废弃窑洞滑坡诱发因素及治理措施的数值模拟

高东源，王 辉，程建伟，刘学会

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

在堆积和侵蚀的双重作用下，黄土高原沟壑纵横，呈现塬、梁、峁和沟壑等反差巨大的黄土地貌景观[1]。由于黄土高原特殊的地理环境，可耕地面积非常少，宅基地缺乏，自古以来就形成了斩坡建窑的生活习惯[2-4]。随着生活条件的提高和社会的快速发展，建设过程中对更多的黄土边坡进行开挖、斩坡等活动，使开挖坡体失去原有的平衡，常常会诱发滑坡[5]。调查显示：自20世纪50年代至2012年，陕西省的北部地区共发生了16 616个黄土滑坡和土崩，密度超过5个/km2；在陇西和陇东地区，自20世纪50年代至1992年，一共发生了14 109个黄土滑坡，密度超过6个/km2[6]。在延安地区类似的工程问题仍在不断增多[7-8]，严重威胁了当地居民的生命和财产安全。找到诱发因素是滑坡防治工作的前提和重要根据，这对地质灾害防治及地质环境保护具有现实意义。为此，本文就鸵鸟台废弃窑洞引起滑坡灾害问题，通过三轴剪切试验对黄土土体的强度特性以及黄土变形破坏诱发滑坡发生的机理展开研究，并通过数值模拟对废弃窑洞变形破坏、应力变化进行模拟，对比以往废弃窑洞的处理方法，探讨更优的废弃窑洞治理措施。

1 研究对象

本研究以吴起县鸵鸟台废弃窑洞滑坡为研究对象。吴起县鸵鸟台位于陕西省延安市的西北部，原为一古滑体前缘经人工切坡形成的高陡边坡，边坡高度33 m，其中下部为中更新Q2黄土，上部为上更新Q3黄土，总体坡度45°～50°，局部可达55°以上。坡体前缘斩坡后开挖有4孔窑洞，窑洞进深6 m，开间3 m，拱高3.5 m。鸵鸟台地处东经107°38′57″至108°32′49″，北纬36°33′33″至37°24′27″之间，境内地层由老到新依次为中生界白垩系华池组(K1h)、新生界新近系保德组(N2b)、第四系(Q)地层。县域内河流均属黄河水系，干流深切，支流密布。根据水文资料，吴起县多年地表径流量为1.357 6×108m3，地下水多年平均天然补给量为0.543 8×108m3，水资源总量1.901 4×108m3。鸵鸟台滑坡地质剖面如图1所示。

图1 吴起县鸵鸟台滑坡地质剖面图

2009年9月，这个废弃多年的窑洞发生坍塌并诱发坡体滑动，毁坏了紧邻窑洞修建的5间住房[9]28。

2 数值模拟

以鸵鸟台滑坡的原始边坡为模型，采用M-C模型作为屈服准则[10]，分人工切坡、窑洞开挖、窑洞废弃依窑建房以及窑洞填充4个阶段进行数值模拟。紧邻坡脚建设房屋之后，新建建筑遮光、挡风作用明显，原始坡面水和建筑屋面水在废弃窑洞洞口汇集，导致废弃窑洞洞壁潮湿，受潮范围即为数值模拟的重点研究区域。

2.1 计算模型

根据现场调查，该边坡高度33 m，坡度一般为45°～50°，局部可达65°以上。本文选择四孔窑洞所在区域为研究对象建立模型，计算模型沿x方向为边坡长度，y为边坡宽度，z为变边坡高度方向，取得尺寸为x=16 m，y=52 m，z=33 m，共划分单元数为113 184个，节点数为117 438个。鸵鸟台有限元模型具体如图2所示。其中outside4为Q3黄土，其余均为Q2黄土。

图2 鸵鸟台有限元模型

计算模型除坡面为自由边界外，模型底部及四周均为固定约束边界。该计算模型选择Mohr-Coulomb本构模型，按上述约束条件只考虑重力的作用，进行弹塑性求解，为第一阶段人工开挖；计算达到平衡之后清零位移，进行边坡的开挖即窑洞开挖，为第二阶段；根据三轴试验所得参数，调整窑洞吸水受潮范围，再次进行计算，直至平衡，此为第三阶段。

