水作用下小南坡街崩塌形成的機理研究

摘要：根據(jù)太原市陽曲縣小南坡街崩塌的基本特征和變形趨勢，研究水作用下的黃土崩塌變形破壞模式和形成機理。通過數(shù)值模擬可知，小南坡街黃土坡體首先在邊坡坡腳處發(fā)生塑性變形，且坡體頂部裂隙不斷發(fā)育，二者貫通后引發(fā)垮塌。

關鍵詞：小南坡街；水的作用；黃土崩塌

中圖分類號：P642.22 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0094-03

Study on the Mechanism of the Collapse on Xiaonanpo Street under the Action of Water

ZHANG Qiang1， ZHANG Lei2， TIAN Wenbin3， FU Rong1

（1. Beijing Institute of Geotechnical Engineering Investigation and Survey Co.， Ltd.， Beijing 100190， China;

2. Second Geological Survey Institute of Jilin Province， Jilin 132013， China; 3. Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030899， China）

Abstract： Based on the basic characteristics and deformation trends of the Xiaonanpo Street collapse in Yangqu county， Taiyuan city， this study investigates the deformation and failure modes and formation mechanisms of loess collapse under water action. Through numerical simulation， it can be concluded that the loess slope of Xiaonanpo Street first undergoes plastic deformation at the foot of the slope， and cracks continue to develop at the top of the slope， leading to collapse after the two connect.

Keywords： Xiaonanpo Street; the action of water; loess collapse

近年來，在山西省太原市北部的陽曲縣附近，楊興河南岸約2 km長的區(qū)域內(nèi)共發(fā)生18次崩塌，垮塌總方量達到120×104 m3，造成周邊260多間民房開裂損壞，致使上千人無家可歸，直接經(jīng)濟損失超過3 500萬元。經(jīng)有關部門多方籌資，部分崩塌地段得到根治，但其余未治理地段仍在每年凍融期和雨季時發(fā)生崩塌，嚴重威脅周邊居民生命財產(chǎn)安全[1]。以陽曲縣小南坡街黃土崩塌為例，分析水作用下崩塌的形成機理與破壞模式，并通過建立模型模擬崩塌發(fā)生，為有關部門治理黃土崩塌提供預測思路與治理參考。

1 崩塌基本特征

小南坡街崩塌位于山西省太原市陽曲縣黃寨鎮(zhèn)，108國道北側，坡面地層巖性為褐黃、淺黃色第四系上更新統(tǒng)粉土，稍濕，具有大孔隙和垂直節(jié)理，土質(zhì)均勻，結構松散。崩塌區(qū)域地下水位埋深為4.9～8.8 m，目前已發(fā)生多次破壞，造成房屋垮塌63間，2015年8月3日16：33，3間窯洞倒塌，伴有小南坡街道路損壞變形，累計造成直接經(jīng)濟損失約300萬元。

2020年7月調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡體后緣存在多處裂縫，強降水時雨水可沿裂縫滲入，導致坡體穩(wěn)定性變差，隨時可能發(fā)生崩塌，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

2 崩塌形成機理

陽曲縣小南坡街黃土崩塌的形成受多種因素影響，崩塌體剖面如圖1所示。地形地貌、地層巖性是小南坡街黃土崩塌發(fā)生的內(nèi)因，大氣降水、春季凍融是其誘發(fā)因素，地下水作用為其提供動力條件[2]。

2.1 地貌形態(tài)

小南坡街黃土崩塌發(fā)生處位于楊興河東南側，黃土坡面臨空，呈上陡下緩。頂部為陡崖，坡腳處較緩，在水的作用下易發(fā)生崩塌[3]。

2.2 地層巖性

區(qū)域內(nèi)黃土由河流沖洪積物堆積而成，表層具有弱濕陷性，孔隙大，結構疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，濕陷系數(shù)為0.024～0.046。巖性為粉土，夾含粉質(zhì)黏土透鏡體，局部呈流塑狀，壓縮性中等，該類軟流塑土在遇水時易發(fā)生崩塌。

