廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理與回填技術(shù)研究

王 輝，程建偉，龔 健，趙 璐

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

廢棄窯洞誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理與回填技術(shù)研究

王 輝，程建偉，龔 健，趙 璐

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

在對延安市鴕鳥臺滑坡進(jìn)行實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，測試了斬坡建窯、窯洞正常居住、窯洞廢棄等3種工況窯洞區(qū)黃土的物理力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算軟件研究了上述工況坡體典型剖面的應(yīng)力和強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)果表明，由于缺少正常維護(hù)，廢棄窯洞洞頂存在滲水導(dǎo)致廢棄窯洞洞壁黃土含水量增加，窯洞最內(nèi)側(cè)拱頂剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度，易產(chǎn)生坍塌從而誘發(fā)滑坡。本文研制了一種發(fā)泡砂漿材料，該材料可作為廢棄窯洞的理想充填物。

窯洞；含水量；數(shù)值模擬；滑坡；充填

1 滑坡概況

鴕鳥臺原為一古滑體前緣經(jīng)人工切坡形成的高陡邊坡，邊坡高度約33 m，其中下部為中更新統(tǒng)(Q2)黃土，上部為上更新統(tǒng)(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，其典型剖面如圖1所示。2009年9月廢棄多年的窯洞發(fā)生坍塌并誘發(fā)坡體滑動(dòng)，毀壞緊鄰窯洞前面修建的5間住房。

圖1 鴕鳥臺滑坡典型剖面圖

長期以來，雖然窯洞建筑普遍具有通風(fēng)和采光不良的缺點(diǎn)，但作為安家立命之所，窯洞正常居住時(shí)，人們很重視對窯洞本身以及其依附的坡體維護(hù)。坡面上出現(xiàn)的裂縫和落水洞均得到妥善處理，窯洞一般不會出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，加之日常取暖做飯和有意識的開門開窗通風(fēng)能保持窯洞洞身土體的干燥。但是窯洞廢棄以后，坡體的正常維護(hù)被忽視，坡面裂縫和落水洞開始出現(xiàn)并持續(xù)發(fā)育，久而久之，窯洞拱頂開始滲漏和小范圍剝落。尤其是緊鄰坡腳建設(shè)房屋之后，新建建筑遮光、擋風(fēng)作用明顯，原始坡面入滲水和洞口建筑屋面水在廢棄窯洞洞身和洞口難以消散，導(dǎo)致廢棄窯洞洞身含水量升高[1]。

對吳起鎮(zhèn)近郊9孔廢棄窯洞的現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，多年廢棄的窯洞洞頂均存在不同程度的滲水現(xiàn)象，部分窯洞洞頂存在多個(gè)滲水點(diǎn)，滲水點(diǎn)影響范圍已相互連通，土體相當(dāng)潮濕，存在片塌現(xiàn)象。窯洞洞腿下部約1.2 m高度范圍內(nèi)也比較潮濕，部分窯洞洞腿剝落掉塊。對同一區(qū)域13孔正常居住窯洞的現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，窯洞洞壁土體比較干燥，均無明顯滲水點(diǎn)。對廢棄窯洞和正常居住窯洞洞頂土體分別采樣現(xiàn)場測定其含水量。在同一區(qū)域同一地層采取人工斬坡坡面的干燥原狀土，采用水膜遷移法制備對應(yīng)上述兩種含水量的土樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 不同含水率黃土的主要物理力學(xué)參數(shù)

從表1可以看出，人工斬坡、正常居住和窯洞廢棄3種工況下，隨著含水率的增大，黃土的粘聚力大幅度降低，而含水量變化對內(nèi)摩擦角影響不明顯，這是因?yàn)楹康脑黾訒沟命S土顆粒間的膠結(jié)物(以可溶鹽為主)溶解，從而會破壞黃土的結(jié)構(gòu)性，使其強(qiáng)度降低[2-5]，甚至導(dǎo)致廢棄窯洞頂部土體垮塌破壞，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，威脅坡腳居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 建模計(jì)算與結(jié)果分析

為研究斬坡建窯、窯洞正常居住、窯洞廢棄等階段坡體的穩(wěn)定狀態(tài)和廢棄窯洞的處置方法，采用FLAC數(shù)值計(jì)算軟件，沿邊坡的主滑方向，建立人工斬坡、窯洞開挖后正常居住和窯洞廢棄等3個(gè)模型，進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算采用表1中的物理力學(xué)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。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，但是邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。窯洞廢棄之后，洞壁黃土含水量增大導(dǎo)致力學(xué)參數(shù)值降低[6-7]，邊坡的穩(wěn)定性降低至邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡。

