延安地区废弃窑洞诱发黄土滑坡的破坏机理分析

刘汉阳

（湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040）

延安地区废弃窑洞诱发黄土滑坡的破坏机理分析

刘汉阳*

（湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040）

近年来，我国北方黄土地区人工开挖引发的滑坡、崩塌灾害频发，学者们对此进行了深入研究并取得了丰硕成果，这些成果主要关注人工开挖引发的黄土滑塌，针对废弃窑洞诱发黄土滑坡的研究却寥寥无几，因此本文的研究目的旨在揭开此类滑坡的破坏机理，为当地建设提供参考依据。以延安市富县三亩台滑坡为例，依据现场测量资料复原滑前边坡地质模型，取各土层原状样获取物理力学参数，进而利用Midas-GTS软件在分析硐室方面的优势，分复原边坡、窑洞开挖和窑洞废弃3个施工步进行三维数值模拟，分析滑面上偏应力q和抗剪强度qf的变化规律，最终揭示废弃窑洞引发黄土滑坡的破坏机理。CU试验结果显示，Q3天然黄土的应力—应变曲线具有从软化型渐变到硬化型的特征；Q2天然黄土均为应变软化型，含水量增大时，Q2黄土亦出现应变硬化的特点。有限元结果表明，窑洞开挖后坡脚应力会产生较大的波动但对边坡整体应力场的影响很小；窑洞废弃后洞内水气流通不畅，致使坡脚隔水层顶面土体含水量逐渐增加，强度降低，导致边坡失稳破坏。

破坏机理；窑洞；黄土滑坡；有限元法；三维模拟

我国目前居住在黄土窑洞中的人口约3000万，窑洞总建筑面积约为1.7×108m2,广泛分布在陕西、山西、宁夏、甘肃、青海、河南西部等地区[1]。众所周知，修建窑洞往往需要对自然边坡斩脚、挖洞，从而打破了边坡的自然稳定状态，进而可能诱发滑坡、崩塌等地质灾害。据相关资料记载，因人工开挖诱发黄土滑坡造成伤亡的案例时有发生。2004年5月23日，志丹县街道办城隍庙沟高志金家削坡建窑，引发黄土滑坡，造成1死3伤；2007年10月3日青平川采油厂因边坡开挖诱发滑坡，直接经济损失200多万元。目前，学者对人工开挖的边坡关注越来越多，却忽视了废弃窑洞的危害，事实上，废弃窑洞也可能引发滑坡。2005年10月12日发生的延安市富县三亩台滑坡就是窑洞废弃引发滑坡的典型案例。

本文以三亩台滑坡为例，首先根据周围未扰动的地形复原滑坡，结合裸露的滑坡后壁和剪出口位置确定主滑面形态，再往两侧扩展为三维圆弧滑面，建立含滑面的三维有限元模型[2]。考虑到边坡上部和卵砾石层顶面的Q2黄土含水量不同，分别取一组Q3黄土和两组Q2黄土原状样进行室内试验，获取土层的强度力学参数。然后利用Midas-GTS软件分复原边坡、窑洞开挖和窑洞废弃3个施工步进行三维数值模拟，得到边坡的应力场，再沿潜在滑面线提取各单元的主应力参数σ1、σ2、σ3，进而计算平均主应力p、偏应力q、应力罗德角θ以及抗剪强度qf，绘制各阶段滑面线附近各单元的q和qf关系曲线，最终揭示废弃窑洞诱发黄土滑坡的破坏机理[3]。

1 滑坡概况

三亩台滑坡位于陕西省延安市富县茶坊镇罗家塔村三亩台组。滑坡发生于2005年10月12日22时，滑前无降雨，坡顶无开裂迹象，滑坡发生时速度极快，事故造成2人死亡，1人被气浪掀出幸存，原坡脚的4孔窑洞和前排5间民房全部被毁。

