窑洞废弃依窑建房引起边坡失稳数值模拟研究

刘学会，程建伟

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作，454000)

随着生活水平的改善，窑洞地区居民纷纷弃窑建房。由于其较为特殊的地形，往往直接依窑建房。但人工开挖的窑洞改变了原有坡体的平衡，且窑洞本身具有不通风、阴暗潮湿的特点。在废弃的窑洞前方修建房屋又形成了挡风、阻水、遮光的效果，使得窑洞更加阴暗潮湿，导致窑洞坍塌诱发滑坡掩埋房屋，严重危害了当地人民的生命和财产安全[1]。

1 滑坡概况

陕西省延安市吴起县吴起镇鸵鸟台，在窑洞废弃情况下引发了滑塌灾害。崩塌体高度30～45m，坡度一般为45～50°，局部坡度可达65°以上。滑塌物在滑塌体后壁较缓处和坡体前缘堆积，堆积厚度2～8m。滑坡后形成的堆积体高28m，底边长39m。根据实地考察，发生滑坡的坡脚Q2黄土中建有4孔窑洞，原住2户居民，窑洞深 6m，跨度3m，高 3.5m。图1为鸵鸟台滑坡地质剖面图，该滑坡发生前窑洞已废弃多年，紧邻窑洞正前方建有一排民房，滑坡发生前坡顶未见开裂现象[2]。

图1 鸵鸟台滑坡剖面图Fig.1 Profile of ostrich tai landslide

2 数值模拟方案

2.1 有限元模型

窑洞废弃土体吸潮，土体含水量增加，土体容重增大，使得土体的抗剪强度降低。窑前建房后遮光、挡风、挡水，导致废弃的窑洞更加潮湿[3]。采用M-C模型作为屈服准则，建立FLAC3D模型如图2所示，采用室内测得的窑洞潮湿状态下力学参数进行运算[4]。

图2 有限元模型Fig.2 The finite element model

2.2 监测点布置

在有限元模型与地质剖面相同位置的剖面，布置16个监测点对位移、剪应力及剪应变进行监测，对采集数据进行分析。紧邻坡脚建设房屋之后，新建的建筑遮光、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，监测点设置与受潮区如图3所示：

图3 监测点分布图Fig.3 The distribution curve of monitoring points

3 位移与应力分析

3.1 位移分析

图4(a)、4(b)为水平位移图，图5(a)、5(b)为竖直位移图，图6(a)、6(b)为最大位移图，描述了坡体内部的位移分布特征。分析位移云图可以看出，坡脚处位移集中，其中窑洞腿部位移急剧增大，引起坡脚位移增大，窑洞贯通正上方坡体，发生滑坡[5]。

图4 (a)X方向水平位移图Fig.4 (a)The coutour of X-displacement

图4 (b)水平位移侧面图Fig.4 (b)Horizontal displacement profile

图5 (a)Z方向竖直位移图Fig.5 (a)The contour of Z-displacement

图5 (b)竖直位移侧面图Fig.5 (b)Vertical displacement profile

图6 (a)最大位移图Fig.6 (a)The contour of maximum displacement

图6 (b)最大位移侧面图Fig.6 (b)Maximum displacement profile

选择选定的16个监测点数据，进行同一长度(Y方向)不同点的位移分布和同一高度(Z方向)不同点的位移对比分析。得出高度相同时不同点的位移值分布图如图7所示，及长度相同时不同点的位移值分布图如图8所示。

图7 同一高度的不同点的位移分布Fig.7 Displacement distribution curves at different points with the same height

分析图7可以得到，在同一高度的不同点位移随着边坡长度的增大逐渐减小，其中最大位移值0.049 943 1m。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。

图8 同一长度的不同点的位移分布Fig.8 Displacement distribution curves at different points with the same length

分析图8可以得到，在同一长度的不同点随着边坡高度的增加位移逐渐增大，其中最大位移值0.004 68m。结合位移云图分析，位移主要集中在坡脚，引起坡体上部土体位移增大，降低了坡体的稳定性。