建立模型的计算参数均选自于三轴压缩实验结果，因三轴试验仅选用窑洞洞顶Q2黄土，故模拟亦仅依据Q2黄土的相关参数。各含水状态下黄土试样的强度参数如表1所示。

表1 Q2各含水状态下黄土试样强度参数

2.2 人工切坡数值模拟

人工切坡模拟结果如图3～4所示。

图3 最大位移图

图4 最大应力侧面图

从图3可以看出，位移圆弧层状均匀分布，最大位移出现在坡顶处，随着埋深的增加，位移逐渐趋于稳定。从图4可见，在垂直方向上，坡体受力非常均匀，没有出现突变的不规则变化；坡体的应力由上而下，并随埋置深度逐渐增加。说明在垂直方向坡体主要受土体自重影响；至于坡体的水平应力，由于土体自身变形特性，随着埋深增加而增加，只是在坡脚发生了突变，产生了一定程度的应力集中。

2.3 窑洞开挖数值模拟

根据实测地形，对原有四孔窑洞的FLAC3D软件模型进行参数设置，模拟开挖计算至平衡，然后在坡脚开挖的基础上进行窑洞开挖(开挖模型如图5所示)，开挖模型收敛速度很快，收敛时步为10 300步左右，说明边坡内部合力达到平衡。

图5 窑洞开挖模型

窑洞开挖最大位移和最大应力如图6～7所示。

图6 窑洞开挖最大位移图

图7 窑洞开挖最大应力图

分析图6可知，边坡处于稳定蠕变状态，坡体的潜在变形模式为坡体中下部形成的圆弧式滑移；坡脚窑洞位移集中，这是窑洞开挖促使局部土体卸荷作用所致，短时间不会发生滑坡。窑洞开挖之后，坡体内力重新分布，坡体位移在窑洞上部形成滑移面，窑洞开挖局部卸荷，在窑腿位置形成位移集中。可见，由于窑洞开挖卸荷，坡体中下部形成圆弧式滑移面，上部土体较下部土体更容易发生运动，即位移增大。

分析图7可知，在垂直方向上，应力随埋深增加逐渐增大，且在坡脚窑洞发生应力集中。其中窑洞腿部应力最大，其次是洞顶，这是由于窑洞开挖造成两窑洞间应力集中，处于蠕变状态。

可见，窑洞开挖之后，坡体内力重新分布，应力呈圆弧层状分布且随着埋深的增加而逐渐升高。

2.4 废弃窑洞依窑建房数值模拟

窑前建房后，建筑物遮光、挡风、挡水，导致废弃的窑洞更加潮湿(3种状态下的土层含水量见表1所示)。为此，通过FLAC3D模型，采用室内测得的窑洞潮湿状态下力学参数进行运算，计算所得依窑建房最大位移和最大应力如图8～9所示。

图8 依窑建房最大位移图

图9 依窑建房最大应力图

从图8可知，由于窑洞废弃，含水量增大，引起窑洞附近土体抗剪强度降低，窑洞上部土体形成滑动面，坡体在坡脚位移集中，其中窑洞腿部位移急剧增大，引起坡脚位移增大。窑洞废弃导致附近土体强度降低，坡脚发生位移集中，致使坡体上部土体位移随之增大，降低了坡体的稳定性。

从图9可知，坡体应力在窑洞位置及坡体中上部急剧增加，在坡脚发生应力集中，窑洞腿部应力达到最大，窑腿首先到达破坏极限，带动整个滑体诱发滑坡。坡体在窑洞发生应力集中，窑洞腿部剪应力最先超过抗剪强度，导致窑洞坍塌，致使坡脚产生变形破坏，破坏区迅速延伸形成贯通滑面，上部坡体失去窑洞的支撑后，迅速滑落，诱发滑坡。

总体来说，窑洞废弃土体吸潮，土体含水量增加，土体容重增大，强度降低，正应力和剪应力急剧增大，主要原因是土体含水量增加导致应力增加，并最终接近抗剪强度；窑洞腿部首先超过抗剪抗度，土体发生剪切破坏，边坡失稳，诱发滑坡。

