窯洞廢棄依窯建房引起邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬研究

劉學(xué)會(huì)，程建偉

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

隨著生活水平的改善，窯洞地區(qū)居民紛紛棄窯建房。由于其較為特殊的地形，往往直接依窯建房。但人工開(kāi)挖的窯洞改變了原有坡體的平衡，且窯洞本身具有不通風(fēng)、陰暗潮濕的特點(diǎn)。在廢棄的窯洞前方修建房屋又形成了擋風(fēng)、阻水、遮光的效果，使得窯洞更加陰暗潮濕，導(dǎo)致窯洞坍塌誘發(fā)滑坡掩埋房屋，嚴(yán)重危害了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓?cái)產(chǎn)安全[1]。

1 滑坡概況

陜西省延安市吳起縣吳起鎮(zhèn)鴕鳥(niǎo)臺(tái)，在窯洞廢棄情況下引發(fā)了滑塌災(zāi)害。崩塌體高度30～45m，坡度一般為45～50°，局部坡度可達(dá)65°以上?；镌诨w后壁較緩處和坡體前緣堆積，堆積厚度2～8m。滑坡后形成的堆積體高28m，底邊長(zhǎng)39m。根據(jù)實(shí)地考察，發(fā)生滑坡的坡腳Q2黃土中建有4孔窯洞，原住2戶居民，窯洞深 6m，跨度3m，高 3.5m。圖1為鴕鳥(niǎo)臺(tái)滑坡地質(zhì)剖面圖，該滑坡發(fā)生前窯洞已廢棄多年，緊鄰窯洞正前方建有一排民房，滑坡發(fā)生前坡頂未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[2]。

圖1 鴕鳥(niǎo)臺(tái)滑坡剖面圖Fig.1 Profile of ostrich tai landslide

2 數(shù)值模擬方案

2.1 有限元模型

窯洞廢棄土體吸潮，土體含水量增加，土體容重增大，使得土體的抗剪強(qiáng)度降低。窯前建房后遮光、擋風(fēng)、擋水，導(dǎo)致廢棄的窯洞更加潮濕[3]。采用M-C模型作為屈服準(zhǔn)則，建立FLAC3D模型如圖2所示，采用室內(nèi)測(cè)得的窯洞潮濕狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算[4]。

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

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在有限元模型與地質(zhì)剖面相同位置的剖面，布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)位移、剪應(yīng)力及剪應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。緊鄰坡腳建設(shè)房屋之后，新建的建筑遮光、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(diǎn)研究區(qū)域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置與受潮區(qū)如圖3所示：

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.3 The distribution curve of monitoring points

3 位移與應(yīng)力分析

3.1 位移分析

圖4(a)、4(b)為水平位移圖，圖5(a)、5(b)為豎直位移圖，圖6(a)、6(b)為最大位移圖，描述了坡體內(nèi)部的位移分布特征。分析位移云圖可以看出，坡腳處位移集中，其中窯洞腿部位移急劇增大，引起坡腳位移增大，窯洞貫通正上方坡體，發(fā)生滑坡[5]。

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

圖4 (b)水平位移側(cè)面圖Fig.4 (b)Horizontal displacement profile

圖5 (a)Z方向豎直位移圖Fig.5 (a)The contour of Z-displacement

圖5 (b)豎直位移側(cè)面圖Fig.5 (b)Vertical displacement profile

圖6 (a)最大位移圖Fig.6 (a)The contour of maximum displacement

圖6 (b)最大位移側(cè)面圖Fig.6 (b)Maximum displacement profile

選擇選定的16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行同一長(zhǎng)度(Y方向)不同點(diǎn)的位移分布和同一高度(Z方向)不同點(diǎn)的位移對(duì)比分析。得出高度相同時(shí)不同點(diǎn)的位移值分布圖如圖7所示，及長(zhǎng)度相同時(shí)不同點(diǎn)的位移值分布圖如圖8所示。

圖7 同一高度的不同點(diǎn)的位移分布Fig.7 Displacement distribution curves at different points with the same height

分析圖7可以得到，在同一高度的不同點(diǎn)位移隨著邊坡長(zhǎng)度的增大逐漸減小，其中最大位移值0.049 943 1m。由于窯洞廢棄，含水量增大引起窯洞附近土體抗剪強(qiáng)度降低，窯洞上部土體形成滑動(dòng)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。

圖8 同一長(zhǎng)度的不同點(diǎn)的位移分布Fig.8 Displacement distribution curves at different points with the same length

分析圖8可以得到，在同一長(zhǎng)度的不同點(diǎn)隨著邊坡高度的增加位移逐漸增大，其中最大位移值0.004 68m。結(jié)合位移云圖分析，位移主要集中在坡腳，引起坡體上部土體位移增大，降低了坡體的穩(wěn)定性。

3.2 應(yīng)力分析

圖9(a)、9(b)為水平應(yīng)力圖，圖10(a)、10(b)為豎直應(yīng)力圖，圖11(a)、11(b)為最大應(yīng)力圖。其共同描述了坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)[6]。從應(yīng)力云圖可以看出，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，窯洞腿部首先到達(dá)破壞極限，帶動(dòng)整個(gè)滑體誘發(fā)滑坡。

