]28。

2 數(shù)值模擬

以鴕鳥臺滑坡的原始邊坡為模型，采用M-C模型作為屈服準(zhǔn)則[10]，分人工切坡、窯洞開挖、窯洞廢棄依窯建房以及窯洞填充4個階段進(jìn)行數(shù)值模擬。緊鄰坡腳建設(shè)房屋之后，新建建筑遮光、擋風(fēng)作用明顯，原始坡面水和建筑屋面水在廢棄窯洞洞口匯集，導(dǎo)致廢棄窯洞洞壁潮濕，受潮范圍即為數(shù)值模擬的重點研究區(qū)域。

2.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該邊坡高度33 m，坡度一般為45°～50°，局部可達(dá)65°以上。本文選擇四孔窯洞所在區(qū)域為研究對象建立模型，計算模型沿x方向為邊坡長度，y為邊坡寬度，z為變邊坡高度方向，取得尺寸為x=16 m，y=52 m，z=33 m，共劃分單元數(shù)為113 184個，節(jié)點數(shù)為117 438個。鴕鳥臺有限元模型具體如圖2所示。其中outside4為Q3黃土，其余均為Q2黃土。

圖2 鴕鳥臺有限元模型

計算模型除坡面為自由邊界外，模型底部及四周均為固定約束邊界。該計算模型選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，按上述約束條件只考慮重力的作用，進(jìn)行彈塑性求解，為第一階段人工開挖；計算達(dá)到平衡之后清零位移，進(jìn)行邊坡的開挖即窯洞開挖，為第二階段；根據(jù)三軸試驗所得參數(shù)，調(diào)整窯洞吸水受潮范圍，再次進(jìn)行計算，直至平衡，此為第三階段。

建立模型的計算參數(shù)均選自于三軸壓縮實驗結(jié)果，因三軸試驗僅選用窯洞洞頂Q2黃土，故模擬亦僅依據(jù)Q2黃土的相關(guān)參數(shù)。各含水狀態(tài)下黃土試樣的強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 Q2各含水狀態(tài)下黃土試樣強(qiáng)度參數(shù)

2.2 人工切坡數(shù)值模擬

人工切坡模擬結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 最大位移圖

圖4 最大應(yīng)力側(cè)面圖

從圖3可以看出，位移圓弧層狀均勻分布，最大位移出現(xiàn)在坡頂處，隨著埋深的增加，位移逐漸趨于穩(wěn)定。從圖4可見，在垂直方向上，坡體受力非常均勻，沒有出現(xiàn)突變的不規(guī)則變化；坡體的應(yīng)力由上而下，并隨埋置深度逐漸增加。說明在垂直方向坡體主要受土體自重影響；至于坡體的水平應(yīng)力，由于土體自身變形特性，隨著埋深增加而增加，只是在坡腳發(fā)生了突變，產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中。

2.3 窯洞開挖數(shù)值模擬

根據(jù)實測地形，對原有四孔窯洞的FLAC3D軟件模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，模擬開挖計算至平衡，然后在坡腳開挖的基礎(chǔ)上進(jìn)行窯洞開挖(開挖模型如圖5所示)，開挖模型收斂速度很快，收斂時步為10 300步左右，說明邊坡內(nèi)部合力達(dá)到平衡。

圖5 窯洞開挖模型

窯洞開挖最大位移和最大應(yīng)力如圖6～7所示。

圖6 窯洞開挖最大位移圖

圖7 窯洞開挖最大應(yīng)力圖

分析圖6可知，邊坡處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，坡體的潛在變形模式為坡體中下部形成的圓弧式滑移；坡腳窯洞位移集中，這是窯洞開挖促使局部土體卸荷作用所致，短時間不會發(fā)生滑坡。窯洞開挖之后，坡體內(nèi)力重新分布，坡體位移在窯洞上部形成滑移面，窯洞開挖局部卸荷，在窯腿位置形成位移集中。可見，由于窯洞開挖卸荷，坡體中下部形成圓弧式滑移面，上部土體較下部土體更容易發(fā)生運動，即位移增大。

