废弃窑洞诱发黄土滑坡机理与回填技术研究

王 辉，程建伟，龚 健，赵 璐

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

废弃窑洞诱发黄土滑坡机理与回填技术研究

王 辉，程建伟，龚 健，赵 璐

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

在对延安市鸵鸟台滑坡进行实地考察的基础上，测试了斩坡建窑、窑洞正常居住、窑洞废弃等3种工况窑洞区黄土的物理力学参数，运用数值计算软件研究了上述工况坡体典型剖面的应力和强度变化规律。结果表明，由于缺少正常维护，废弃窑洞洞顶存在渗水导致废弃窑洞洞壁黄土含水量增加，窑洞最内侧拱顶剪应力达到抗剪强度，易产生坍塌从而诱发滑坡。本文研制了一种发泡砂浆材料，该材料可作为废弃窑洞的理想充填物。

窑洞；含水量；数值模拟；滑坡；充填

1 滑坡概况

鸵鸟台原为一古滑体前缘经人工切坡形成的高陡边坡，边坡高度约33 m，其中下部为中更新统(Q2)黄土，上部为上更新统(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，其典型剖面如图1所示。2009年9月废弃多年的窑洞发生坍塌并诱发坡体滑动，毁坏紧邻窑洞前面修建的5间住房。

图1 鸵鸟台滑坡典型剖面图

长期以来，虽然窑洞建筑普遍具有通风和采光不良的缺点，但作为安家立命之所，窑洞正常居住时，人们很重视对窑洞本身以及其依附的坡体维护。坡面上出现的裂缝和落水洞均得到妥善处理，窑洞一般不会出现渗漏水现象，加之日常取暖做饭和有意识的开门开窗通风能保持窑洞洞身土体的干燥。但是窑洞废弃以后，坡体的正常维护被忽视，坡面裂缝和落水洞开始出现并持续发育，久而久之，窑洞拱顶开始渗漏和小范围剥落。尤其是紧邻坡脚建设房屋之后，新建建筑遮光、挡风作用明显，原始坡面入渗水和洞口建筑屋面水在废弃窑洞洞身和洞口难以消散，导致废弃窑洞洞身含水量升高[1]。

对吴起镇近郊9孔废弃窑洞的现场考察发现，多年废弃的窑洞洞顶均存在不同程度的渗水现象，部分窑洞洞顶存在多个渗水点，渗水点影响范围已相互连通，土体相当潮湿，存在片塌现象。窑洞洞腿下部约1.2 m高度范围内也比较潮湿，部分窑洞洞腿剥落掉块。对同一区域13孔正常居住窑洞的现场考察发现，窑洞洞壁土体比较干燥，均无明显渗水点。对废弃窑洞和正常居住窑洞洞顶土体分别采样现场测定其含水量。在同一区域同一地层采取人工斩坡坡面的干燥原状土，采用水膜迁移法制备对应上述两种含水量的土样，进行室内试验，主要物理力学参数如表1所示。

表1 不同含水率黄土的主要物理力学参数

从表1可以看出，人工斩坡、正常居住和窑洞废弃3种工况下，随着含水率的增大，黄土的粘聚力大幅度降低，而含水量变化对内摩擦角影响不明显，这是因为含水量的增加会使得黄土颗粒间的胶结物(以可溶盐为主)溶解，从而会破坏黄土的结构性，使其强度降低[2-5]，甚至导致废弃窑洞顶部土体垮塌破坏，诱发边坡失稳，威胁坡脚居民生命财产安全。

2 建模计算与结果分析

为研究斩坡建窑、窑洞正常居住、窑洞废弃等阶段坡体的稳定状态和废弃窑洞的处置方法，采用FLAC数值计算软件，沿边坡的主滑方向，建立人工斩坡、窑洞开挖后正常居住和窑洞废弃等3个模型，进行模拟计算，计算采用表1中的物理力学参数。计算结果如表2所示。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，但是边坡仍处于稳定状态。窑洞废弃之后，洞壁黄土含水量增大导致力学参数值降低[6-7]，边坡的稳定性降低至边坡失稳发生滑坡。