三亩台滑坡位于罗家塔河二级阶地(T2)上，地层由上至下依次为Q3黄土、Q2黄土以及河流相的卵砾石层。Q3黄土厚约8m，Q2黄土厚约为22m，卵砾石层厚约5～6m，其中卵砾石层顶面的Q2黄土含水量较高，厚度约4m。滑坡轮廓清晰，后缘无明显裂缝及落水洞，坡顶裸露滑坡后壁直立，高差2～5m，边坡高33m，坡度72°，滑体长37m，宽26m，最大厚度15m，坡脚4孔拱形窑洞长均6m，宽3m，高2.5m（见图1、图2）。调查走访时发现，毁坏窑洞均已废弃，洞内昏暗潮湿，裂隙发育，局部土体已经坍塌，而正在居住的窑洞，通风良好，土体干燥，洞内无明显裂缝，洞壁洞顶稳定。

图1 三亩台滑坡实测地形图

图2 三亩台滑坡地质剖面图

2 参数测试与选取

2.1 CU试验

在现场取一组Q3黄土，两组Q2黄土原状样，其中一组为Q2天然黄土，一组位于卵砾石层顶面附近。分别对三组土样做常规试验和CU试验，CU试验采用应力—应变控制式三轴仪，围压依次为100、200、300、400kPa。三组土样的物理力学参数见表1，CU试验结果如下。

表1 滑坡区土层物理力学参数表

由试验可见，Q3天然黄土的应力—应变曲线具有从软化型渐变到硬化型的特征，各围压下Q2黄土的应力—应变曲线均为应变软化型，软化比介于0.47～0.85。剪切过程中Q3、Q2天然黄土两组试样均无孔隙水压力，即总应力强度和有效应力强度相同。当含水量增大时，100kPa围压下的Q2黄土曲线具有应变软化的特点，200～400kPa围压下曲线表现出应变硬化的特征。固结稳定后土体中孔压为零，剪切初期孔压很小，随着试验进行，孔压不断增长，最后趋于稳定。卵砾石层顶面的黄土含水量较大但远未达到饱和状态，土体中有大部分孔隙被气体充填。当土样在围压作用下固结稳定后，孔压降至0。剪切开始时，由于土样未饱和，加上体应变较小，此时基本无孔压，因此总应力和有效应力路径重合，随着孔隙内气体的排出，体应变εv不断增大，从某一点开始产生孔压，并持续增长，同时有效应力路径开始向左偏移，但最终偏移量较小，因此其总应力和有效应力强度相差不大，却明显小于天然状态下的强度参数。

2.2 参数计算

在p-q坐标系中，当试样达到破坏时，各路径曲线的终点近似一条直线，故可通过各路径的终点做直线，即破坏主应力线，简称为Kf线[4]。设Kf线的倾角α，与q轴的截距为d，α和d与c和φ的关系。

根据几何关系得到式(1)、(2)，由此求出强度参数c、φ。

3 数值模拟

为了反映边坡不同阶段应力场的变化，有限元分为复原边坡、窑洞开挖和窑洞废弃3个施工步进行模拟。模拟窑洞废弃时，根据含水量将Q2黄土分为上下两层。建模时，利用关于主剖面对称的抛物线方程将二维滑面扩展成三维滑动面[2]，用扩展的滑动面和分别过窑肩、窑间、窑顶的3条剖面将模型分割后，再划分网格，从而保证滑面线与实体单元的边界线重合，以便提取滑面线上的应力分量。在此基础上，选用Midas-GTS进行施工阶段的应力分析，材料的屈服准则选为摩尔—库伦，本构关系为理想弹塑性，参数依据试验结果取值（见表2），图3为该滑面的三维数值模型，图3中边坡走向约70m，坡脚4孔窑洞长6m，宽3m，高3m，3条剖面为分别1-1′、2-2′（图4）、3-3′。

表2 有限元模拟各土层参数取值

图3 三维数值模型

图4 剖面2-2′示意图

在后处理阶段，提取剖面与滑面交线附近单元的主应力分量σ1、σ2、σ3，根据公式(3)～(5)算出各单元的平均主应力p、偏应力q、应力罗德角θ，将p、θ代入式(6)得到单元屈服时的偏应力qf，作出不同阶段滑面线附近土体单元q与qf的关系曲线，分析比较各阶段滑面土体单元的偏应力、抗剪强度，从而获取滑坡失稳破坏过程中在滑动面上的响应，最终揭示此类滑坡的破坏机理。为了对比方便，在复原边坡阶段，3-3′剖面中的滑动面与窑洞相交部分不予考虑。