分析圖7可知，在垂直方向上，應(yīng)力隨埋深增加逐漸增大，且在坡腳窯洞發(fā)生應(yīng)力集中。其中窯洞腿部應(yīng)力最大，其次是洞頂，這是由于窯洞開挖造成兩窯洞間應(yīng)力集中，處于蠕變狀態(tài)。

可見，窯洞開挖之后，坡體內(nèi)力重新分布，應(yīng)力呈圓弧層狀分布且隨著埋深的增加而逐漸升高。

2.4 廢棄窯洞依窯建房數(shù)值模擬

窯前建房后，建筑物遮光、擋風(fēng)、擋水，導(dǎo)致廢棄的窯洞更加潮濕(3種狀態(tài)下的土層含水量見表1所示)。為此，通過FLAC3D模型，采用室內(nèi)測得的窯洞潮濕狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)進(jìn)行運算，計算所得依窯建房最大位移和最大應(yīng)力如圖8～9所示。

圖8 依窯建房最大位移圖

圖9 依窯建房最大應(yīng)力圖

從圖8可知，由于窯洞廢棄，含水量增大，引起窯洞附近土體抗剪強(qiáng)度降低，窯洞上部土體形成滑動面，坡體在坡腳位移集中，其中窯洞腿部位移急劇增大，引起坡腳位移增大。窯洞廢棄導(dǎo)致附近土體強(qiáng)度降低，坡腳發(fā)生位移集中，致使坡體上部土體位移隨之增大，降低了坡體的穩(wěn)定性。

從圖9可知，坡體應(yīng)力在窯洞位置及坡體中上部急劇增加，在坡腳發(fā)生應(yīng)力集中，窯洞腿部應(yīng)力達(dá)到最大，窯腿首先到達(dá)破壞極限，帶動整個滑體誘發(fā)滑坡。坡體在窯洞發(fā)生應(yīng)力集中，窯洞腿部剪應(yīng)力最先超過抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致窯洞坍塌，致使坡腳產(chǎn)生變形破壞，破壞區(qū)迅速延伸形成貫通滑面，上部坡體失去窯洞的支撐后，迅速滑落，誘發(fā)滑坡。

總體來說，窯洞廢棄土體吸潮，土體含水量增加，土體容重增大，強(qiáng)度降低，正應(yīng)力和剪應(yīng)力急劇增大，主要原因是土體含水量增加導(dǎo)致應(yīng)力增加，并最終接近抗剪強(qiáng)度；窯洞腿部首先超過抗剪抗度，土體發(fā)生剪切破壞，邊坡失穩(wěn)，誘發(fā)滑坡。

2.5 專利發(fā)泡砂漿填充模擬

研究表明，黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水量增大而逐漸減小[11]，故為避免廢棄窯洞進(jìn)一步誘發(fā)黃土滑坡，急需對廢棄窯洞加以處置。常規(guī)的填充方法有填磚加固法、澆筑砼加固法以及灰土膨脹法等。但是填磚加固法勞動強(qiáng)度大，并且在洞內(nèi)砌磚不易填實，不能很好地傳遞荷載；澆筑砼加固法造價高，而且在澆筑之后窯洞底部承受的砼自重非常大，再加上坡體本身的自重，易造成窯洞底部土體下沉，影響坡體的穩(wěn)定性；灰土膨脹法施工復(fù)雜，填充效果不夠理想。專利技術(shù)發(fā)泡砂漿是一種以普通硅酸鹽水泥漿為主材料，以穩(wěn)泡增強(qiáng)劑為摻合料，添加發(fā)泡劑攪拌后，漿液中氣泡迅速增長并部分保持至結(jié)石體形成的一種輕質(zhì)填充材料[12]。其物理力學(xué)參數(shù)見表2所示(其控制參數(shù)因涉及技術(shù)保密問題，不便提供)。

表2 發(fā)泡砂漿填充材料的基本物理力學(xué)參數(shù)

