黄土窑洞破坏形式及机理分析

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1、黄土窑洞破坏形式及机理分析　　摘要：本文根据延安市延长县窑洞坍塌调查结果，结合窑洞坍塌的具体情况，对该区窑洞坍塌进行了类型划分。采用Flac3D软件对窑洞开挖前和开挖后的坡体进行模拟，通过对土坡应力应变变化特征的对比，得出导致窑洞破坏的结果。　　关键词：窑洞；坍塌；模拟；应力应变　　中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：　　1前言　　黄土窑洞是我国黄土高原极具特色的一种民居类型，是高原地质、地貌、历史、文化等特定条件下的产物。　　窑洞坍塌是指由于人工建窑而引起的地质灾害，在延长县内普遍存在。据调查，延长县边坡失稳中因窑洞破坏所引起的就有数十起，是

2、造成灾害死亡人员的主要原因。　　2窑洞破坏形式及作用机理5　　根据调查，延长县窑洞破坏可分为三种破坏类型：（1）局部坍塌破坏，是窑洞的临空面土体在自重作用下沿软弱结构面掉落或倒塌，加上黄土中节理作用，使得土体失稳，引起崩塌。（2）整体坍塌破坏，是窑洞的土体整体塌落或倒塌，从而破坏了土体的结构性和完整性，引起坡体崩塌。（3）裂隙、窑内渗水破坏，因自然或人为因素影响窑洞内部应力分布，使得土层、泥层发生大量的开裂，破坏了土坡的结构，导致崩塌的发生或者是由于窑洞渗水导致黄土结构破坏，而导致土坡整体的崩塌。　　窑洞的开挖后能影响土坡的应力分布，在窑洞临空面上产生

3、应力集中，从而改变了土坡原本的应力应变特征，是导致窑洞破坏的一个重要的原因。为探讨其发生应力应变和破坏过程，以延长县下罗皮高秀英家崩塌为例，采用Flac3D软件对窑洞开挖前后的土坡进行数值模拟，对其土坡中的应力、应变和变形进行分析，进一步探讨窑洞坍塌的破坏机理。　　3窑洞坍塌破坏地质模型概况　　模拟段位于张家滩下罗皮高秀英家，地理坐标为N36º32′39〞，E110º09′41〞，为人工开挖斜坡修建窑洞所造成的拉裂坠落式土质崩塌，海拔高程为937m，坡面形态为直线型，坡高14m，坡长2m，坡宽25m，坡度为90º，坡向为1

4、30º，岩性Q3eol黄土，土质松散，坡长25m，坡向130º，窑顶为乡间公路，并且顶部较为平坦，坡面上部发育3条卸荷裂隙，使得黄土块体沿窑洞的两壁压出，窑内和窑面部分有掉块。　　4地质模型建立和参数选取　　根据现场对此处崩塌的认识，结合有限差分法原理，可建立下罗皮高秀英家崩塌的模型（图4-1）。5　　采用三维模型进行模拟，崩塌资料以现场勘测、量测和记录为主，模型范围为宽（x方向）88m，斜坡前部高（z方向）14m，后部高34m，深度为（y方向）66m，并把窑洞两壁的两条卸荷裂隙和中部的一条卸荷裂隙作为软弱结构面来处理，将模型的边界

5、作为固定单元来处理，对其进行约束，整个计算过程中不发生横向和竖向位移，其他则为自由边界来处理。参数的选取除了根据实验测试外，通过类比法选用如表4-1所示参数。　　　　图4-1下罗皮高秀英家崩塌地质模型　　表4-1下罗皮崩塌参数选取　　　　　　5模拟结果分析　　5.1窑洞开挖前坡体的应力状态分析　　窑洞开挖前的数值模拟也即是斜坡在自重应力场的模拟，可以了解此类斜坡对应力场的影响，并且有了窑洞开挖前的自重应力场的模拟，可以与开挖窑洞后进行对比。图5-1-1为自重应力下最大主应力分布云图，从图中可以看出，重力作用下形成的应力场最大主应力近似平行于斜坡坡面，远

6、离坡面后渐渐转为水平，并且最大主应力随着y方向的增加而增大，最大主应力值达到0.6Mpa，在斜坡前部垂直陡坎处出现了应力集中现象，最大值达到0.2MPa，在其它因素的影响下斜坡前部陡坎必将发生变形和破坏；图5-1-2为z方向下位移图的位移等值线分布基本上是垂直坡面，越到斜坡内部越平缓，斜坡在自重作用下最大位移接近2.5mm，符合一般自重应力下的位移分布规律。　　　　图5-1-1最大主应力分布云图图5-1-2z方向下的位移图　　5.2窑洞开挖后坡体的应力应变分析5　　窑洞开挖后斜坡的应力发生了重分布现象，从图5-2-1可以看出，窑洞顶部和窑洞侧壁周围的最

7、大主应力基本与之平行，由于山体底部存在其它山体对其形成了x、y和z方向的约束作用，故力大小介于0.06MPa-0.16MPa之间，而窑洞壁上和洞底的主应力接近于0。图5-2-2看出，窑洞开挖后，窑洞周围范围内的位移发生了明显的变化，并且窑洞周围位移大小为从远处向岩洞壁逐渐增大，范围为0.05mm-0.2mm，在其它因素的影响下，很容易发生窑洞顶壁的掉块，而窑洞底部发生了位移回弹现象，值为0.15573mm。　　　　图5-2-1斜坡最大主应力分布云图图5-2-2窑洞开挖后z方向的位移云图　　6结论　　由以上分析对比可以看出，在窑洞没有开挖之前，斜坡土体中

8、应力处于自然平衡状态，软弱面对斜坡影响不大。但是，开挖窑洞后，由于软弱面的存在，导致洞壁位移变