2.3 地下水作用

近年來，陽曲城區(qū)淺層地下水呈回升態(tài)勢，水位埋深較淺，低于10 m，街心公園地段表層的地下水位偏高，由于與周圍其他地段的水位差逐漸減小，地下水由公園中心向四周部位滲透，以泉的形式向河邊岸坡出露排泄，流量達0.1～0.3 L/s。在地下水軟化過程中，土體的飽和度和壓縮性逐漸增加，抗剪強度下降，當其不足以抵抗坡體頂部的上覆壓力時，土體將發(fā)生垮塌。

2.4 大氣降水和春季凍融

大氣降水對小南坡街崩塌有著重要影響。降雨量較大的時段內(nèi)，坡體發(fā)生局部墜塊、坍塌的頻次較高；春季凍土融化后，地下水沿浸潤面滲出，土體在水的潛蝕作用下發(fā)生軟化或泥化，難以抵抗上覆土體或建筑物壓力，便會向下垮落，形成崩塌[4]。

2.5 城市建筑密度和高度

隨著城市化進程的加快，小南坡街周邊建筑物的密度和高度均有所增加，既加大坡體荷載，也使得人類工程活動更加頻繁。當坡體發(fā)生剪切破壞時，便會引發(fā)黃土崩塌災害。

3 水作用下黃土崩塌形成的理論分析

黃土在水的作用下發(fā)生軟化，小南坡街區(qū)域土體逐漸產(chǎn)生細微裂隙，致使崩塌體的力學參數(shù)發(fā)生變化。隨著坡體表層水分蒸發(fā)，部分水分向坡體表面遷移，坡體內(nèi)部含水量減少，導致土體表層基質(zhì)吸力增大，產(chǎn)生收縮變形，當產(chǎn)生的剪切應力超過土體強度時，將導致土體發(fā)生破壞變形。

裂隙一般產(chǎn)生于飽和土體向非飽和土體轉(zhuǎn)換的過程中，朱崇輝等[1]提出，對于某一土體，可通過剪切試驗得到土體抗剪強度指標c、φ值，以判斷其是否可能發(fā)生拉伸破壞。其抗拉強度指標cL、φL值均為相應抗剪強度指標c、φ值的0.7～0.8倍，該土體在相應狀態(tài)下抗拉強度的計算公式為

（1）

式中：σt為抗拉強度，kPa；σw為三軸抗拉試驗的圍壓，kPa；cL為黏聚力，kN；φL為內(nèi)摩擦角，°。

小南坡街崩塌黃土主要由高嶺石、伊利石及蒙脫石等黏土礦物構成，這些礦物具有很強的親水性。土體的吸水性越大，坡體抗剪強度下降越快，土體裂隙也隨之迅速擴展。隨著裂隙的貫通，土體相應脫落，繼而發(fā)生黃土崩塌地質(zhì)災害。

4 水作用下黃土崩塌基本破壞模式

小南坡街黃土崩塌破壞模式以滑移式為主。一方面，坡體頂部存在張拉裂縫，坡腳處有松散物堆積，這是由于斜坡上部為結構疏松、透水性強的第四系黃土，且存在裂隙。降雨條件下，雨水沿黃土垂直節(jié)理滲入，增加斜坡自重，當自重超過原有荷載限度時，土體將沿著裂隙發(fā)生滑塌。另一方面，由于黃土土體的垂直節(jié)理裂隙較為發(fā)育，且不同層土體的特性存在差異，加上坡面臨空，使得上層的土體易下滑塌落，對下部土體產(chǎn)生推力，繼而推移式進行滑動。

5 黃土崩塌穩(wěn)定性分析

5.1 黃土崩塌穩(wěn)定性

首先對陽曲縣小南坡街黃土崩塌地質(zhì)災害的穩(wěn)定性進行定性評價，再采用工程類比法進行綜合分析。影響崩塌體穩(wěn)定性的因素既有其自身的地形地貌、構造節(jié)理、地層巖性等特性，也有降雨、人類工程活動（如回填、開挖、加載）等外部因素?；谄麦w基本特征，綜合多種因素的相互作用，判定坡體的穩(wěn)定性。

