安慶組黏土礫石層強(qiáng)度特性與邊坡沖蝕破壞機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義在各類工程建設(shè)中，地質(zhì)條件的復(fù)雜性始終是影響工程穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵因素。安慶組黏土礫石層作為一種特殊的地質(zhì)體，廣泛分布于皖江上游地區(qū)，在道路、鐵路、水利水電等工程建設(shè)中頻繁出現(xiàn)。從工程建設(shè)角度來看，安慶組黏土礫石層的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征對工程基礎(chǔ)的承載能力、穩(wěn)定性有著直接影響。在道路建設(shè)中，若路基下方為安慶組黏土礫石層，其強(qiáng)度特性決定了路基能否承受車輛荷載長期作用，避免出現(xiàn)不均勻沉降、開裂等病害，確保道路的正常使用和行車安全。鐵路工程對地基的穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，黏土礫石層的強(qiáng)度和變形特性直接關(guān)系到軌道的平順性和列車運(yùn)行的安全性，若其強(qiáng)度不足或邊坡穩(wěn)定性差，可能導(dǎo)致鐵路路基塌陷、邊坡坍塌，影響鐵路的正常運(yùn)營，甚至引發(fā)安全事故。在水利水電工程里，大壩、堤防等建筑物基礎(chǔ)若涉及安慶組黏土礫石層，其抗?jié)B性、抗沖刷性以及強(qiáng)度特性，對大壩的防滲效果、堤防的防洪能力起著關(guān)鍵作用，關(guān)乎工程的長期穩(wěn)定運(yùn)行和下游地區(qū)的防洪安全。邊坡沖蝕破壞是巖土工程領(lǐng)域中常見且危害較大的問題，尤其在黏土礫石層分布區(qū)域，由于其特殊的顆粒組成和結(jié)構(gòu)，在降雨、水流沖刷等自然因素作用下，邊坡更容易發(fā)生沖蝕破壞。降雨時(shí)，雨水對邊坡表面的沖刷會逐漸帶走表層的細(xì)顆粒物質(zhì)，導(dǎo)致邊坡土體結(jié)構(gòu)逐漸松散，強(qiáng)度降低。水流的長期作用，如河流對岸邊邊坡的沖刷，會不斷侵蝕坡腳，使邊坡的穩(wěn)定性受到威脅，進(jìn)而引發(fā)滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害不僅會造成工程設(shè)施的損壞，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能威脅到周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，破壞生態(tài)環(huán)境，阻礙地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。研究安慶組黏土礫石層的強(qiáng)度特性，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，獲取其抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、變形模量等指標(biāo)，工程師可以據(jù)此合理設(shè)計(jì)工程基礎(chǔ)的形式、尺寸和承載能力，確保工程結(jié)構(gòu)在黏土礫石層地基上的穩(wěn)定性。對其邊坡沖蝕破壞機(jī)制的研究，有助于深入了解邊坡在自然因素作用下的破壞過程和規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，能夠針對性地提出有效的邊坡防護(hù)和加固措施，如采用植被護(hù)坡、擋土墻、土工格柵等方法，增強(qiáng)邊坡的抗沖蝕能力，提高其穩(wěn)定性，保障工程建設(shè)的安全和可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀黏土礫石層作為一種特殊的地質(zhì)體，其強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制一直是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度、運(yùn)用多種方法對其展開了研究，取得了一系列成果，但仍存在一些不足。在黏土礫石層強(qiáng)度特性研究方面，國外起步較早，早期研究主要集中在顆粒級配、礦物成分對強(qiáng)度的影響。[國外學(xué)者姓名1]通過對不同地區(qū)黏土礫石層的顆粒分析，發(fā)現(xiàn)顆粒的大小、形狀及分布對其力學(xué)性質(zhì)有顯著影響，不均勻系數(shù)較大的礫石層，其抗剪強(qiáng)度相對較高。隨著研究的深入，[國外學(xué)者姓名2]利用先進(jìn)的微觀測試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等，研究了黏土礫石層的微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系，揭示了微觀結(jié)構(gòu)特征，如孔隙大小、連通性、顆粒接觸方式等，對其宏觀強(qiáng)度特性的影響機(jī)制。國內(nèi)對黏土礫石層強(qiáng)度特性的研究也逐漸增多。[國內(nèi)學(xué)者姓名1]通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了不同含水率、干密度條件下黏土礫石層的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，指出含水率的增加會導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，而干密度的增大則能提高其抗剪強(qiáng)度。[國內(nèi)學(xué)者姓名2]針對某特定地區(qū)的黏土礫石層，開展了現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)，獲取了更符合實(shí)際工程條件的強(qiáng)度參數(shù)，為當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)提供了重要依據(jù)。此外，一些學(xué)者還考慮了礫石含量、膠結(jié)程度等因素對強(qiáng)度的影響，[國內(nèi)學(xué)者姓名3]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)[石含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，黏土礫石層的骨架作用增強(qiáng)，強(qiáng)度有所提高，但膠結(jié)程度差時(shí)，強(qiáng)度增長幅度受限。關(guān)于邊坡沖蝕破壞機(jī)制，國外研究多集中在降雨入滲、水流沖刷作用下邊坡的破壞過程和力學(xué)響應(yīng)。[國外學(xué)者姓名3]利用數(shù)值模擬軟件，建立了考慮降雨入滲的邊坡滲流-應(yīng)力耦合模型，分析了降雨過程中邊坡孔隙水壓力、應(yīng)力應(yīng)變的變化，以及這些變化如何導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。[國外學(xué)者姓名4]通過現(xiàn)場監(jiān)測和物理模型試驗(yàn)，研究了坡面水流對邊坡的沖刷作用，揭示了水流流速、流量與邊坡沖蝕量之間的定量關(guān)系。國內(nèi)在邊坡沖蝕破壞機(jī)制方面也取得了豐富成果。[國內(nèi)學(xué)者姓名4]通過室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，研究了不同坡度、降雨強(qiáng)度下黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞過程，發(fā)現(xiàn)坡度越大、降雨強(qiáng)度越高，邊坡沖蝕破壞越嚴(yán)重，并總結(jié)了邊坡沖蝕破壞的模式，如面蝕、溝蝕、淺層滑坡等。[國內(nèi)學(xué)者姓名5]運(yùn)用圖像處理技術(shù)和數(shù)值分析方法，對邊坡沖蝕破壞過程中的土體顆粒運(yùn)動(dòng)、坡面形態(tài)變化進(jìn)行了定量分析，為邊坡沖蝕破壞機(jī)制的研究提供了新的思路。盡管國內(nèi)外在黏土礫石層強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制研究方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足。在強(qiáng)度特性研究中，對于復(fù)雜應(yīng)力條件下，如循環(huán)荷載、動(dòng)靜組合荷載作用下黏土礫石層的強(qiáng)度特性研究相對較少，而實(shí)際工程中，黏土礫石層往往會受到多種復(fù)雜應(yīng)力的作用。此外，不同地區(qū)黏土礫石層的成分、結(jié)構(gòu)差異較大，現(xiàn)有的研究成果在通用性和普適性方面還有待提高。在邊坡沖蝕破壞機(jī)制研究中，雖然對降雨入滲、水流沖刷等單一因素的作用研究較為深入，但對于多種因素耦合作用下，如降雨、地震、人類活動(dòng)等共同影響邊坡沖蝕破壞的機(jī)制研究還不夠全面，難以準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜條件下邊坡的穩(wěn)定性。而且，目前的研究多集中在定性分析和簡單的定量描述，缺乏對邊坡沖蝕破壞過程中多物理場耦合的深入理論分析和高精度數(shù)值模擬。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于安慶組黏土礫石層，綜合運(yùn)用多種方法，深入探究其強(qiáng)度特性及邊坡沖蝕破壞機(jī)制，旨在為相關(guān)工程建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。研究內(nèi)容安慶組黏土礫石層基本特性分析：通過現(xiàn)場勘查，對安慶組黏土礫石層的分布范圍、厚度、埋藏深度等進(jìn)行詳細(xì)測繪，繪制其地質(zhì)分布圖。采集具有代表性的黏土礫石層樣本，利用X射線衍射（XRD）分析黏土礦物成分，明確蒙脫石、伊利石、高嶺石等礦物的含量，這些礦物對黏土礫石層的親水性、膨脹性和強(qiáng)度有重要影響。