表2 鴕鳥臺滑坡各工況穩(wěn)定系數(shù)

沿滑坡方向選取窯洞中軸線這一最不利剖面為典型剖面，分別采集后兩種工況下該典型剖面與最危險(xiǎn)滑動(dòng)面交線的剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度，如圖2和圖3所示。

圖2 窯洞正常居住時(shí)最危險(xiǎn)滑面上應(yīng)力分布 圖3窯洞廢棄時(shí)最危險(xiǎn)滑面上應(yīng)力分布

從圖2和圖3可以看出，窯洞正常居住其間，典型剖面與最危險(xiǎn)滑動(dòng)面交線的剪應(yīng)力從坡體后部向前緩慢增大，但均低于抗剪強(qiáng)度，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)；窯洞廢棄后，坡體的抗剪強(qiáng)度降低，坡體前部，接近窯洞后墻上部位置，剪應(yīng)力首先達(dá)到抗剪強(qiáng)度，窯洞頂部洞壁自后向前依次發(fā)生剪切破壞并最終誘發(fā)滑坡。

3 廢棄窯洞處置措施討論

目前，窯洞廢棄和窯前建房將是長期的趨勢，為避免廢棄窯洞垮塌引起黃土滑坡從而威脅坡前建筑，應(yīng)該對廢棄窯洞采取合理的處置措施。研究表明[6]，盡管黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水量增大呈不斷降低的趨勢，但其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)變均很小，約在0.875%～1.125%之間，且隨含水量變化的改變不明顯。這就要求廢棄窯洞的充填物質(zhì)應(yīng)該具有主動(dòng)工作的性能，固化過程應(yīng)具有很好的流動(dòng)性和膨脹性，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)。專利技術(shù)發(fā)泡混凝土[8]是一種以普通硅酸鹽水泥漿為主材料，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)充填材料。其和易性好，不泌水，膨脹率可在1倍～7倍范圍內(nèi)調(diào)控。膨脹率控制為4倍時(shí)，結(jié)石體的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。對應(yīng)結(jié)石體單方材料價(jià)約75元。廢棄窯洞充填時(shí)可在洞口采用37磚墻或土工布編織袋裝填黃土碼放對窯洞進(jìn)行封閉，然后采用泵送或者人工串筒送料的方式進(jìn)行充填。

表3 發(fā)泡砂漿充填材料的基本物理力學(xué)參數(shù)

圖4 廢棄窯洞充填后最危險(xiǎn)滑面的應(yīng)力分布

用FLAC對采用該材料充填后的廢棄窯洞進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，廢棄窯洞充填后坡體的安全系數(shù)為1.31，小于人工斬坡后的1.55，但大于窯洞正常居住期間的1.26，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。充填后邊坡典型剖面與最危險(xiǎn)滑動(dòng)面交線的應(yīng)力分布如圖4所示，從圖4可以看出，充填后坡體典型剖面與最危險(xiǎn)滑動(dòng)面交線的剪應(yīng)力均低于抗剪強(qiáng)度，說明采用此材料對廢棄窯洞進(jìn)行充填，可以避免發(fā)生坡體變形破壞誘發(fā)滑坡。

4 結(jié) 語

運(yùn)用FLAC數(shù)值計(jì)算軟件對斬坡建窯、窯洞正常居住、窯洞廢棄坡腳建房和廢棄窯洞充填等4種工況坡體的穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析對比，結(jié)果表明：

(1)斬坡建窯、窯洞正常居住兩種工況坡體處于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)窯洞廢棄后，坡腳新建建筑遮光、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，黃土力學(xué)參數(shù)降低，土體容重增加，應(yīng)力增大，最終導(dǎo)致坡體前部，尤其是廢棄窯洞后墻上部土體剪應(yīng)力超過抗剪強(qiáng)度，窯洞坍塌誘發(fā)滑坡。

(3)發(fā)泡砂漿材料材料固化過程具有很好的流動(dòng)性和膨脹性，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)，充填后邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，適合作為廢棄窯洞回填材料。

[1] 陳春利，殷躍平，李同錄.窯洞開挖誘發(fā)淺層黃土滑坡的變形機(jī)理模擬[J].地質(zhì)通報(bào)，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 輝(1976-)，男，河南舞陽人，博士，副教授,主要從事巖土工程方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.008

TU36

A

1674-5403(2017)02-0028-03