2.5 专利发泡砂浆填充模拟

研究表明，黄土的结构强度随含水量增大而逐渐减小[11]，故为避免废弃窑洞进一步诱发黄土滑坡，急需对废弃窑洞加以处置。常规的填充方法有填砖加固法、浇筑砼加固法以及灰土膨胀法等。但是填砖加固法劳动强度大，并且在洞内砌砖不易填实，不能很好地传递荷载；浇筑砼加固法造价高，而且在浇筑之后窑洞底部承受的砼自重非常大，再加上坡体本身的自重，易造成窑洞底部土体下沉，影响坡体的稳定性；灰土膨胀法施工复杂，填充效果不够理想。专利技术发泡砂浆是一种以普通硅酸盐水泥浆为主材料，以稳泡增强剂为掺合料，添加发泡剂搅拌后，浆液中气泡迅速增长并部分保持至结石体形成的一种轻质填充材料[12]。其物理力学参数见表2所示(其控制参数因涉及技术保密问题，不便提供)。

表2 发泡砂浆填充材料的基本物理力学参数

清理废弃窑洞虚土至老土层，洞口砌三七砖档墙，在拱顶每隔1.5 m开挖1个直径50 mm的施工洞，以便于施工和填充效果监测，并采用注浆管注入专利发泡砂浆至洞顶。相比于传统方案，该施工方案要求明确，造价低，效果理想；并且专利发泡砂浆具有主动工作的性能，固化过程具有很好的膨胀性，能充填全部窑洞空腔并对窑洞产生一定的预应力(膨胀应力)，具有很好的受力传递性[9]30。

选取窑洞中轴线方向剖面为典型剖面，分别采集并记录各工况下典型剖面的正应力、剪应力和抗剪强度，结果如图10所示(因为窑洞在开挖后临空，所以(b)(c)2个工况下潜在滑面长度缩短为24 m)。

图10 4种工况典型剖面的应力分布

鸵鸟台滑坡各工况稳定系数的计算结果(表3)表明，人工切坡后边坡的安全稳定系数较高，窑洞开挖降低了坡体的稳定性，但是仍处于稳定状态。窑洞废弃之后，黄土吸潮导致坡体稳定系数逐步降低，边坡的稳定性降低致边坡失稳发生滑坡。其中窑洞废弃依窑建房安全系数为0.93，处于不定状态；废弃窑洞填充安全系数为1.31，小于人工斩坡后的1.55，并大于窑洞正常居住期间的1.26，边坡处于相对安全稳定状态，填充效果良好。2008年选择鸵鸟台滑坡附近一处废弃窑洞进行填充，至今坡体处于稳定状态，未出现裂缝等破坏现象。

表3 鸵鸟台滑坡各工况稳定系数

可见，废弃窑洞填充之后，剖面应力分布及变化趋势基本上保持一致。剖面沿竖直向下方向正应力和剪应力均缓慢增大，剖面的剪应力均低于抗剪强度，说明采用专利发泡砂浆填充废弃窑洞，可以避免发生坡体变形破坏诱发的滑坡。

3 结论

本研究通过三轴剪切试验对黄土土体的强度特性以及黄土变形破坏诱发滑坡的机理展开研究，并运用FLAC3D软件对废弃窑洞进行人工切坡、窑洞开挖、窑洞废弃依窑建房和废弃窑洞填充4个工况的数值模拟，探讨废弃窑洞滑坡的诱发因素及治理措施，得到如下2点主要结论：

1)人工切坡开挖窑洞改变了边坡的形态，临空面增大，荷载重新分布，但仍处于稳定状态；窑洞开挖之后，局部卸荷坡脚位置发生应力集中，窑腿位置应力最大，其次是洞顶，剪应力随埋深逐渐增大，处于蠕变状态；窑洞废弃黄土吸潮，含水量增加，土体容重增加，进一步改变了土体的抗剪强度，降低了边坡的稳定性，即稳定系数不断减小，直至边坡失稳诱发滑坡。模拟结果与实际边坡破坏情况吻合。

2)发泡砂浆材料固化过程具有很好的和膨胀性，能充填全部窑洞空腔且固化物能对窑洞产生一定的预应力(膨胀应力)，对窑洞空腔起到支撑作用，使窑洞所在坡体发生新的应力分布，进而边坡处于安全稳定状态，所以适合作为废弃窑洞回填材料。废弃窑洞填充之后，剖面应力分布及变化的趋势基本上保持一致，剖面沿竖直向下方向正应力和剪应力均缓慢增大，剖面的剪应力均低于抗剪强度，说明采用此材料对废弃窑洞进行填充，可以避免因坡体变形破坏所诱发的滑坡。