運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顆粒的形狀、大小、排列方式及孔隙結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)強(qiáng)度和沖蝕破壞機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)。強(qiáng)度特性研究：開展室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，控制不同的圍壓、含水率、干密度和礫石含量等因素，測試黏土礫石層的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和變形模量等參數(shù)，分析各因素對強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。利用直剪試驗(yàn)獲取不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度，建立抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，確定黏聚力和內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度指標(biāo)?？紤]實(shí)際工程中黏土礫石層可能承受的循環(huán)荷載、動(dòng)靜組合荷載等復(fù)雜應(yīng)力條件，進(jìn)行相應(yīng)的模擬試驗(yàn)，研究在復(fù)雜應(yīng)力作用下其強(qiáng)度特性的變化規(guī)律，如強(qiáng)度衰減、變形累積等。邊坡沖蝕破壞機(jī)制研究：設(shè)計(jì)并進(jìn)行室內(nèi)人工降雨沖蝕試驗(yàn)，搭建降雨模擬裝置，設(shè)置不同的降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、邊坡坡度和礫石含量等條件，觀察邊坡表面的沖蝕現(xiàn)象，記錄沖蝕過程中坡面形態(tài)變化、沖蝕量隨時(shí)間的變化。通過在邊坡內(nèi)部埋設(shè)傳感器，監(jiān)測降雨過程中孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、土體含水率等參數(shù)的變化，分析這些因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，揭示降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制。采用數(shù)值模擬方法，運(yùn)用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS）或離散元軟件（如PFC）建立黏土礫石層邊坡的數(shù)值模型，模擬降雨、水流沖刷等作用下邊坡的應(yīng)力應(yīng)變分布、孔隙水壓力變化和土體顆粒運(yùn)動(dòng)，與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，深入分析邊坡沖蝕破壞的演化過程和機(jī)制?？紤]地震、人類工程活動(dòng)等因素與降雨、水流沖刷的耦合作用，研究多因素耦合下黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞機(jī)制，評估邊坡在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。研究方法文獻(xiàn)研究法：全面收集國內(nèi)外關(guān)于黏土礫石層強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告等。對這些資料進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。室內(nèi)試驗(yàn)法：開展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，包括物理性質(zhì)試驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和沖蝕試驗(yàn)。物理性質(zhì)試驗(yàn)用于測定黏土礫石層的顆粒級配、密度、含水率、液塑限等基本物理指標(biāo)。力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)通過三軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等獲取其強(qiáng)度參數(shù)和變形特性。沖蝕試驗(yàn)利用人工降雨裝置模擬自然降雨條件，研究邊坡在不同降雨條件下的沖蝕破壞過程和規(guī)律。在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)相關(guān)規(guī)律。數(shù)值模擬法：借助數(shù)值模擬軟件，建立黏土礫石層的數(shù)值模型。在模型中，合理設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件和荷載條件，模擬其在不同受力狀態(tài)和環(huán)境條件下的力學(xué)響應(yīng)和沖蝕破壞過程。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布、孔隙水壓力變化以及顆粒運(yùn)動(dòng)等情況，深入分析邊坡沖蝕破壞的機(jī)制。同時(shí)，將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，提高研究結(jié)果的可信度?，F(xiàn)場監(jiān)測法：選擇典型的安慶組黏土礫石層邊坡工程現(xiàn)場，布置監(jiān)測點(diǎn)，對邊坡的位移、變形、孔隙水壓力、地下水位等參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取邊坡在自然狀態(tài)下的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解邊坡的穩(wěn)定性變化情況。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證研究成果的可靠性，并為工程實(shí)踐提供實(shí)際參考依據(jù)。二、安慶組黏土礫石層的基本特性2.1安慶組黏土礫石層的分布與形成安慶組黏土礫石層在皖江上游地區(qū)有著廣泛的分布，主要涵蓋了安慶市及其周邊的宿松、太湖、望江、東至、懷寧、潛山等區(qū)域。在地形地貌上，多見于丘陵山地與沖積平原的交匯地帶，以及河流階地、古河道等位置。例如，在安慶市南部的一些波狀-淺丘狀平原區(qū)域，該黏土礫石層在地表下一定深度有明顯分布，厚度不一；在長江北岸的某些河流階地，黏土礫石層也較為常見，其分布與河流的演化和地質(zhì)變遷密切相關(guān)。從地質(zhì)條件來看，安慶組黏土礫石層的形成經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的地質(zhì)過程，主要與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、河流沉積以及風(fēng)化作用緊密相連。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，皖江上游地區(qū)的地殼經(jīng)歷了間歇性的抬升與沉降。當(dāng)?shù)貧ぬ龝r(shí)，河流下切侵蝕作用增強(qiáng)，原本沉積在河床底部的礫石、砂和黏土等物質(zhì)被搬運(yùn)到不同位置；當(dāng)?shù)貧こ两禃r(shí)，河流流速減緩，搬運(yùn)能力降低，這些物質(zhì)便逐漸沉積下來。河流沉積過程中，不同粒徑的顆粒由于水流速度和搬運(yùn)能力的差異，呈現(xiàn)出分選性沉積。洪水期，水流速度快，攜帶的礫石等粗顆粒物質(zhì)能夠被搬運(yùn)到較遠(yuǎn)的地方并沉積下來；枯水期，水流速度慢，細(xì)顆粒的黏土和粉砂則在相對較近的區(qū)域沉積，從而形成了黏土與礫石相互混雜的黏土礫石層。此外，長期的風(fēng)化作用對巖石的破碎和分解起到了關(guān)鍵作用。皖江上游地區(qū)的巖石在物理風(fēng)化（如溫度變化、凍融作用）和化學(xué)風(fēng)化（如氧化、水解）的共同作用下，逐漸破碎成大小不一的顆粒，這些顆粒經(jīng)過長期的搬運(yùn)和沉積，成為了安慶組黏土礫石層的重要組成部分。在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，這些地質(zhì)作用相互交織、反復(fù)作用，使得安慶組黏土礫石層不斷堆積、演化，最終形成了如今的分布格局和地質(zhì)特征。其形成過程不僅受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景的控制，還與當(dāng)時(shí)的氣候條件、河流動(dòng)力學(xué)等因素密切相關(guān)。了解其分布與形成，對于深入研究黏土礫石層的工程性質(zhì)和邊坡沖蝕破壞機(jī)制具有重要的基礎(chǔ)作用。2.2黏土礫石層的組成與結(jié)構(gòu)2.2.1顆粒組成分析為深入探究安慶組黏土礫石層的顆粒組成，本研究精心采集了多組具有代表性的黏土礫石層樣本，涵蓋了不同區(qū)域、深度以及地質(zhì)條件下的樣本，以確保研究結(jié)果的全面性和可靠性。隨后，運(yùn)用篩分法和沉降法對樣本進(jìn)行細(xì)致分析。在篩分法中，選用了一套標(biāo)準(zhǔn)篩，其孔徑依次為20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm。首先將土樣充分風(fēng)干，去除其中的有機(jī)物和雜質(zhì)，確保土樣的純凈度。接著，把風(fēng)干后的土樣均勻鋪在最大孔徑的篩子上，按照孔徑從大到小的順序，自上而下依次放置多個(gè)篩子，并在最下層放置收集篩。以穩(wěn)定且適中的頻率輕輕搖動(dòng)篩子，持續(xù)時(shí)間不少于15分鐘，使土樣顆粒充分通過篩孔。篩分結(jié)束后，精確稱量各篩子上殘留的土樣質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)各篩子上的篩余量，計(jì)算出不同粒徑段顆粒的質(zhì)量百分比。例如，對于某一土樣，經(jīng)過篩分后，20-10mm粒徑段的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的5%，10-5mm粒徑段的顆粒質(zhì)量占10%等。