圖9 (a)XY方向應(yīng)力圖Fig.9 (a)The contour of XY-stress

圖9 (b)XY方向應(yīng)力圖側(cè)面Fig.9 (b)The profile of XY-stress

圖10 (a)XZ方向應(yīng)力圖Fig.10 (a)The contour of XZ-stress

圖10 (b)XZ方向應(yīng)力側(cè)面圖Fig.10 (b)The profile of XZ-stress

圖11 (a)最大應(yīng)力圖Fig.11 (a)The contour of max.principal stress

圖11 (b)最大應(yīng)力側(cè)面圖Fig.11 (b)The profile of max.principal stress

圖12(a)、圖12(b)為最大剪切應(yīng)力圖，圖13(a)、圖13(b)為剪切應(yīng)力增量圖。分析可得，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(guò)抗剪強(qiáng)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。

圖12 (a)最大剪應(yīng)力圖Fig.12 (a)The contour of max.shear stress

圖12 (b)最大剪應(yīng)力側(cè)面圖Fig.12 (b)The profile of max.shear stress strain increment

圖13 (a)最大剪應(yīng)力增量圖Fig.13 (a)The contour of max.shear stress strain increment

圖13 (b)最大剪應(yīng)力增量側(cè)面圖Fig.13 (b)The profile of max.shear stress strain increment

根據(jù)選定的16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力值數(shù)據(jù)采集。并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定應(yīng)力變化規(guī)律。

對(duì)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相同長(zhǎng)度(Y方向)不同點(diǎn)的Sxy(XY方向應(yīng)力值)和Sxz(XZ方向應(yīng)力值)分布和相同長(zhǎng)度(Z方向)不同點(diǎn)的Sxy和Sxz對(duì)比分析，得出高度相同時(shí)不同點(diǎn)的位移值分布圖(見(jiàn)圖14)，長(zhǎng)度相同時(shí)不同點(diǎn)的位移值分布圖(見(jiàn)圖15)。

圖14 同一高度的不同點(diǎn)的Sxy和Sxz分布Fig.14 The Sxy and Sxz distribution curves at different points with the same height

分析圖14可以得到，在同一高度的不同點(diǎn)的XY方向應(yīng)力值和XZ方向應(yīng)力值隨著邊坡長(zhǎng)度的增大逐漸增大，最大Sxy及Sxz坐標(biāo)均出現(xiàn)在窯洞腿部位置，窯洞腿部位置首先達(dá)到剪切破壞極限，造成邊坡失穩(wěn)破壞誘發(fā)滑坡[7]。

圖15 同一長(zhǎng)度的不同點(diǎn)的Sxy和Sxz分布Fig.14 The Sxy and Sxz distribution curves at different points with the same length

分析圖15可以得到，在同一長(zhǎng)度不同點(diǎn)的XY方向應(yīng)力值和XZ方向應(yīng)力值隨著邊坡高度的增大逐漸減小。結(jié)合剪應(yīng)力云圖，易知窯洞腿部位置造成應(yīng)力集中。這是因?yàn)殡S著埋深增加剪應(yīng)力逐漸增大所致[8]。

人工開(kāi)挖窯洞、窯洞廢棄依窯建房等工程活動(dòng)形成人工高陡邊坡，這些活動(dòng)造成了不同程度的邊坡形態(tài)改變，破壞了原有的坡體力學(xué)平衡。窯洞建筑普遍具有通風(fēng)和采光不良的缺點(diǎn)[9]。窯洞正常居住時(shí)，日常取暖和有意識(shí)的打開(kāi)門(mén)窗通風(fēng)等能維持窯洞內(nèi)土體的干燥。但是窯洞廢棄后，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。當(dāng)含水量達(dá)到一定的程度，便會(huì)引起窯洞坍塌誘發(fā)滑坡[10]。

4 結(jié)論

通過(guò)廢棄窯洞依窯建房數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，同時(shí)對(duì)廢棄窯洞依窯建房誘發(fā)滑坡破壞機(jī)理進(jìn)行研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)建立邊坡模型，確定了數(shù)值模擬方案。在有限元模型與地質(zhì)剖面相同位置的剖面，進(jìn)行多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、剪應(yīng)力及剪應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了云圖采集、分析。為窯洞廢棄引起邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。

2)根據(jù)模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到位移和應(yīng)力的變化規(guī)律。窯洞廢棄依窯建房工況下位移及應(yīng)力值在同一高度不同點(diǎn)隨著邊坡長(zhǎng)度的增加逐漸減小，在同一長(zhǎng)度不同點(diǎn)隨著高度增加逐漸增大。

3)經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，窯洞廢棄黃土吸潮致含水量增加，土體容重增加。降低了土體的抗剪強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性，使得穩(wěn)定性系數(shù)不斷降低。致邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡，模擬結(jié)果與實(shí)際邊坡破壞情況吻合。