3.2 应力分析

图9(a)、9(b)为水平应力图，图10(a)、10(b)为竖直应力图，图11(a)、11(b)为最大应力图。其共同描述了坡体内部的应力分布状态[6]。从应力云图可以看出，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，窑洞腿部首先到达破坏极限，带动整个滑体诱发滑坡。

图9 (a)XY方向应力图Fig.9 (a)The contour of XY-stress

图9 (b)XY方向应力图侧面Fig.9 (b)The profile of XY-stress

图10 (a)XZ方向应力图Fig.10 (a)The contour of XZ-stress

图10 (b)XZ方向应力侧面图Fig.10 (b)The profile of XZ-stress

图11 (a)最大应力图Fig.11 (a)The contour of max.principal stress

图11 (b)最大应力侧面图Fig.11 (b)The profile of max.principal stress

图12(a)、图12(b)为最大剪切应力图，图13(a)、图13(b)为剪切应力增量图。分析可得，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。

图12 (a)最大剪应力图Fig.12 (a)The contour of max.shear stress

图12 (b)最大剪应力侧面图Fig.12 (b)The profile of max.shear stress strain increment

图13 (a)最大剪应力增量图Fig.13 (a)The contour of max.shear stress strain increment

图13 (b)最大剪应力增量侧面图Fig.13 (b)The profile of max.shear stress strain increment

根据选定的16个监测点，进行相关应力值数据采集。并对监测点数据进行对比分析，确定应力变化规律。

对16个监测点进行相同长度(Y方向)不同点的Sxy(XY方向应力值)和Sxz(XZ方向应力值)分布和相同长度(Z方向)不同点的Sxy和Sxz对比分析，得出高度相同时不同点的位移值分布图(见图14)，长度相同时不同点的位移值分布图(见图15)。

图14 同一高度的不同点的Sxy和Sxz分布Fig.14 The Sxy and Sxz distribution curves at different points with the same height

分析图14可以得到，在同一高度的不同点的XY方向应力值和XZ方向应力值随着边坡长度的增大逐渐增大，最大Sxy及Sxz坐标均出现在窑洞腿部位置，窑洞腿部位置首先达到剪切破坏极限，造成边坡失稳破坏诱发滑坡[7]。

图15 同一长度的不同点的Sxy和Sxz分布Fig.14 The Sxy and Sxz distribution curves at different points with the same length

分析图15可以得到，在同一长度不同点的XY方向应力值和XZ方向应力值随着边坡高度的增大逐渐减小。结合剪应力云图，易知窑洞腿部位置造成应力集中。这是因为随着埋深增加剪应力逐渐增大所致[8]。

人工开挖窑洞、窑洞废弃依窑建房等工程活动形成人工高陡边坡，这些活动造成了不同程度的边坡形态改变，破坏了原有的坡体力学平衡。窑洞建筑普遍具有通风和采光不良的缺点[9]。窑洞正常居住时，日常取暖和有意识的打开门窗通风等能维持窑洞内土体的干燥。但是窑洞废弃后，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。当含水量达到一定的程度，便会引起窑洞坍塌诱发滑坡[10]。

4 结论

通过废弃窑洞依窑建房数值模拟及监测点数据分析，同时对废弃窑洞依窑建房诱发滑坡破坏机理进行研究，得出以下几点结论：

1)建立边坡模型，确定了数值模拟方案。在有限元模型与地质剖面相同位置的剖面，进行多个监测点位移、剪应力及剪应变的监测，并进行了云图采集、分析。为窑洞废弃引起边坡失稳的数值模拟提供参考依据。

2)根据模拟监测数据，得到位移和应力的变化规律。窑洞废弃依窑建房工况下位移及应力值在同一高度不同点随着边坡长度的增加逐渐减小，在同一长度不同点随着高度增加逐渐增大。

3)经过数值模拟分析，窑洞废弃黄土吸潮致含水量增加，土体容重增加。降低了土体的抗剪强度和边坡稳定性，使得稳定性系数不断降低。致边坡失稳诱发滑坡，模拟结果与实际边坡破坏情况吻合。