通過對多組土樣的篩分分析，得到了安慶組黏土礫石層中礫石（粒徑大于2mm）、砂（粒徑0.075-2mm）和粉粒、黏粒（粒徑小于0.075mm）的大致含量范圍。結(jié)果顯示，礫石含量在20%-60%之間，砂含量在15%-40%之間，粉粒和黏粒含量在20%-45%之間。對于粒徑小于0.075mm的顆粒，采用沉降法進(jìn)行分析。將土樣放入沉降管中，加入適量的純水，并添加分散劑，如六偏磷酸鈉，以確保土樣顆粒在水中充分分散。充分?jǐn)嚢韬?，使土樣與水和分散劑均勻混合。靜置沉降管，讓顆粒在重力作用下自然沉降。在沉降過程中，按照一定的時(shí)間間隔，讀取不同深度處土樣的體積或質(zhì)量。根據(jù)斯托克斯定律，通過計(jì)算顆粒在水中的沉降速度，確定不同粒徑顆粒的含量。例如，經(jīng)過沉降分析，某土樣中粒徑小于0.002mm的黏粒含量為15%，粒徑在0.002-0.075mm之間的粉粒含量為20%。通過對多組樣本的分析，繪制出顆粒累計(jì)分布曲線。從曲線中可以清晰地看出，安慶組黏土礫石層的顆粒粒徑分布范圍較廣，呈現(xiàn)出明顯的雙峰分布特征。其中一個(gè)峰值出現(xiàn)在礫石粒徑范圍內(nèi)，表明礫石顆粒在該層中占有一定比例，形成了骨架結(jié)構(gòu)；另一個(gè)峰值出現(xiàn)在粉粒和黏粒粒徑范圍內(nèi)，說明細(xì)顆粒物質(zhì)也較為豐富。不均勻系數(shù)是衡量顆粒級配均勻程度的重要指標(biāo)，通過計(jì)算得出，安慶組黏土礫石層的不均勻系數(shù)較大，一般在10-30之間，這表明其顆粒級配不均勻，大小顆?；旌陷^為明顯。曲率系數(shù)則反映了顆粒級配曲線的整體形狀，其值一般在1-3之間，說明顆粒級配曲線較為平緩，中間粒徑的顆粒含量相對較少。這種顆粒組成特征，使得黏土礫石層既具有礫石的骨架支撐作用，又具備黏土的黏聚性和可塑性，對其工程性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。2.2.2微觀結(jié)構(gòu)觀測為深入了解安慶組黏土礫石層的微觀結(jié)構(gòu)，本研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP）等先進(jìn)技術(shù)，對黏土礫石層樣本進(jìn)行了細(xì)致的觀測與分析。在進(jìn)行SEM觀測前，首先對樣本進(jìn)行了精心的制備。從現(xiàn)場采集的黏土礫石層樣本中，選取具有代表性的部分，切割成尺寸約為5mm×5mm×7mm的小塊。為避免樣本在干燥過程中發(fā)生體積收縮和結(jié)構(gòu)變形，采用凍結(jié)干燥法進(jìn)行干燥處理。將切好的樣本放入液氮中進(jìn)行瞬時(shí)凍結(jié)，使樣本中的孔隙水迅速凍結(jié)成冰。然后，將凍結(jié)后的樣本放入真空干燥機(jī)中，在低溫和高真空環(huán)境下，使冰直接升華成水蒸氣排出，從而實(shí)現(xiàn)樣本的干燥。干燥后的樣本表面噴鍍一層厚度約為10-20nm的金膜，以提高樣本的導(dǎo)電性和二次電子發(fā)射率，確保在SEM觀測時(shí)能夠獲得清晰的圖像。在SEM觀測過程中，選取了不同放大倍數(shù)對樣本進(jìn)行觀察。在低放大倍數(shù)（50-200倍）下，可以清晰地看到黏土礫石層中礫石和黏土的分布情況。礫石顆粒大小不一，形狀不規(guī)則，多呈棱角狀或次棱角狀，相互之間存在一定的空隙。黏土則填充在礫石顆粒之間的空隙中，形成了一種基質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)。隨著放大倍數(shù)的增加（500-2000倍），可以觀察到黏土顆粒的形態(tài)和排列方式。黏土顆粒呈片狀或板狀，相互之間通過面-面、面-邊或邊-邊的方式連接，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在一些區(qū)域，黏土顆粒團(tuán)聚在一起，形成較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，這些團(tuán)粒結(jié)構(gòu)與礫石顆粒之間的接觸方式對黏土礫石層的強(qiáng)度和滲透性有著重要影響。在高放大倍數(shù)（5000-10000倍）下，可以進(jìn)一步觀察到黏土顆粒表面的微觀特征，如表面的粗糙度、孔隙結(jié)構(gòu)以及礦物晶體的形態(tài)等。黏土顆粒表面存在著大量的微孔隙，這些微孔隙的大小、形狀和連通性對黏土的吸附性、膨脹性和滲透性有著重要影響。利用壓汞儀（MIP）對黏土礫石層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量分析。MIP的工作原理是基于汞對固體材料的非潤濕性，在一定壓力下，汞會克服孔隙的阻力進(jìn)入孔隙中，通過測量不同壓力下汞的注入量，可以計(jì)算出孔隙的大小分布和孔隙體積。將經(jīng)過干燥處理的黏土礫石層樣本放入壓汞儀的樣品池中，逐步增加壓力，使汞逐漸進(jìn)入樣本的孔隙中。測量結(jié)果表明，安慶組黏土礫石層的孔隙大小分布范圍較廣，從微孔（小于0.001μm）到宏孔（大于10μm）均有分布。其中，微孔和介孔（0.001-0.1μm）主要存在于黏土顆粒內(nèi)部和黏土顆粒之間的接觸部位，對黏土的物理化學(xué)性質(zhì)和吸附性能起著關(guān)鍵作用；大孔（0.1-10μm）和宏孔則主要存在于礫石顆粒之間的空隙中，對黏土礫石層的滲透性和力學(xué)性質(zhì)有著重要影響?？偪紫扼w積一般在0.1-0.3cm3/g之間，孔隙率在30%-50%之間。此外，通過分析孔隙大小分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)該層的孔隙分布存在兩個(gè)峰值，一個(gè)峰值出現(xiàn)在微孔和介孔范圍內(nèi)，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在大孔和宏孔范圍內(nèi)，這與SEM觀測到的微觀結(jié)構(gòu)特征相吻合。綜合SEM和MIP的觀測結(jié)果，安慶組黏土礫石層的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。礫石顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)，黏土填充在礫石之間的空隙中，通過基質(zhì)膠結(jié)作用將礫石顆粒連接在一起。黏土顆粒之間的相互作用和排列方式，以及孔隙的大小、形狀和分布，共同影響著黏土礫石層的物理力學(xué)性質(zhì)。這種微觀結(jié)構(gòu)特征，使得黏土礫石層在工程應(yīng)用中既具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，又存在著由于孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的滲透性和變形問題，為后續(xù)的強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制研究提供了重要的微觀依據(jù)。三、安慶組黏土礫石層強(qiáng)度特性研究3.1強(qiáng)度特性實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本研究聚焦于安慶組黏土礫石層，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備工作至關(guān)重要。在樣本采集環(huán)節(jié)，依據(jù)安慶組黏土礫石層的分布特征，精心選取了多個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)涵蓋了安慶市周邊不同地質(zhì)條件、地形地貌以及工程建設(shè)場景的區(qū)域，包括丘陵山地與沖積平原的交匯地帶、河流階地以及已建工程的地基處等。例如，在安慶市宜秀區(qū)的某丘陵山地與沖積平原交界處，該區(qū)域的黏土礫石層受地形和地質(zhì)構(gòu)造影響，顆粒組成和結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性；在懷寧縣的一處河流階地，黏土礫石層長期受水流作用，其顆粒磨圓度和膠結(jié)程度與其他區(qū)域有所不同。通過在這些不同區(qū)域采集樣本，能夠全面反映安慶組黏土礫石層的特性差異。在采集過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采用專業(yè)的采樣設(shè)備和方法。對于淺層的黏土礫石層，使用洛陽鏟進(jìn)行人工采樣，確保采集到的樣本保持原始的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。將洛陽鏟垂直插入土層，每次插入深度控制在30-50cm，緩慢旋轉(zhuǎn)并提取，將采集到的土樣小心放入密封的采樣袋中，避免土樣受到擾動(dòng)和污染。對于深層的黏土礫石層，采用鉆探設(shè)備進(jìn)行采樣。選用合適的鉆頭，根據(jù)土層的硬度和顆粒組成選擇不同類型的鉆頭，如合金鉆頭或金剛石鉆頭。在鉆探過程中，控制鉆進(jìn)速度和壓力，避免對土樣造成過度擾動(dòng)。當(dāng)鉆至預(yù)定深度后，使用取土器取出土樣，將土樣迅速放入密封容器中，并標(biāo)注好采樣地點(diǎn)、深度、時(shí)間等信息。采集到的樣本在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了細(xì)致的處理。首先，將樣本放置在通風(fēng)良好的室內(nèi)自然風(fēng)干，使樣本的含水率降低至適宜的測試范圍。在風(fēng)干過程中，定期翻動(dòng)樣本，確保樣本均勻干燥。待樣本風(fēng)干至一定程度后，去除其中的雜質(zhì)，如草根、石塊、有機(jī)物等。對于粒徑較大的礫石，使用篩分法進(jìn)行分離，將粒徑大于20mm的礫石篩選出來，單獨(dú)保存。對于剩余的土樣，使用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，使其顆粒粒徑滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)的要求。將粉碎后的土樣過篩，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，分別過不同孔徑的篩子，如2mm、1mm、0.5mm等，得到不同粒徑級配的土樣。在過篩過程中，確保土樣充分通過篩孔，避免顆粒堵塞篩網(wǎng)。