廢棄窯洞滑坡誘發(fā)因素及治理措施的數(shù)值模擬

高東源，王 輝，程建偉，劉學(xué)會

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

在堆積和侵蝕的雙重作用下，黃土高原溝壑縱橫，呈現(xiàn)塬、梁、峁和溝壑等反差巨大的黃土地貌景觀[1]。由于黃土高原特殊的地理環(huán)境，可耕地面積非常少，宅基地缺乏，自古以來就形成了斬坡建窯的生活習(xí)慣[2-4]。隨著生活條件的提高和社會的快速發(fā)展，建設(shè)過程中對更多的黃土邊坡進(jìn)行開挖、斬坡等活動，使開挖坡體失去原有的平衡，常常會誘發(fā)滑坡[5]。調(diào)查顯示：自20世紀(jì)50年代至2012年，陜西省的北部地區(qū)共發(fā)生了16 616個黃土滑坡和土崩，密度超過5個/km2；在隴西和隴東地區(qū)，自20世紀(jì)50年代至1992年，一共發(fā)生了14 109個黃土滑坡，密度超過6個/km2[6]。在延安地區(qū)類似的工程問題仍在不斷增多[7-8]，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓敭a(chǎn)安全。找到誘發(fā)因素是滑坡防治工作的前提和重要根據(jù)，這對地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)具有現(xiàn)實意義。為此，本文就鴕鳥臺廢棄窯洞引起滑坡災(zāi)害問題，通過三軸剪切試驗對黃土土體的強度特性以及黃土變形破壞誘發(fā)滑坡發(fā)生的機(jī)理展開研究，并通過數(shù)值模擬對廢棄窯洞變形破壞、應(yīng)力變化進(jìn)行模擬，對比以往廢棄窯洞的處理方法，探討更優(yōu)的廢棄窯洞治理措施。

1 研究對象

本研究以吳起縣鴕鳥臺廢棄窯洞滑坡為研究對象。吳起縣鴕鳥臺位于陜西省延安市的西北部，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33 m，其中下部為中更新Q2黃土，上部為上更新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。鴕鳥臺地處東經(jīng)107°38′57″至108°32′49″，北緯36°33′33″至37°24′27″之間，境內(nèi)地層由老到新依次為中生界白堊系華池組(K1h)、新生界新近系保德組(N2b)、第四系(Q)地層。縣域內(nèi)河流均屬黃河水系，干流深切，支流密布。根據(jù)水文資料，吳起縣多年地表徑流量為1.357 6×108m3，地下水多年平均天然補給量為0.543 8×108m3，水資源總量1.901 4×108m3。鴕鳥臺滑坡地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 吳起縣鴕鳥臺滑坡地質(zhì)剖面圖

2009年9月，這個廢棄多年的窯洞發(fā)生坍塌并誘發(fā)坡體滑動，毀壞了緊鄰窯洞修建的5間住房[9]28。

2 數(shù)值模擬

以鴕鳥臺滑坡的原始邊坡為模型，采用M-C模型作為屈服準(zhǔn)則[10]，分人工切坡、窯洞開挖、窯洞廢棄依窯建房以及窯洞填充4個階段進(jìn)行數(shù)值模擬。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，受潮范圍即為數(shù)值模擬的重點研究區(qū)域。

2.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該邊坡高度33 m，坡度一般為45°～50°，局部可達(dá)65°以上。本文選擇四孔窯洞所在區(qū)域為研究對象建立模型，計算模型沿x方向為邊坡長度，y為邊坡寬度，z為變邊坡高度方向，取得尺寸為x=16 m，y=52 m，z=33 m，共劃分單元數(shù)為113 184個，節(jié)點數(shù)為117 438個。鴕鳥臺有限元模型具體如圖2所示。其中outside4為Q3黃土，其余均為Q2黃土。

圖2 鴕鳥臺有限元模型

計算模型除坡面為自由邊界外，模型底部及四周均為固定約束邊界。該計算模型選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，按上述約束條件只考慮重力的作用，進(jìn)行彈塑性求解，為第一階段人工開挖；計算達(dá)到平衡之后清零位移，進(jìn)行邊坡的開挖即窯洞開挖，為第二階段；根據(jù)三軸試驗所得參數(shù)，調(diào)整窯洞吸水受潮范圍，再次進(jìn)行計算，直至平衡，此為第三階段。

建立模型的計算參數(shù)均選自于三軸壓縮實驗結(jié)果，因三軸試驗僅選用窯洞洞頂Q2黃土，故模擬亦僅依據(jù)Q2黃土的相關(guān)參數(shù)。各含水狀態(tài)下黃土試樣的強度參數(shù)如表1所示。

表1 Q2各含水狀態(tài)下黃土試樣強度參數(shù)