表明，自然斜坡一旦开挖成直立边坡，潜在滑面上的大部分土体单元已经屈服，但由于临近坡顶的单元仍有一定的安全储备，此时边坡稳定；揭示了窑洞开挖产生的应力释放对窑肩附近滑面线上的单元应力影响不明显，仅在坡脚产生小于30kPa的应力波动，但潜在滑面线上的屈服范围向坡顶延伸了5m；由于下部Q2黄土的含水量明显增加，造成滑面上土体单元的抗剪强度降幅高达150kPa，此时超出剪应力不断向周围未屈服单元卸载，使得潜在滑面线的屈服范围进一步向坡顶延伸，直至潜在滑动面附近的土体单元全部屈服，形成贯通面，导致边坡失稳并开始后滑动。

由于剖面2-2′的滑面线穿过4孔窑洞中间，因此人工削坡产生的坡脚应力集中程度更高，增量达到200kPa；坡脚修建窑洞产生的应力释放较窑间大，约为50～100kPa，潜在滑面线的屈服范围也扩展了4m；坡脚土体单元的应力释放造成了相邻土体单元应力集中，增幅高达500kPa。

剖面3-3′经过窑顶中心，导致修建窑洞时，窑顶附近土体单元的应力发生明显下降，降幅约50kPa。

以上分析表明，自然斜坡经人工削坡斩脚后，坡脚会出现明显的应力集中，且窑间的集中程度最高，此时靠近坡脚的大部分土体已屈服，但临近坡顶的土体单元仍有相当的安全储备，因此边坡仍处于稳定状态。修建窑洞会引起坡脚土体应力释放，但附近单元可能应力集中，不过对整个边坡的应力分布影响不大，屈服范围亦扩张有限，此时边坡仍处于稳定状态，无安全隐患。

窑洞废弃后，洞内常年阴暗潮湿，加上前排房屋挡风、遮光等诸多原因导致坡脚土体含水量逐渐增加，强度参数不断降低，边坡屈服范围逐步扩大并向坡顶干燥土层延伸，最终导致边坡整体失稳滑动。由于最后屈服的土体单元位于坡顶干燥土层，此时坡顶土体应力已高度集中，因此这种黄土滑坡具有突发、快速的特点。

4 结论

(1)三轴试验结果表明：Q3天然黄土的应力—应变曲线表现出由应变软化向应变硬化渐变的特征，而Q2天然黄土的应力—应变曲线均为应变软化型，当含水量增大时，Q2黄土强度急剧下降，应力—应变曲线表现出应变硬化的特征。

(2)自然斜坡形成直立边坡后，坡脚土体应力骤升并迅速达到屈服强度，而临近坡顶的单元还有一定的安全储备，此时边坡处于稳定状态。修建窑洞虽然造成坡脚应力产生较大波动，但对整个边坡的应力场影响较小，屈服范围亦扩张有限，此时边坡无安全隐患。窑洞废弃后，洞内土体水气流通不畅，使得坡脚隔水层顶面土体含水量逐渐增大，其抗剪强度不断减低，屈服范围逐渐扩大并向坡顶延伸，从而导致边坡失稳。由于最后屈服的土体单元位于坡顶，其土体干燥且应力已高度集中，因而这种黄土滑坡具有突发、快速的特点。

[1]侯继尧.陕西窑洞民居[J].建筑学报,1984,22(10):71-73.

[2]张常亮，李同录.三维边坡稳定性分析的解析算法[J].中国地质灾害与防治学报，2007,18(1):99-103.

[3]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[5]王靖泰，李永进，等.兰州黄土的土力学特征[J].甘肃科学学报，1996（8）(增):5-12.

[6]雷祥义.黄土高原地质灾害与人类活动[M].北京：地质出版社，2001.

[7]张常亮，王阿丹，邢鲜丽，李同录，李萍.侵蚀诱发黄土滑坡的机理分析[J].岩土力学.

P642.22

A

1004-5716(2015)11-0014-04

2015-06-10

2015-07-10

刘汉阳（1981-），男（汉族），湖北汉川人，工程师，现从事岩土工程、地质灾害方面的勘察与设计工作。