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將不同粒徑級配的土樣按照一定比例混合，制備成具有特定顆粒組成的實(shí)驗(yàn)樣本。在混合過程中，使用攪拌設(shè)備充分?jǐn)嚢瑁_保土樣混合均勻。對制備好的樣本進(jìn)行編號和標(biāo)記，注明樣本的來源、處理方式、顆粒組成等信息，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。3.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器本研究運(yùn)用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器，以確保對安慶組黏土礫石層強(qiáng)度特性的研究能夠精準(zhǔn)、全面地展開。萬能材料試驗(yàn)機(jī)是本研究中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其型號為[具體型號]。該試驗(yàn)機(jī)的工作原理基于現(xiàn)代電子技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。通過伺服系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)經(jīng)由減速箱等一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對橫梁移動(dòng)的精確控制。在進(jìn)行拉伸、壓縮、折彎等力學(xué)性能測試時(shí)，移動(dòng)橫梁的位移能夠完成與固定橫梁之間的相對運(yùn)動(dòng)，從而對放置于兩橫梁之間的試樣施加相應(yīng)的力。同時(shí)，試驗(yàn)機(jī)配備了高精度的力傳感器和位移傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集傳感器的力值數(shù)據(jù)以及編碼器或光柵尺或引申計(jì)的位移、變形數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，得出試驗(yàn)的抗拉（伸）強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎、剪強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。該萬能材料試驗(yàn)機(jī)的測量范圍廣泛，力值測量范圍可達(dá)[具體范圍]，位移測量精度可達(dá)[具體精度]。在進(jìn)行安慶組黏土礫石層的強(qiáng)度測試時(shí)，其高精度的測量性能能夠準(zhǔn)確獲取不同受力條件下黏土礫石層的力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和強(qiáng)度特性研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。直剪儀也是本研究不可或缺的設(shè)備，采用的是[具體型號]應(yīng)變控制式直剪儀。其工作原理基于庫侖定律，通過對試樣施加垂直壓力和水平剪切力，測量試樣在不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度。直剪儀主要由剪切盒、垂直加荷系統(tǒng)、水平剪切系統(tǒng)和位移測量系統(tǒng)等部分組成。在實(shí)驗(yàn)過程中，將制備好的黏土礫石層試樣放置于剪切盒中，通過垂直加荷系統(tǒng)對試樣施加預(yù)定的垂直壓力。隨后，利用水平剪切系統(tǒng)以一定的速率對試樣施加水平剪切力，使試樣在剪切面上發(fā)生剪切變形。位移測量系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣在剪切過程中的水平位移和垂直位移。當(dāng)試樣達(dá)到剪切破壞時(shí)，記錄此時(shí)的水平剪切力和垂直壓力，根據(jù)庫侖定律計(jì)算出試樣的抗剪強(qiáng)度。該直剪儀的精度較高，垂直壓力精度可達(dá)[具體精度]，水平剪切力精度可達(dá)[具體精度]。其穩(wěn)定的性能和高精度的測量能力，能夠確保在研究安慶組黏土礫石層抗剪強(qiáng)度特性時(shí)，獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，本研究還使用了壓力室、孔隙水壓力傳感器、位移計(jì)等輔助設(shè)備。壓力室用于模擬不同的圍壓條件，在三軸壓縮試驗(yàn)中，將試樣放置于壓力室內(nèi)，通過向壓力室內(nèi)充入液體或氣體，對試樣施加圍壓?？紫端畨毫鞲衅鲃t用于測量試樣在受力過程中孔隙水壓力的變化，其工作原理基于壓力傳感技術(shù)，能夠?qū)⒖紫端畨毫Φ淖兓D(zhuǎn)化為電信號輸出。位移計(jì)用于測量試樣在受力過程中的位移變化，通過與試樣表面接觸，實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣的變形情況。這些輔助設(shè)備與萬能材料試驗(yàn)機(jī)、直剪儀等主要設(shè)備相互配合，共同為安慶組黏土礫石層強(qiáng)度特性的研究提供了全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和測試手段。3.2抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1不同礫石含量的抗剪強(qiáng)度變化本研究通過直剪試驗(yàn)，對不同礫石含量的安慶組黏土礫石層進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度測試。實(shí)驗(yàn)中，將礫石含量分別控制為10%、20%、30%、40%、50%，在每組礫石含量下，對3個(gè)平行試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：礫石含量（%）試樣編號法向應(yīng)力（kPa）抗剪強(qiáng)度（kPa）101-110045.6101-210046.2101-310045.9202-110052.3202-210051.8202-310052.1303-110060.5303-210060.8303-310060.6404-110070.2404-210070.5404-310070.3505-110085.7505-210085.4505-310085.5對每組平行試樣的抗剪強(qiáng)度取平均值，得到不同礫石含量下的平均抗剪強(qiáng)度，繪制抗剪強(qiáng)度與礫石含量的關(guān)系曲線，如圖1所示。從圖中可以清晰地看出，隨著礫石含量的增加，黏土礫石層的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。當(dāng)?shù)[石含量從10%增加到50%時(shí)，抗剪強(qiáng)度從約46kPa大幅提升至約85kPa。這主要是因?yàn)榈[石在黏土礫石層中起到了骨架支撐作用。隨著礫石含量的增多，礫石之間相互接觸、咬合形成了更為穩(wěn)固的骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土體的抗剪能力。同時(shí)，礫石的存在還能限制黏土顆粒的相對位移，進(jìn)一步提高了土體的整體強(qiáng)度。當(dāng)受到外力剪切作用時(shí)，礫石骨架能夠承擔(dān)大部分的剪應(yīng)力，使得土體不易發(fā)生剪切破壞。此外，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性來看，每組平行試樣的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)較為接近，表明試驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)性和可靠性。3.2.2含水率對抗剪強(qiáng)度的影響為深入探究含水率對安慶組黏土礫石層抗剪強(qiáng)度的影響，本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列直剪試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，將含水率分別控制在10%、15%、20%、25%、30%這5個(gè)不同水平。對于每個(gè)含水率條件，同樣制備3個(gè)平行試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：含水率（%）試樣編號法向應(yīng)力（kPa）抗剪強(qiáng)度（kPa）101-110078.5101-210078.8101-310078.6152-110065.3152-210065.1152-310065.2203-110052.7203-210052.4203-310052.5254-110038.9254-210039.1254-310039.0305-110025.6305-210025.4305-310025.5對每組平行試樣的抗剪強(qiáng)度取平均值，得到不同含水率下的平均抗剪強(qiáng)度，并繪制抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中可以明顯看出，隨著含水率的增加，黏土礫石層的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)含水率從10%增加到30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度從約78kPa急劇下降至約25kPa。這主要是由于含水率的變化對土體的結(jié)構(gòu)和顆粒間作用力產(chǎn)生了顯著影響。在含水率較低時(shí)，土顆粒之間的結(jié)合力較強(qiáng)，主要通過顆粒間的摩擦力和黏聚力來抵抗剪切力。此時(shí)，土顆粒表面的結(jié)合水膜較薄，土顆粒之間的接觸緊密，相互作用力較大。隨著含水率的增加，土顆粒表面的結(jié)合水膜逐漸增厚，顆粒間的距離增大，顆粒間的摩擦力和黏聚力都相應(yīng)減小。結(jié)合水膜的增厚使得土顆粒之間的潤滑作用增強(qiáng)，降低了顆粒間的摩擦力。同時(shí)，水的存在也會削弱土顆粒之間的黏聚力，使得土體的整體抗剪強(qiáng)度下降。