2.2 人工切坡數(shù)值模擬

人工切坡模擬結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 最大位移圖

圖4 最大應(yīng)力側(cè)面圖

從圖3可以看出，位移圓弧層狀均勻分布，最大位移出現(xiàn)在坡頂處，隨著埋深的增加，位移逐漸趨于穩(wěn)定。從圖4可見，在垂直方向上，坡體受力非常均勻，沒有出現(xiàn)突變的不規(guī)則變化；坡體的應(yīng)力由上而下，并隨埋置深度逐漸增加。說明在垂直方向坡體主要受土體自重影響；至于坡體的水平應(yīng)力，由于土體自身變形特性，隨著埋深增加而增加，只是在坡腳發(fā)生了突變，產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中。

2.3 窯洞開挖數(shù)值模擬

根據(jù)實測地形，對原有四孔窯洞的FLAC3D軟件模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，模擬開挖計算至平衡，然后在坡腳開挖的基礎(chǔ)上進(jìn)行窯洞開挖(開挖模型如圖5所示)，開挖模型收斂速度很快，收斂時步為10 300步左右，說明邊坡內(nèi)部合力達(dá)到平衡。

圖5 窯洞開挖模型

窯洞開挖最大位移和最大應(yīng)力如圖6～7所示。

圖6 窯洞開挖最大位移圖

圖7 窯洞開挖最大應(yīng)力圖

分析圖6可知，邊坡處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，坡體的潛在變形模式為坡體中下部形成的圓弧式滑移；坡腳窯洞位移集中，這是窯洞開挖促使局部土體卸荷作用所致，短時間不會發(fā)生滑坡。窯洞開挖之后，坡體內(nèi)力重新分布，坡體位移在窯洞上部形成滑移面，窯洞開挖局部卸荷，在窯腿位置形成位移集中?？梢?，由于窯洞開挖卸荷，坡體中下部形成圓弧式滑移面，上部土體較下部土體更容易發(fā)生運動，即位移增大。

分析圖7可知，在垂直方向上，應(yīng)力隨埋深增加逐漸增大，且在坡腳窯洞發(fā)生應(yīng)力集中。其中窯洞腿部應(yīng)力最大，其次是洞頂，這是由于窯洞開挖造成兩窯洞間應(yīng)力集中，處于蠕變狀態(tài)。

可見，窯洞開挖之后，坡體內(nèi)力重新分布，應(yīng)力呈圓弧層狀分布且隨著埋深的增加而逐漸升高。

2.4 廢棄窯洞依窯建房數(shù)值模擬

窯前建房后，建筑物遮光、擋風(fēng)、擋水，導(dǎo)致廢棄的窯洞更加潮濕(3種狀態(tài)下的土層含水量見表1所示)。為此，通過FLAC3D模型，采用室內(nèi)測得的窯洞潮濕狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)進(jìn)行運算，計算所得依窯建房最大位移和最大應(yīng)力如圖8～9所示。

圖8 依窯建房最大位移圖

圖9 依窯建房最大應(yīng)力圖

從圖8可知，由于窯洞廢棄，含水量增大，引起窯洞附近土體抗剪強度降低，窯洞上部土體形成滑動面，坡體在坡腳位移集中，其中窯洞腿部位移急劇增大，引起坡腳位移增大。窯洞廢棄導(dǎo)致附近土體強度降低，坡腳發(fā)生位移集中，致使坡體上部土體位移隨之增大，降低了坡體的穩(wěn)定性。

從圖9可知，坡體應(yīng)力在窯洞位置及坡體中上部急劇增加，在坡腳發(fā)生應(yīng)力集中，窯洞腿部應(yīng)力達(dá)到最大，窯腿首先到達(dá)破壞極限，帶動整個滑體誘發(fā)滑坡。坡體在窯洞發(fā)生應(yīng)力集中，窯洞腿部剪應(yīng)力最先超過抗剪強度，導(dǎo)致窯洞坍塌，致使坡腳產(chǎn)生變形破壞，破壞區(qū)迅速延伸形成貫通滑面，上部坡體失去窯洞的支撐后，迅速滑落，誘發(fā)滑坡。

總體來說，窯洞廢棄土體吸潮，土體含水量增加，土體容重增大，強度降低，正應(yīng)力和剪應(yīng)力急劇增大，主要原因是土體含水量增加導(dǎo)致應(yīng)力增加，并最終接近抗剪強度；窯洞腿部首先超過抗剪抗度，土體發(fā)生剪切破壞，邊坡失穩(wěn)，誘發(fā)滑坡。