清理廢棄窯洞虛土至老土層，洞口砌三七磚檔墻，在拱頂每隔1.5 m開挖1個直徑50 mm的施工洞，以便于施工和填充效果監(jiān)測，并采用注漿管注入專利發(fā)泡砂漿至洞頂。相比于傳統(tǒng)方案，該施工方案要求明確，造價低，效果理想；并且專利發(fā)泡砂漿具有主動工作的性能，固化過程具有很好的膨脹性，能充填全部窯洞空腔并對窯洞產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力(膨脹應(yīng)力)，具有很好的受力傳遞性[9]30。

選取窯洞中軸線方向剖面為典型剖面，分別采集并記錄各工況下典型剖面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如圖10所示(因為窯洞在開挖后臨空，所以(b)(c)2個工況下潛在滑面長度縮短為24 m)。

圖10 4種工況典型剖面的應(yīng)力分布

鴕鳥臺滑坡各工況穩(wěn)定系數(shù)的計算結(jié)果(表3)表明，人工切坡后邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)較高，窯洞開挖降低了坡體的穩(wěn)定性，但是仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。窯洞廢棄之后，黃土吸潮導(dǎo)致坡體穩(wěn)定系數(shù)逐步降低，邊坡的穩(wěn)定性降低致邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡。其中窯洞廢棄依窯建房安全系數(shù)為0.93，處于不定狀態(tài)；廢棄窯洞填充安全系數(shù)為1.31，小于人工斬坡后的1.55，并大于窯洞正常居住期間的1.26，邊坡處于相對安全穩(wěn)定狀態(tài)，填充效果良好。2008年選擇鴕鳥臺滑坡附近一處廢棄窯洞進(jìn)行填充，至今坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)裂縫等破壞現(xiàn)象。

表3 鴕鳥臺滑坡各工況穩(wěn)定系數(shù)

可見，廢棄窯洞填充之后，剖面應(yīng)力分布及變化趨勢基本上保持一致。剖面沿豎直向下方向正應(yīng)力和剪應(yīng)力均緩慢增大，剖面的剪應(yīng)力均低于抗剪強(qiáng)度，說明采用專利發(fā)泡砂漿填充廢棄窯洞，可以避免發(fā)生坡體變形破壞誘發(fā)的滑坡。

3 結(jié)論

本研究通過三軸剪切試驗對黃土土體的強(qiáng)度特性以及黃土變形破壞誘發(fā)滑坡的機(jī)理展開研究，并運用FLAC3D軟件對廢棄窯洞進(jìn)行人工切坡、窯洞開挖、窯洞廢棄依窯建房和廢棄窯洞填充4個工況的數(shù)值模擬，探討廢棄窯洞滑坡的誘發(fā)因素及治理措施，得到如下2點主要結(jié)論：

1)人工切坡開挖窯洞改變了邊坡的形態(tài)，臨空面增大，荷載重新分布，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；窯洞開挖之后，局部卸荷坡腳位置發(fā)生應(yīng)力集中，窯腿位置應(yīng)力最大，其次是洞頂，剪應(yīng)力隨埋深逐漸增大，處于蠕變狀態(tài)；窯洞廢棄黃土吸潮，含水量增加，土體容重增加，進(jìn)一步改變了土體的抗剪強(qiáng)度，降低了邊坡的穩(wěn)定性，即穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，直至邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡。模擬結(jié)果與實際邊坡破壞情況吻合。

2)發(fā)泡砂漿材料固化過程具有很好的和膨脹性，能充填全部窯洞空腔且固化物能對窯洞產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力(膨脹應(yīng)力)，對窯洞空腔起到支撐作用，使窯洞所在坡體發(fā)生新的應(yīng)力分布，進(jìn)而邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，所以適合作為廢棄窯洞回填材料。廢棄窯洞填充之后，剖面應(yīng)力分布及變化的趨勢基本上保持一致，剖面沿豎直向下方向正應(yīng)力和剪應(yīng)力均緩慢增大，剖面的剪應(yīng)力均低于抗剪強(qiáng)度，說明采用此材料對廢棄窯洞進(jìn)行填充，可以避免因坡體變形破壞所誘發(fā)的滑坡。