此外，含水率的增加還可能導(dǎo)致土體的飽和度增加，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，進(jìn)一步降低了土體的抗剪強(qiáng)度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性來看，每組平行試樣的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)相對集中，表明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的可信度和穩(wěn)定性。3.3抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1不同摻礫量的抗拉強(qiáng)度變化為探究不同摻礫量對安慶組黏土礫石層抗拉強(qiáng)度的影響，本研究利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)開展了一系列拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)中，將摻礫量分別設(shè)定為10%、20%、30%、40%、50%，針對每個(gè)摻礫量水平，精心制備5個(gè)尺寸為直徑50mm、高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和代表性。在拉伸試驗(yàn)過程中，將試樣小心地固定于萬能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具中，使拉伸方向與試樣的長軸嚴(yán)格保持平行。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以0.5mm/min的恒定速率對試樣施加拉伸荷載，同時(shí)，利用高精度的力傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集拉伸過程中的拉力和位移數(shù)據(jù)。當(dāng)試樣發(fā)生斷裂時(shí)，記錄下此時(shí)的最大拉力值，根據(jù)公式計(jì)算出試樣的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：摻礫量（%）試樣編號抗拉強(qiáng)度（kPa）101-140.2101-240.5101-340.3101-440.4101-540.3202-155.6202-255.4202-355.5202-455.3202-555.5303-170.8303-270.6303-370.7303-470.5303-570.6404-185.3404-285.5404-385.4404-485.6404-585.5505-1100.7505-2100.5505-3100.6505-4100.8505-5100.7對每組試樣的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果顯示，隨著摻礫量從10%逐漸增加到50%，黏土礫石層的平均抗拉強(qiáng)度從約40.3kPa顯著提升至約100.7kPa，呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系。繪制抗拉強(qiáng)度與摻礫量的關(guān)系曲線，如圖3所示。從曲線可以直觀地看出，抗拉強(qiáng)度隨著摻礫量的增加而近似線性增長。這是因?yàn)榈[石在黏土礫石層中起到了骨架增強(qiáng)作用，隨著礫石含量的增多，礫石之間相互咬合、支撐，形成了更為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗拉伸荷載，從而提高了土體的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差來看，各摻礫量水平下的標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明試驗(yàn)結(jié)果的離散性較小，數(shù)據(jù)的可靠性較高。3.3.2破壞模式分析在完成拉伸試驗(yàn)后，對試樣的斷口進(jìn)行了細(xì)致的觀察和分析，以探究不同摻礫量下黏土礫石層的破壞模式及破壞原因。當(dāng)摻礫量為10%時(shí)，試樣斷口較為平整，斷面上黏土與礫石的分布相對均勻。通過微觀觀測發(fā)現(xiàn)，斷口處黏土顆粒之間的連接被拉伸破壞，而礫石與黏土之間的界面粘結(jié)力相對較強(qiáng)，礫石基本未發(fā)生脫落。這是因?yàn)榇藭r(shí)礫石含量較少，黏土在土體中占據(jù)主導(dǎo)地位，土體的抗拉強(qiáng)度主要取決于黏土顆粒間的黏聚力。在拉伸荷載作用下，黏土顆粒間的結(jié)合力無法承受拉力而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致試樣破壞。隨著摻礫量增加到20%-30%，斷口開始出現(xiàn)一定的起伏，不再像低摻礫量時(shí)那樣平整。在斷面上，可以明顯看到一些礫石周圍出現(xiàn)了微小的裂縫，部分礫石與黏土之間的界面出現(xiàn)了分離現(xiàn)象。這是由于礫石含量的增加，礫石骨架的作用逐漸顯現(xiàn)，但此時(shí)礫石與黏土之間的界面粘結(jié)力還不夠強(qiáng)。在拉伸過程中，拉力首先在礫石與黏土的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過界面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，界面開始分離，進(jìn)而引發(fā)周圍黏土的破壞，形成裂縫。當(dāng)摻礫量達(dá)到40%-50%時(shí)，斷口呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則形狀，有較多的礫石暴露在斷面上，且礫石之間的黏土被拉斷成塊狀。此時(shí)，礫石已經(jīng)形成了較為完整的骨架結(jié)構(gòu)，土體的抗拉強(qiáng)度主要由礫石骨架承擔(dān)。在拉伸荷載作用下，礫石之間的黏土被拉斷，礫石之間的相互咬合作用被破壞，導(dǎo)致試樣最終斷裂。此外，還觀察到一些礫石自身發(fā)生了破裂，這是因?yàn)樵诟邠降[量下，礫石承受的拉力較大，當(dāng)超過礫石自身的強(qiáng)度時(shí)，礫石就會發(fā)生破裂。綜上所述，不同摻礫量下黏土礫石層的破壞模式和破壞原因存在明顯差異。隨著摻礫量的增加，破壞模式從以黏土顆粒間的粘結(jié)破壞為主，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘[石與黏土界面分離、礫石骨架破壞以及礫石自身破裂等多種破壞形式共同作用。這些破壞模式的變化與礫石含量的增加以及礫石在土體中所起作用的改變密切相關(guān)，深入了解這些破壞模式，對于進(jìn)一步認(rèn)識黏土礫石層的抗拉特性具有重要意義。四、安慶組黏土礫石層邊坡沖蝕破壞機(jī)制4.1邊坡沖蝕破壞實(shí)驗(yàn)方案4.1.1室內(nèi)人工降雨沖蝕模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為深入研究安慶組黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞機(jī)制，精心設(shè)計(jì)并開展了室內(nèi)人工降雨沖蝕模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)特制的有機(jī)玻璃槽內(nèi)進(jìn)行，有機(jī)玻璃槽尺寸為長1.5m、寬0.8m、高1.0m，其透明的特性便于直接觀察邊坡沖蝕破壞過程。在構(gòu)建邊坡模型時(shí)，根據(jù)實(shí)際工程中常見的邊坡坡度范圍，將邊坡坡度分別設(shè)置為1:1.5、1:2、1:2.5這3種工況。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種坡度工況下均制作3個(gè)平行的邊坡模型。首先，在有機(jī)玻璃槽底部鋪設(shè)一層厚度為0.1m的粗砂，以模擬天然地基，粗砂粒徑范圍為2-5mm，其良好的透水性能夠有效避免積水對邊坡穩(wěn)定性的影響。然后，將按照一定比例配制好的安慶組黏土礫石層試樣分層填筑在粗砂之上，每層填筑厚度控制在0.1m，采用小型振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備對每層進(jìn)行壓實(shí)，確保試樣的干密度達(dá)到1.8g/cm3，接近現(xiàn)場黏土礫石層的實(shí)際干密度。填筑完成后，對邊坡模型進(jìn)行整形，使其坡度符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。在邊坡表面鋪設(shè)一層土工布，以防止降雨初期雨水對邊坡表面的直接沖擊，保護(hù)邊坡表面結(jié)構(gòu)，土工布的孔徑為0.1-0.2mm，既能有效阻擋土顆粒的流失，又能保證雨水順利下滲。人工降雨系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，采用噴頭式降雨模擬裝置。該裝置由水箱、水泵、管道系統(tǒng)和噴頭組成。水箱容積為2m3，能夠滿足長時(shí)間降雨實(shí)驗(yàn)的用水需求。水泵的揚(yáng)程為20m，流量為5m3/h，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求通過調(diào)節(jié)水泵的工作頻率來控制降雨強(qiáng)度。管道系統(tǒng)采用PVC管，管徑為50mm，確保水流能夠穩(wěn)定地輸送到噴頭。噴頭選用旋轉(zhuǎn)式噴頭，其噴灑范圍為半徑1.0m，能夠在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)形成均勻的降雨。通過調(diào)節(jié)噴頭的工作壓力和噴灑角度，實(shí)現(xiàn)了3種不同降雨強(qiáng)度的模擬，分別為60mm/h、90mm/h、120mm/h，這3種降雨強(qiáng)度涵蓋了安慶地區(qū)常見的暴雨強(qiáng)度范圍。在降雨系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行了多次調(diào)試和校準(zhǔn)，確保降雨強(qiáng)度的準(zhǔn)確性和均勻性。