2.5 專利發(fā)泡砂漿填充模擬

研究表明，黃土的結(jié)構(gòu)強度隨含水量增大而逐漸減小[11]，故為避免廢棄窯洞進(jìn)一步誘發(fā)黃土滑坡，急需對廢棄窯洞加以處置。常規(guī)的填充方法有填磚加固法、澆筑砼加固法以及灰土膨脹法等。但是填磚加固法勞動強度大，并且在洞內(nèi)砌磚不易填實，不能很好地傳遞荷載；澆筑砼加固法造價高，而且在澆筑之后窯洞底部承受的砼自重非常大，再加上坡體本身的自重，易造成窯洞底部土體下沉，影響坡體的穩(wěn)定性；灰土膨脹法施工復(fù)雜，填充效果不夠理想。專利技術(shù)發(fā)泡砂漿是一種以普通硅酸鹽水泥漿為主材料，以穩(wěn)泡增強劑為摻合料，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)填充材料[12]。其物理力學(xué)參數(shù)見表2所示(其控制參數(shù)因涉及技術(shù)保密問題，不便提供)。

表2 發(fā)泡砂漿填充材料的基本物理力學(xué)參數(shù)

清理廢棄窯洞虛土至老土層，洞口砌三七磚檔墻，在拱頂每隔1.5 m開挖1個直徑50 mm的施工洞，以便于施工和填充效果監(jiān)測，并采用注漿管注入專利發(fā)泡砂漿至洞頂。相比于傳統(tǒng)方案，該施工方案要求明確，造價低，效果理想；并且專利發(fā)泡砂漿具有主動工作的性能，固化過程具有很好的膨脹性，能充填全部窯洞空腔并對窯洞產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力(膨脹應(yīng)力)，具有很好的受力傳遞性[9]30。

選取窯洞中軸線方向剖面為典型剖面，分別采集并記錄各工況下典型剖面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和抗剪強度，結(jié)果如圖10所示(因為窯洞在開挖后臨空，所以(b)(c)2個工況下潛在滑面長度縮短為24 m)。

圖10 4種工況典型剖面的應(yīng)力分布

鴕鳥臺滑坡各工況穩(wěn)定系數(shù)的計算結(jié)果(表3)表明，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，但是仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。窯洞廢棄之后，黃土吸潮導(dǎo)致坡體穩(wěn)定系數(shù)逐步降低，邊坡的穩(wěn)定性降低致邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡。其中窯洞廢棄依窯建房安全系數(shù)為0.93，處于不定狀態(tài)；廢棄窯洞填充安全系數(shù)為1.31，小于人工斬坡后的1.55，并大于窯洞正常居住期間的1.26，邊坡處于相對安全穩(wěn)定狀態(tài)，填充效果良好。2008年選擇鴕鳥臺滑坡附近一處廢棄窯洞進(jìn)行填充，至今坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)裂縫等破壞現(xiàn)象。

表3 鴕鳥臺滑坡各工況穩(wěn)定系數(shù)

可見，廢棄窯洞填充之后，剖面應(yīng)力分布及變化趨勢基本上保持一致。剖面沿豎直向下方向正應(yīng)力和剪應(yīng)力均緩慢增大，剖面的剪應(yīng)力均低于抗剪強度，說明采用專利發(fā)泡砂漿填充廢棄窯洞，可以避免發(fā)生坡體變形破壞誘發(fā)的滑坡。

3 結(jié)論

本研究通過三軸剪切試驗對黃土土體的強度特性以及黃土變形破壞誘發(fā)滑坡的機(jī)理展開研究，并運用FLAC3D軟件對廢棄窯洞進(jìn)行人工切坡、窯洞開挖、窯洞廢棄依窯建房和廢棄窯洞填充4個工況的數(shù)值模擬，探討廢棄窯洞滑坡的誘發(fā)因素及治理措施，得到如下2點主要結(jié)論：

1)人工切坡開挖窯洞改變了邊坡的形態(tài)，臨空面增大，荷載重新分布，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；窯洞開挖之后，局部卸荷坡腳位置發(fā)生應(yīng)力集中，窯腿位置應(yīng)力最大，其次是洞頂，剪應(yīng)力隨埋深逐漸增大，處于蠕變狀態(tài)；窯洞廢棄黃土吸潮，含水量增加，土體容重增加，進(jìn)一步改變了土體的抗剪強度，降低了邊坡的穩(wěn)定性，即穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，直至邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡。模擬結(jié)果與實際邊坡破壞情況吻合。

2)發(fā)泡砂漿材料固化過程具有很好的和膨脹性，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)，對窯洞空腔起到支撐作用，使窯洞所在坡體發(fā)生新的應(yīng)力分布，進(jìn)而邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，所以適合作為廢棄窯洞回填材料。廢棄窯洞填充之后，剖面應(yīng)力分布及變化的趨勢基本上保持一致，剖面沿豎直向下方向正應(yīng)力和剪應(yīng)力均緩慢增大，剖面的剪應(yīng)力均低于抗剪強度，說明采用此材料對廢棄窯洞進(jìn)行填充，可以避免因坡體變形破壞所誘發(fā)的滑坡。