由勘查資料可知，小南坡街崩塌巖性為淺黃色、褐黃色粉土，孔隙大，垂直節(jié)理，屬黃土崩塌。該區(qū)域地下水位埋深約6 m。崩塌體后壁近直立，呈直線形，后緣岸面裂縫寬在0.5～1.2 m，上下錯動距離約1.0 m，裂縫深在2～3 m，呈弧形，并與岸邊平行分布。近年來，局部崩塌多發(fā)生在凍土融化后的春季和降雨較多的初秋。由于地下水滲出，附近土體在水的潛蝕作用下軟化，進而導致小南坡街坡體上部土體失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生崩塌。目前，崩塌體仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 發(fā)展趨勢分析

由于坡體底部滲水量逐漸增大，土體已處于軟塑至流塑狀態(tài)，坡體穩(wěn)定性下滑，隨時有持續(xù)大規(guī)模崩塌的跡象。隨著地下水沿浸潤面滲出，土體在水的潛蝕作用下不斷發(fā)生泥化或軟化，當難以抵抗上覆壓力時土體發(fā)生滑動，極易再次發(fā)生崩塌。因此，小南坡街崩塌體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在春季消融季節(jié)和降水集中的7—8月，災害風險更大。

6 水作用下黃土崩塌形成的數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬水作用于表層土體，再進行蒸發(fā)干燥，并重復操作，分析坡體產(chǎn)生的塑性變形及累積位移變化，揭示其形成機理。黃土崩塌數(shù)值模擬的簡化模型如圖2所示。

首次水作用過程中，一方面表層土體軟化、濕陷，深層土體未及時受到水作用而變化不大；另一方面淺層土體與水作用，而在一定程度上膨脹、回彈，土體有向外微小位移跡象，但深層土體無明顯變化，整體水平方向位移不減反增，致使坡腳處位移累積并增大，土體隆起。經(jīng)歷蒸干后，深層與淺層土體均表現(xiàn)一定程度的收縮。從垂向上看，小南坡街黃土在受到水作用后淺層土體發(fā)生膨脹導致土體沉降減小，而蒸干作用使土體收縮，從而增加邊坡整體沉降量，隨著干濕作用的疊加，坡面土體向坡外方向的位移不斷積累。

6.1 模型建立

以小南坡街黃土崩塌為例，建立分析模型，設定位移邊界條件，暫不考慮初始應力應變場的分布，分析在降雨入滲條件下的坡體破壞機理。小南坡街崩塌土體的物理力學參數(shù)如表1所示。

6.2 計算結果及分析

隨著水作用次數(shù)的增加，坡腳處塑性變形區(qū)域擴展，坡體頂部裂隙也隨之延伸，直至塑性變形與頂部裂隙貫通，坡體將發(fā)生崩塌。水作用下，邊坡土體質(zhì)量增大，促使土體向坡外側臨空面位移，加之楊興河對坡腳施加動水壓力以及對其進行沖刷侵蝕，導致邊坡發(fā)生失穩(wěn)垮塌。

從水作用下剪應變增量及總位移的模擬云圖可以看出，土體內(nèi)部處于變形狀態(tài)，位移變化明顯；邊坡沿裂隙發(fā)生蠕動破壞，坡腳塑性變形逐漸擴展并演化為滑移面，最終在水作用及自重條件下發(fā)生崩塌滑動。

7 結論

陽曲縣小南坡街黃土崩塌為滑移式崩塌，災害頻次高，土體穩(wěn)定性差。小南坡街黃土崩塌的發(fā)生由多種因素共同作用引發(fā)，其中水的作用是影響小南坡街黃土邊坡發(fā)生崩塌的重要因素，崩塌體的垂直節(jié)理也為降水提供入滲通道。為有效防范黃土崩塌災害的發(fā)生，應加強防水處理和排水工程設施建設，從而對小南坡街黃土邊坡進行防護和治理。

參考文獻

1 朱崇輝，劉俊民，嚴寶文，等.非飽和黏性土的抗拉強度與抗剪強度關系試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008（增刊2）：3453-3458.

2 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.滑坡防治工程勘查規(guī)范：GB/T 32864-2016[S].北京：中國標準出版社，2016.

3 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問題[J].巖土工程學報，2004（1）：1-15.

4 王念秦，張倬元.黃土滑坡災害研究[M]．蘭州：蘭州大學出版社，2005．