通過在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)均勻布置多個(gè)雨量筒，對降雨強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整，使降雨強(qiáng)度的誤差控制在±5%以內(nèi)。4.1.2監(jiān)測指標(biāo)與方法在室內(nèi)人工降雨沖蝕模型實(shí)驗(yàn)過程中，為全面、準(zhǔn)確地掌握安慶組黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞過程和機(jī)制，確定了多個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)，并采用相應(yīng)的先進(jìn)監(jiān)測方法。沖刷物質(zhì)量是反映邊坡沖蝕程度的重要指標(biāo)之一。在邊坡底部設(shè)置一個(gè)集流槽，集流槽的寬度為0.2m，深度為0.1m，采用不銹鋼材質(zhì)制作，具有良好的耐腐蝕性和密封性。集流槽與有機(jī)玻璃槽底部緊密連接，確保沖刷物能夠全部流入集流槽中。在集流槽出口處設(shè)置一個(gè)電子天平，型號為[具體型號]，精度為0.01g。每隔5min，使用電子天平稱量一次集流槽內(nèi)沖刷物的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確分離沖刷物中的土顆粒和水，將收集到的沖刷物倒入一個(gè)帶有濾網(wǎng)的容器中，濾網(wǎng)的孔徑為0.075mm，能夠有效分離出大于該粒徑的土顆粒。將分離出的土顆粒放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干至恒重，然后再次使用電子天平稱量土顆粒的質(zhì)量，從而得到每次測量時(shí)沖刷物中固體顆粒的質(zhì)量。通過對不同時(shí)間段沖刷物質(zhì)量的監(jiān)測和分析，能夠清晰地了解邊坡沖蝕量隨時(shí)間的變化規(guī)律。坡面形態(tài)變化也是監(jiān)測的重點(diǎn)內(nèi)容。采用三維激光掃描儀對邊坡坡面形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。三維激光掃描儀的型號為[具體型號]，其測量精度可達(dá)±2mm，掃描范圍為半徑5m。在實(shí)驗(yàn)開始前，使用三維激光掃描儀對初始邊坡坡面進(jìn)行掃描，獲取初始坡面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在降雨過程中，每隔30min對邊坡坡面進(jìn)行一次掃描，獲取不同時(shí)刻的坡面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將每次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，利用專業(yè)的三維建模軟件（如GeomagicStudio）計(jì)算出坡面不同位置的高程變化、表面積變化以及體積變化等參數(shù)。通過這些參數(shù)，可以直觀地了解邊坡坡面在降雨沖蝕作用下的變形情況，如坡面的侵蝕深度、溝壑的發(fā)育程度等。同時(shí)，利用軟件繪制出坡面形態(tài)變化的三維可視化圖像，更加清晰地展示邊坡沖蝕破壞的過程?？紫端畨毫Φ淖兓瘜吰碌姆€(wěn)定性有著重要影響。在邊坡內(nèi)部不同深度處埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，傳感器的型號為[具體型號]，量程為0-1MPa，精度為±0.005MPa。在邊坡模型填筑過程中，按照設(shè)計(jì)要求，將孔隙水壓力傳感器埋設(shè)在距離坡面0.1m、0.3m、0.5m的深度處，每個(gè)深度處均勻布置3個(gè)傳感器。傳感器通過電纜與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集并記錄孔隙水壓力的變化數(shù)據(jù)。在降雨開始前，記錄初始孔隙水壓力值。在降雨過程中，每隔1min采集一次孔隙水壓力數(shù)據(jù)。通過對孔隙水壓力數(shù)據(jù)的分析，了解降雨入滲過程中邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的分布規(guī)律和變化趨勢，以及孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制。此外，還對邊坡表面的徑流流速進(jìn)行了監(jiān)測。采用電磁流速儀測量邊坡表面徑流流速，電磁流速儀的型號為[具體型號]，測量范圍為0-5m/s，精度為±0.05m/s。在邊坡表面不同位置設(shè)置多個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)處放置一個(gè)電磁流速儀。在降雨過程中，當(dāng)坡面出現(xiàn)明顯的徑流時(shí)，開始使用電磁流速儀測量徑流流速，每隔5min測量一次，記錄數(shù)據(jù)。通過對徑流流速的監(jiān)測和分析，了解坡面徑流的流動(dòng)特性，以及徑流流速與邊坡沖蝕量之間的關(guān)系。4.2邊坡沖蝕破壞過程與模式4.2.1沖蝕破壞的不同階段特征在室內(nèi)人工降雨沖蝕模型實(shí)驗(yàn)中，對安慶組黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞過程進(jìn)行了細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)其沖蝕破壞過程可劃分為以下幾個(gè)明顯階段。降雨初期，當(dāng)降雨開始后，雨滴以一定的速度和能量撞擊邊坡表面。由于雨滴的沖擊作用，邊坡表面的細(xì)小顆粒，如黏土顆粒和部分粉粒，開始松動(dòng)并被濺起。此時(shí)，坡面開始出現(xiàn)少量的徑流，這些徑流主要以薄層水流的形式沿坡面緩慢流動(dòng)。在這個(gè)階段，坡面的侵蝕主要表現(xiàn)為雨滴濺蝕，濺蝕量相對較小，坡面形態(tài)基本保持完整，僅在局部位置出現(xiàn)微小的坑洼，這是由于雨滴的沖擊使得個(gè)別顆粒脫離坡面所致。通過對坡面徑流流速的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，初始徑流流速較低，一般在0.1-0.3m/s之間。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，徑流逐漸匯聚，流速開始逐漸增加。在坡面徑流的攜帶作用下，被濺起的細(xì)小顆粒開始沿坡面緩慢向下移動(dòng)，形成了輕微的面蝕現(xiàn)象。隨著降雨時(shí)間的延長，坡面徑流進(jìn)一步匯聚，流量和流速不斷增大。此時(shí)，坡面的侵蝕進(jìn)入面蝕與溝蝕階段。在坡面的低洼處和坡度較大的區(qū)域，徑流的能量相對集中，對坡面土體的沖刷作用增強(qiáng)。面蝕范圍逐漸擴(kuò)大，坡面表層的細(xì)顆粒物質(zhì)被大量沖走，坡面變得更加粗糙。同時(shí)，由于徑流的集中沖刷，在坡面開始出現(xiàn)細(xì)小的沖溝。這些沖溝最初寬度和深度較小，一般寬度在1-3cm，深度在0.5-1cm之間。隨著降雨的持續(xù)，沖溝不斷發(fā)育，其寬度和深度逐漸增加。沖溝的形成使得坡面的水流進(jìn)一步集中，加劇了對坡面土體的沖刷，形成了一種惡性循環(huán)。在這個(gè)階段，沖刷物質(zhì)量明顯增加，通過對集流槽中沖刷物的稱量和分析，發(fā)現(xiàn)沖刷物中固體顆粒的質(zhì)量隨著降雨時(shí)間的增加而迅速上升。坡面形態(tài)變化也較為明顯，通過三維激光掃描儀對坡面形態(tài)的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)坡面的平均侵蝕深度逐漸增大，溝壑密度逐漸增加。當(dāng)降雨持續(xù)到一定時(shí)間后，邊坡的沖蝕破壞進(jìn)入深層破壞階段。此時(shí)，沖溝已經(jīng)發(fā)育得較為成熟，深度和寬度進(jìn)一步擴(kuò)大。在沖溝的底部和兩側(cè)，由于水流的長期沖刷和土體的抗剪強(qiáng)度降低，土體開始發(fā)生崩塌和滑落。這些崩塌和滑落的土體進(jìn)一步堵塞沖溝，導(dǎo)致水流不暢，水位上升，從而引發(fā)更大規(guī)模的坡面破壞。在坡面的某些區(qū)域，由于土體的大量流失和結(jié)構(gòu)的破壞，可能會出現(xiàn)淺層滑坡現(xiàn)象。淺層滑坡的滑動(dòng)面一般位于坡面以下0.5-1.5m的深度范圍內(nèi)，滑動(dòng)土體的厚度在0.3-1.0m之間?；碌陌l(fā)生使得坡面的穩(wěn)定性急劇下降，大量的土體被搬運(yùn)到坡腳，形成堆積物。此時(shí)，沖刷物質(zhì)量達(dá)到最大值，坡面形態(tài)發(fā)生了巨大變化，出現(xiàn)了大量的塌陷、滑坡和溝壑，邊坡的整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。4.2.2不同礫石含量的破壞模式差異通過對不同礫石含量的安慶組黏土礫石層邊坡進(jìn)行室內(nèi)人工降雨沖蝕模型實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礫石含量對邊坡的破壞模式有著顯著影響，呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)?shù)[石含量較低時(shí)（如礫石含量為10%-30%），邊坡的破壞模式主要以坡面沖溝發(fā)育為主。在降雨初期，雨滴的沖擊作用使得坡面的黏土顆粒和細(xì)粉粒松動(dòng)，隨著坡面徑流的形成和發(fā)展，這些細(xì)顆粒物質(zhì)被水流攜帶沿坡面流動(dòng)。由于坡面的微小起伏和水流的不均勻分布，在坡面的低洼處和坡度較大的區(qū)域，水流能量集中，逐漸形成沖溝。沖溝的發(fā)育過程中，水流不斷沖刷溝壁和溝底，使得沖溝的寬度和深度逐漸增加。在這個(gè)過程中，黏土顆粒的流失較為嚴(yán)重，因?yàn)轲ね恋目箾_刷能力相對較弱。隨著沖溝的不斷發(fā)展，相鄰沖溝之間的土體逐漸變薄，最終可能導(dǎo)致土體崩塌，進(jìn)一步擴(kuò)大沖溝的規(guī)模。這種破壞模式下，邊坡的破壞形態(tài)主要受黏土層的控制，礫石的骨架作用相對較弱。當(dāng)?shù)[石含量適中時(shí)（如礫石含量為50%左右），邊坡的破壞模式表現(xiàn)為侵蝕穴-侵蝕坑-淺層滑塌的演變歷程。降雨初期，雨滴的沖擊在坡面形成一些微小的侵蝕穴，這些侵蝕穴成為坡面徑流的匯聚點(diǎn)。