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本研究的主要作者包括Kai Han、Jiading Wang、Shan Li、Peng Xiao、Dengfei Zhang、Fei Wang和Haoyu Dong，分别来自西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室和西安科技大学安全科学与工程学院。研究于2024年2月26日在线发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》期刊上，文章编号为108556。
研究领域为土壤动力学与地震工程，具体聚焦于黄土（loess）滑坡的启动机制。近年来，中国西北地区铁路的大规模建设和运营导致了一系列地质灾害，尤其是由列车振动和降雨耦合作用引起的浅层黄土铁路边坡滑动频繁发生，造成了严重的人员和财产损失。因此，研究列车振动和降雨耦合作用下黄土边坡的滑动机制具有重要现实意义。黄土作为一种广泛分布于中国西北的特殊土壤，具有高孔隙率、弱胶结、低强度以及对水和振动高度敏感的特性。长期列车振动容易导致土壤孔隙结构变化，引发土壤松软和开裂，进而诱发滑坡灾害。此外，降雨也会显著增加黄土铁路边坡浅层滑坡的风险。
研究通过物理模拟实验和理论分析，探讨了列车振动和降雨耦合作用下黄土铁路边坡的失稳和滑动过程。实验使用了加速度、压力、湿度和位移监测设备，具体流程如下：
实验基于相似性原理，采用几何比例因子为100的模型，模拟实际边坡的尺寸。实验箱尺寸为1.5米×0.5米×0.5米，对应实际边坡尺寸为150米×50米×50米。实验土壤取自宝西铁路清涧段的Q3黄土，深度为1-5米。通过三组平行测试确定了黄土的基本物理性质参数。
实验在西北大学的物理模拟平台上进行，使用改良的伺服电机施加振动载荷。降雨设备通过电磁泵和压力阀调节，确保降雨强度为10毫米/小时。实验布置了多个传感器，包括加速度传感器、孔隙水压力传感器、湿度传感器和激光位移传感器，用于实时监测边坡内部的加速度、孔隙水压力、体积含水量和位移变化。
实验分为两个阶段：第一阶段为1小时的降雨积累，第二阶段为每隔2分钟施加一次振动载荷，每次振动持续3秒，共进行32个循环，累计降雨320毫米，振动载荷1600次。实验过程中，通过传感器实时记录各项数据，并观察边坡形态的变化。
通过分析加速度、孔隙水压力、体积含水量和位移数据，研究了边坡在不同阶段的动态响应和破坏过程。特别关注了裂缝密度和分形维数的变化，以量化边坡裂缝的发展。
实验观察到边坡滑动过程分为三个阶段：裂缝发展阶段、局部液化滑动阶段和滑动扩展阶段。在振动载荷作用下，边坡底部首先发生滑动，随后滑动范围逐渐向上扩展。裂缝密度和分形维数在滑动区域达到峰值后下降，表明滑动区域的裂缝在滑动后闭合。
加速度在边坡底部积累最多能量，内部结构变化最活跃，动态响应显著。初始滑动前，边坡底部的加速度显著增加，随后因土壤压实而降低。
孔隙水压力和体积含水量在降雨和振动作用下显著增加。边坡底部孔隙水压力在初始滑动前达到峰值1.2 kPa，随后因滑动而迅速下降。体积含水量在滑动区域达到峰值49%，表明土壤逐渐饱和，有效应力消失，最终引发浅层滑动。
位移监测显示，边坡底部在600次振动载荷后开始滑动，随后位移呈阶段性增加。最大位移达到23毫米，表明滑动范围逐渐扩大。
研究揭示了列车振动和降雨耦合作用下黄土铁路边坡滑动的启动机制，为预测黄土边坡灾害和提供预警提供了理论依据。主要结论包括： 1. 边坡各区域的动态响应存在显著差异，振动加速度从底部向顶部逐渐增加，振动能量的积累显著恶化了边坡的微观结构。 2. 降雨和列车振动耦合作用下，孔隙水压力和体积含水量发生显著变化，最终导致边坡浅层滑动。 3. 边坡滑动过程分为裂缝发展阶段、局部液化滑动阶段和滑动扩展阶段，裂缝密度和分形维数在滑动区域达到峰值后下降。
研究还通过对比分析，探讨了单一降雨条件和列车振动与降雨耦合条件下边坡失稳形式的差异，进一步验证了列车振动在黄土边坡滑动中的触发作用。
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