表2 鸵鸟台滑坡各工况稳定系数

沿滑坡方向选取窑洞中轴线这一最不利剖面为典型剖面，分别采集后两种工况下该典型剖面与最危险滑动面交线的剪应力和抗剪强度，如图2和图3所示。

图2 窑洞正常居住时最危险滑面上应力分布 图3窑洞废弃时最危险滑面上应力分布

从图2和图3可以看出，窑洞正常居住其间，典型剖面与最危险滑动面交线的剪应力从坡体后部向前缓慢增大，但均低于抗剪强度，坡体处于稳定状态；窑洞废弃后，坡体的抗剪强度降低，坡体前部，接近窑洞后墙上部位置，剪应力首先达到抗剪强度，窑洞顶部洞壁自后向前依次发生剪切破坏并最终诱发滑坡。

3 废弃窑洞处置措施讨论

目前，窑洞废弃和窑前建房将是长期的趋势，为避免废弃窑洞垮塌引起黄土滑坡从而威胁坡前建筑，应该对废弃窑洞采取合理的处置措施。研究表明[6]，尽管黄土的结构强度随含水量增大呈不断降低的趋势，但其结构屈服应变均很小，约在0.875%～1.125%之间，且随含水量变化的改变不明显。这就要求废弃窑洞的充填物质应该具有主动工作的性能，固化过程应具有很好的流动性和膨胀性，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)。专利技术发泡混凝土[8]是一种以普通硅酸盐水泥浆为主材料，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充填材料。其和易性好，不泌水，膨胀率可在1倍～7倍范围内调控。膨胀率控制为4倍时，结石体的物理力学参数如表3所示。对应结石体单方材料价约75元。废弃窑洞充填时可在洞口采用37砖墙或土工布编织袋装填黄土码放对窑洞进行封闭，然后采用泵送或者人工串筒送料的方式进行充填。

表3 发泡砂浆充填材料的基本物理力学参数

图4 废弃窑洞充填后最危险滑面的应力分布

用FLAC对采用该材料充填后的废弃窑洞进行计算，结果表明，废弃窑洞充填后坡体的安全系数为1.31，小于人工斩坡后的1.55，但大于窑洞正常居住期间的1.26，边坡处于安全稳定状态。充填后边坡典型剖面与最危险滑动面交线的应力分布如图4所示，从图4可以看出，充填后坡体典型剖面与最危险滑动面交线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充填，可以避免发生坡体变形破坏诱发滑坡。

4 结 语

运用FLAC数值计算软件对斩坡建窑、窑洞正常居住、窑洞废弃坡脚建房和废弃窑洞充填等4种工况坡体的稳定状态和应力分布规律进行了分析对比，结果表明：

(1)斩坡建窑、窑洞正常居住两种工况坡体处于稳定和基本稳定状态。

(2)窑洞废弃后，坡脚新建建筑遮光、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，黄土力学参数降低，土体容重增加，应力增大，最终导致坡体前部，尤其是废弃窑洞后墙上部土体剪应力超过抗剪强度，窑洞坍塌诱发滑坡。

(3)发泡砂浆材料材料固化过程具有很好的流动性和膨胀性，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)，充填后边坡处于安全稳定状态，适合作为废弃窑洞回填材料。

[1] 陈春利，殷跃平，李同录.窑洞开挖诱发浅层黄土滑坡的变形机理模拟[J].地质通报，2013，32(12)：1962-1967.

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Study on Mechanism of Loess landslide Induced by Deserted Caves and Backfilling Technology

WANG Hui， CHENG Jianwei， GONG Jian， ZHAO Lu

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Based on field investigation into Tuoniaotai landslide in Yan′an city, the physical and mechanical parameters of the loess in cave body are tested under different working conditions, which includes excavating，dwelling and deserted caves. The stress and strength change of the typical section are studied using finite element software. The results show that because of a lack of normal maintenance，water penetrated the vault crown of the deserted caves，and the moisture content of the body increases，and the soil bulk density increased, and the caves collapse and eventually induced landslides. A new material named foamed mortar was developed according to the characteristics of deserted caves, which has good liquidity to fill in the cavity before curing and good expansibility to provide pre-stress for the body of the cave after curing. As a result, it can be used as the ideal backfill material.

caves; moisture content; simulation; landslides; backfill

2017-03-10

王 辉(1976-)，男，河南舞阳人，博士，副教授,主要从事岩土工程方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.008

TU36

A

1674-5403(2017)02-0028-03