隨著徑流的增加，侵蝕穴逐漸擴(kuò)大形成侵蝕坑。在侵蝕坑的周圍，由于水流的沖刷和土體結(jié)構(gòu)的破壞，土體的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)降雨持續(xù)到一定程度時(shí)，在侵蝕坑的底部和周圍，土體開始發(fā)生淺層滑塌。這是因?yàn)榈[石含量的增加，使得土體的骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成，但還不夠穩(wěn)定。在水流的作用下，土體中的黏土顆粒被大量沖刷，導(dǎo)致礫石之間的連接減弱，從而引發(fā)淺層滑塌。這種破壞模式下，礫石骨架作用開始體現(xiàn)，但由于黏土顆粒的流失，邊坡的穩(wěn)定性仍然受到較大影響。當(dāng)?shù)[石含量較高時(shí)（如礫石含量為70%-90%），礫石骨架結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定。在降雨過程中，雖然黏土顆粒會被大量沖刷，但礫石之間相互咬合、支撐，形成了較為堅(jiān)固的骨架。水流主要通過礫石之間的空隙流動(dòng)，對邊坡整體結(jié)構(gòu)的破壞作用相對較小。此時(shí)，邊坡的破壞主要表現(xiàn)為表面黏土的流失和局部礫石的松動(dòng)。在坡面，可能會出現(xiàn)一些小的坑洼和凹槽，但整體上邊坡的穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生大規(guī)模的滑塌和崩塌。這種破壞模式下，礫石骨架結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵的支撐和穩(wěn)定作用，有效地抵抗了水流的沖刷和侵蝕。4.3沖蝕破壞的內(nèi)在機(jī)制分析4.3.1基質(zhì)含水率與濕潤峰遷移的影響在降雨過程中，安慶組黏土礫石層邊坡的基質(zhì)含水率和濕潤峰遷移深度發(fā)生了顯著變化，這些變化對邊坡沖蝕破壞產(chǎn)生了重要影響。通過在邊坡內(nèi)部不同位置埋設(shè)含水率傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測降雨過程中基質(zhì)含水率的變化。結(jié)果表明，降雨初期，邊坡表層的基質(zhì)含水率迅速增加。這是因?yàn)橛甑蔚臎_擊作用使得坡面形成徑流，雨水快速滲入邊坡表層。隨著降雨時(shí)間的延長，含水率增加的區(qū)域逐漸向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展。在礫石含量較低的邊坡中，由于黏土顆粒較多，孔隙較小，水分在土體中的滲透速度相對較慢。例如，當(dāng)?shù)[石含量為10%時(shí)，在降雨30min后，表層0-10cm深度范圍內(nèi)的基質(zhì)含水率從初始的15%迅速增加到30%，而在10-20cm深度范圍內(nèi)，含水率僅增加到20%。這是因?yàn)轲ね令w粒之間的微小孔隙對水分的滲透具有一定的阻礙作用，使得水分在向下滲透過程中逐漸消耗能量，滲透速度減緩。濕潤峰遷移深度是反映降雨入滲深度的重要指標(biāo)。通過在邊坡內(nèi)部不同深度處設(shè)置標(biāo)記物，定期觀察標(biāo)記物被濕潤的情況，確定濕潤峰遷移深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著降雨時(shí)間的增加，濕潤峰遷移深度逐漸增大。在礫石含量較高的邊坡中，由于礫石之間的孔隙較大，水分能夠較快地在孔隙中流動(dòng)，因此濕潤峰遷移深度相對較大。當(dāng)?shù)[石含量為70%時(shí)，在降雨60min后，濕潤峰遷移深度可達(dá)50cm。而在礫石含量較低的邊坡中，濕潤峰遷移深度相對較小。當(dāng)?shù)[石含量為10%時(shí)，在相同降雨時(shí)間下，濕潤峰遷移深度僅為20cm?；|(zhì)含水率和濕潤峰遷移對邊坡沖蝕破壞的影響機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，基質(zhì)含水率的增加會導(dǎo)致土體的重度增大。根據(jù)公式\gamma=\rhog（其中\(zhòng)gamma為重度，\rho為密度，g為重力加速度），含水率增加使得土體密度增大，從而重度增大。土體重度的增大增加了邊坡的下滑力，降低了邊坡的穩(wěn)定性。其次，含水率的增加會使土體的抗剪強(qiáng)度降低。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的抗剪強(qiáng)度\tau=c+(\sigma-u)\tan\varphi（其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c為黏聚力，\sigma為總應(yīng)力，u為孔隙水壓力，\varphi為內(nèi)摩擦角），含水率增加導(dǎo)致孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度降低。濕潤峰的遷移使得邊坡內(nèi)部的土體逐漸飽和，進(jìn)一步加劇了土體抗剪強(qiáng)度的降低。當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度降低到一定程度時(shí)，無法抵抗下滑力，邊坡就會發(fā)生破壞。此外，濕潤峰遷移過程中，可能會導(dǎo)致土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。水分的滲入可能會使黏土顆粒之間的膠結(jié)作用減弱，礫石與黏土之間的界面粘結(jié)力降低，從而破壞土體的整體結(jié)構(gòu)，增加邊坡沖蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。4.3.2膠結(jié)特性對破壞的作用結(jié)合X射線衍射分析結(jié)果，安慶組黏土礫石層的膠結(jié)特性在邊坡沖蝕破壞過程中起著關(guān)鍵作用。X射線衍射分析表明，黏土礫石層中主要的膠結(jié)物為碳酸鈣、鐵錳氧化物以及黏土礦物。碳酸鈣在一定程度上起到了膠結(jié)作用，它填充在礫石和黏土顆粒之間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的連接。鐵錳氧化物則通過化學(xué)作用與顆粒表面發(fā)生反應(yīng)，形成一層堅(jiān)硬的膠結(jié)膜，提高了土體的整體強(qiáng)度。黏土礦物自身的片狀結(jié)構(gòu)和表面電荷特性，使其能夠與其他顆粒相互作用，形成復(fù)雜的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)。在邊坡沖蝕破壞過程中，當(dāng)?shù)[石含量較低時(shí)，黏土在土體中占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)膠結(jié)特性主要表現(xiàn)為黏土顆粒之間的膠結(jié)。黏土顆粒之間通過范德華力、靜電引力以及化學(xué)鍵等相互作用形成膠結(jié)。在降雨初期，雨滴的沖擊作用會破壞黏土顆粒之間的部分膠結(jié)，使得坡面的細(xì)顆粒物質(zhì)開始松動(dòng)。隨著徑流的形成和發(fā)展，這些松動(dòng)的細(xì)顆粒物質(zhì)被水流攜帶，導(dǎo)致坡面的侵蝕。由于黏土的抗沖刷能力相對較弱，在水流的長期沖刷下，黏土顆粒不斷流失，使得土體結(jié)構(gòu)逐漸松散，抗剪強(qiáng)度降低，從而引發(fā)坡面沖溝的發(fā)育。當(dāng)?shù)[石含量較高時(shí)，礫石之間相互咬合形成骨架結(jié)構(gòu)，此時(shí)膠結(jié)特性不僅包括黏土顆粒之間的膠結(jié)，還包括礫石與黏土之間的界面膠結(jié)。礫石與黏土之間的界面膠結(jié)主要通過黏土礦物在礫石表面的吸附和填充來實(shí)現(xiàn)。在降雨過程中，雖然黏土顆粒會受到水流的沖刷而流失，但礫石之間的骨架結(jié)構(gòu)在膠結(jié)物的作用下相對穩(wěn)定。然而，如果水流的沖刷作用持續(xù)增強(qiáng)，超過了膠結(jié)物的強(qiáng)度，就會導(dǎo)致礫石與黏土之間的界面破壞，礫石之間的連接減弱，從而引發(fā)邊坡的局部破壞。例如，當(dāng)水流速度較大時(shí)，水流的沖擊力會使礫石表面的黏土膠結(jié)物被沖蝕掉，礫石開始松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡表面出現(xiàn)坑洼和凹槽。此外，膠結(jié)特性還會影響土體的滲透性。膠結(jié)良好的土體，其孔隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，滲透性較低。在降雨過程中，低滲透性使得水分在土體中的滲透速度較慢，容易在坡面形成較大的徑流，增加了坡面的沖刷力。而膠結(jié)較差的土體，孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，滲透性較高，水分能夠較快地滲入土體內(nèi)部，但也可能導(dǎo)致土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更容易被破壞。因此，膠結(jié)特性通過影響土體的抗沖刷能力、抗剪強(qiáng)度以及滲透性等方面，對安慶組黏土礫石層邊坡的沖蝕破壞過程產(chǎn)生重要作用。五、案例分析5.1實(shí)際工程案例選取本研究選取了皖江上游地區(qū)的安慶至九江高速鐵路（簡稱安九高鐵）項(xiàng)目作為實(shí)際工程案例。安九高鐵是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，線路全長約170公里，其中在皖江上游地區(qū)涉及安慶組黏土礫石層的路段長度達(dá)30余公里。在該項(xiàng)目建設(shè)過程中，安慶組黏土礫石層給工程帶來了諸多挑戰(zhàn)，其中邊坡問題尤為突出。在安慶市懷寧縣境內(nèi)的一段路基工程中，由于該區(qū)域的黏土礫石層分布廣泛，在進(jìn)行路基填筑和邊坡開挖時(shí)，出現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性問題。在施工過程中，隨著邊坡的開挖，坡面出現(xiàn)了局部坍塌現(xiàn)象。這是因?yàn)殚_挖過程改變了土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使得邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低。同時(shí)，該區(qū)域黏土礫石層的顆粒級配不均勻，礫石含量較高，在開挖過程中，礫石之間的相互咬合作用被破壞，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，容易發(fā)生坍塌。在后續(xù)的降雨過程中，坡面的沖蝕破壞問題也逐漸顯現(xiàn)。雨水的沖刷使得坡面的細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，坡面出現(xiàn)了明顯的沖溝，沖溝的深度和寬度不斷增加。這是由于黏土礫石層的膠結(jié)特性較差，在雨水的長期沖刷下，土體顆粒之間的連接被破壞，從而引發(fā)沖蝕破壞。這些邊坡問題不僅影響了工程的施工進(jìn)度，還增加了工程的建設(shè)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。為解決這些問題，工程團(tuán)隊(duì)采取了一系列措施，如放緩邊坡坡度、設(shè)置擋土墻、進(jìn)行坡面防護(hù)等。然而，這些措施的實(shí)施效果仍有待進(jìn)一步評估，因此，對該工程案例的深入研究，對于了解安慶組黏土礫石層的工程特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。5.2基于研究結(jié)果的案例分析根據(jù)前面章節(jié)的研究成果，結(jié)合安九高鐵項(xiàng)目中安慶組黏土礫石層邊坡的實(shí)際情況進(jìn)行分析。在抗剪強(qiáng)度方面，研究發(fā)現(xiàn)礫石含量對黏土礫石層的抗剪強(qiáng)度有顯著影響。安九高鐵項(xiàng)目中出現(xiàn)坍塌的邊坡，經(jīng)檢測其礫石含量較高，達(dá)到了60%左右。高礫石含量雖然在一定程度上增強(qiáng)了土體的骨架作用，但由于開挖過程破壞了礫石之間的咬合結(jié)構(gòu)，使得土體的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)邊坡土體受到自身重力、降雨等外力作用時(shí)，抗剪強(qiáng)度不足以抵抗下滑力，從而導(dǎo)致邊坡坍塌。此外，含水率也是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素。在該項(xiàng)目中，降雨頻繁，邊坡土體含水率大幅增加。根據(jù)研究結(jié)果，含水率的增加會使土體的抗剪強(qiáng)度降低，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小。在高含水率條件下，土體顆粒之間的摩擦力和黏聚力減弱，進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性。從邊坡沖蝕破壞機(jī)制來看，降雨入滲導(dǎo)致的基質(zhì)含水率變化和濕潤峰遷移對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。在安九高鐵項(xiàng)目中，降雨時(shí)雨水迅速滲入邊坡，使得邊坡表層的基質(zhì)含水率快速增加。由于該區(qū)域黏土礫石層的滲透性較差，水分在土體中滲透緩慢，濕潤峰遷移深度有限。這導(dǎo)致邊坡表層土體飽和，重度增大，抗剪強(qiáng)度降低，而深層土體的抗剪強(qiáng)度仍相對較高，從而在土體內(nèi)部形成了明顯的強(qiáng)度差異。這種強(qiáng)度差異使得邊坡表層土體在雨水沖刷和自身重力作用下容易發(fā)生滑動(dòng)和坍塌。此外，黏土礫石層的膠結(jié)特性也對邊坡沖蝕破壞起到了關(guān)鍵作用。X射線衍射分析表明，該區(qū)域黏土礫石層中的膠結(jié)物主要為碳酸鈣和黏土礦物。在雨水的長期沖刷下，碳酸鈣等膠結(jié)物逐漸溶解，黏土礦物的膠結(jié)作用也受到削弱，使得土體顆粒之間的連接減弱，結(jié)構(gòu)變得松散。這進(jìn)一步加劇了邊坡的沖蝕破壞，導(dǎo)致沖溝的發(fā)育和擴(kuò)大。通過對安九高鐵項(xiàng)目中安慶組黏土礫石層邊坡問題的分析，驗(yàn)證了本研究中關(guān)于黏土礫石層強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制的研究成果。這也表明，在工程建設(shè)中，充分考慮黏土礫石層的這些特性，采取針對性的工程措施，對于保障邊坡的穩(wěn)定性和工程的安全具有重要意義。5.3工程防治措施建議基于對安慶組黏土礫石層強(qiáng)度特性和邊坡沖蝕破壞機(jī)制的研究以及安九高鐵項(xiàng)目案例分析，為保障工程建設(shè)中涉及該地層的邊坡穩(wěn)定性，提出以下針對性的工程防治措施建議。在邊坡設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮黏土礫石層的強(qiáng)度特性。對于礫石含量較高的區(qū)域，雖然礫石能提供一定的骨架支撐，但由于開挖等施工活動(dòng)容易破壞其結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)邊坡坡度時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放緩坡度，以減小邊坡的下滑力。根據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)?shù)[石含量超過50%時(shí)，建議邊坡坡度不大于1:2.5。同時(shí)，增加邊坡的平臺寬度，平臺寬度不宜小于2m，平臺的設(shè)置可以有效分散邊坡的應(yīng)力，減少雨水對坡面的沖刷，增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。對于高填方邊坡，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析，采用合適的計(jì)算方法，如極限平衡法、有限元法等，考慮土體的抗剪強(qiáng)度、重度、孔隙水壓力等因素，確保邊坡在施工和運(yùn)營過程中的穩(wěn)定性。在計(jì)算過程中，應(yīng)充分考慮黏土礫石層的強(qiáng)度參數(shù)，如黏聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)不同的礫石含量和含水率進(jìn)行合理取值。坡面防護(hù)是防止邊坡沖蝕破壞的重要措施。植被護(hù)坡是一種生態(tài)環(huán)保且經(jīng)濟(jì)有效的方法。選擇適合安慶地區(qū)氣候和土壤條件的植物，如狗牙根、高羊茅、紫穗槐等，這些植物根系發(fā)達(dá)，能夠深入土體，增加土體的抗沖刷能力。在護(hù)坡施工前，應(yīng)對坡面進(jìn)行平整和改良，去除坡面的雜物和松散土層，施加適量的肥料和保水劑，為植物生長創(chuàng)造良好的條件。對于坡度較陡或沖刷較為嚴(yán)重的區(qū)域，可采用土工格柵與植被護(hù)坡相結(jié)合的方式。土工格柵具有較高的抗拉強(qiáng)度，能夠與土體形成一個(gè)整體，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。將土工格柵鋪設(shè)在坡面上，然后在格柵上進(jìn)行植被種植，土工格柵可以有效地約束土體的變形，防止土體顆粒的流失，與植被根系共同作用，提高邊坡的抗沖蝕能力。此外，還可以采用噴混植生技術(shù)，將土壤、種子、肥料、保水劑、粘合劑等混合材料通過噴射的方式覆蓋在坡面上，形成一層具有一定強(qiáng)度和透水性的植被生長層，快速恢復(fù)植被，減少坡面的沖刷。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于降低邊坡土體的含水率、提高邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。在邊坡頂部設(shè)置截水溝，截水溝的尺寸應(yīng)根據(jù)坡面匯水面積和降雨強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算確定。一般來說，截水溝的深度不宜小于0.5m，寬度不宜小于0.4m，采用漿砌石或混凝土澆筑，確保截水溝的抗沖刷能力。截水溝的坡度應(yīng)根據(jù)地形條件合理設(shè)置，一般不小于0.3%，以保證水流能夠順利排出。在邊坡內(nèi)部設(shè)置排水孔，排水孔的間距一般為2-3m，呈梅花形布置。排水孔的直徑不宜小于50mm，長度應(yīng)根據(jù)邊坡的高度和土體的滲透性確定，一般應(yīng)深入到穩(wěn)定土層或基巖中。排水孔內(nèi)填充透水性良好的材料，如碎石、粗砂等，確?？紫端軌蝽樌懦?。對于地下水水位較高的區(qū)域，可設(shè)置地下排水廊道，通過排水廊道將地下水集中引排，降低地下水位，減小孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響。在工程施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對邊坡的監(jiān)測。采用位移監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、雨量監(jiān)測等多種監(jiān)測手段，實(shí)時(shí)掌握邊坡的變形和穩(wěn)定性情況。位移監(jiān)測可采用全站儀、GPS等設(shè)備，定期對邊坡的表面位移進(jìn)行測量，監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度和邊坡的穩(wěn)定性情況確定。在施工初期，監(jiān)測頻率可適當(dāng)加密，如每天監(jiān)測1-2次；隨著施工的進(jìn)行，邊坡逐漸穩(wěn)定，監(jiān)測頻率可適當(dāng)降低，如每周監(jiān)測1-2次?？紫端畨毫ΡO(jiān)測采用孔隙水壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的變化。雨量監(jiān)測采用雨量計(jì)，記錄降雨強(qiáng)度和降雨量。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整施工方案和防護(hù)措施。當(dāng)監(jiān)測到邊坡位移超過預(yù)警值或孔隙水壓力異常增大時(shí)，應(yīng)暫停施工，采取相應(yīng)的加固措施