该文档报告了一项单一的原创性研究，属于类型a。
由长安大学胡吉博、翁小令*、杨连祥、雷尚敏以及河南理工大学牛浩双共同完成的研究《离心模型试验研究降雨条件下土石混合体边坡的破坏特征》于2022年9月23日在线发表在期刊 Engineering Failure Analysis 第142卷上。
本研究属于岩土工程与地质工程交叉领域，具体聚焦于边坡稳定性分析与地质灾害防治。土石混合体（Soil-Rock Mixture, SRM）作为一种广泛分布于边坡中的非均质地质体，其力学行为受岩石含量、空间分布及含水状态等多种因素影响，与传统均质土或岩石有显著不同。随着大型工程建设的快速发展，SRM边坡的稳定性日益受到关注。以往研究多关注外部荷载作用下的边坡失稳，对于降雨诱发SRM边坡失稳的机理研究相对缺乏。由于降雨入渗过程中SRM边坡非饱和区的渗流与变形耦合作用极为复杂，传统的极限平衡法或数值模拟在精确分析方面存在挑战。离心模型试验能够通过加速度场模拟原型应力场，被公认为研究岩土工程问题，特别是边坡变形破坏机理的里程碑式技术。本研究基于北京冬奥会国家跳台滑雪中心（雪如意）平台边坡工程背景，该边坡需在原山体上进行SRM回填或开挖以满足赛道要求，而项目所在地常年降雨，为确保边坡稳定，研究团队采用离心模型试验方法，旨在揭示降雨条件下岩石含量对SRM边坡失稳模式的影响机理，为SRM边坡的工程设计与施工提供理论支持。
研究的详细工作流程主要围绕离心模型试验的设计、实施与数据分析展开。试验的核心是自主研发了一套适用于离心机环境的降雨模拟系统。该系统由固定于离心机转臂近轴心处（以降低离心力对泵的影响）的储水箱、水泵和降雨喷头三个子系统构成。储水箱顶部设有单向阀以保持箱内压力，防止高速旋转下水流溅出。降雨喷头靠近边坡模型安装，以减少科里奥利加速度对雨滴下落的影响，确保降雨分布的均匀性。试验在长安大学的TLJ-3多功能土工离心机上进行，该设备有效容量60 gt，最大加速度100 g。模型箱尺寸为70 cm × 36 cm × 52 cm，一侧为透明有机玻璃以便观测。
研究共设计了四组不同岩石含量（0%、30%、50%、70%）的SRM边坡模型。试样采用最大粒径20 mm、最小粒径0.002 mm的材料配制，粘粒含量均控制在约14%。通过分层压实法填筑模型，边坡高度0.41 m，坡角45°，坡脚设置排水孔。模型内部布置了全面的监测系统：1）孔隙水压力传感器（PPT），共6个，分别布置在坡脚、坡中、坡顶的基岩面及其正上方，以监测渗流场变化；2）土压力传感器（E），共5个，其中4个置于基岩面以减少剪切变形导致的测量误差，1个置于坡体内部，用于间接反映上覆土层厚度变化及细颗粒迁移；3）高清摄像头，以10帧/秒速率拍摄边坡侧表面变形过程，结合预先埋设的白色图钉标记点，后续采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）技术分析位移场；4）试验后，在坡体不同断面取样，测定含水率并筛分以获取颗粒级配曲线。
试验过程分为四个阶段：加速度阶段（0-1500秒），离心机从0 g逐步加速至50 g；固结阶段（1500-1800秒），在50 g下稳定运行300秒，使边坡在自然状态下固结；降雨阶段（1800-3300秒），开启降雨系统，模拟暴雨强度（根据相似比换算至原型降雨强度为68.57 mm/d），持续降雨1500秒；无雨阶段（3300-3600秒），降雨停止后继续运行300秒，待变形稳定后结束试验。
研究获得了一系列详实且相互印证的结果。宏观破坏形态方面：岩石含量为0%（纯土坡）时，边坡破坏模式为多级块体滑动破坏。在连续降雨下，坡体上部土壤首先接近饱和，抗剪强度降低，产生张拉裂缝并发生局部滑塌，裂缝自上向下扩展，最终形成三级浅层滑塌。而当岩石含量为30%、50%和70%时，SRM边坡的破坏模式转变为侵蚀破坏。主要表现为上部细颗粒在雨水携带下，沿着岩石骨架间的孔隙向下迁移，并在坡脚堆积。随着岩石含量增加，细颗粒迁移现象逐渐减弱，坡面侵蚀损伤和坡脚堆积物越来越少，当岩石含量达70%时，坡面几乎完好无损。
孔隙水压力监测结果提供了渗流场演变的证据。对于纯土坡（T1工况），坡中传感器PPT5的孔隙水压力在降雨过程中出现两次骤降（对应两次滑动），随后传感器脱落。坡脚传感器PPT4的孔隙水压力则因滑塌体堆积形成新的渗流通道而出现二次上升。这些波动与宏观滑塌时刻吻合。对于SRM边坡（T2, T3, T4工况），孔隙水压力未出现剧烈波动，表明无整体滑动。但峰值孔隙水压力随岩石含量增加而显著降低（例如PPT4，从0%时的30.77 kPa降至70%时的11.05 kPa），且相同位置传感器的响应时间随岩石含量增加而延长，甚至在高岩石含量下坡底传感器始终未响应。这共同表明，SRM的渗透性随岩石含量增加而降低，更多降雨转化为坡面径流。
土压力数据间接揭示了细颗粒迁移过程。纯土坡的土压力曲线出现多次骤降（如E2）和骤升（如E1），对应滑塌发生和滑塌体在坡脚的堆积。SRM边坡的土压力则显示，坡中传感器（E2， E5）数值缓慢减小，而坡脚传感器（E1， E3， E4）数值有所增加，且增加幅度随岩石含量增加而减小。通过对坡脚土压力增长倍数的统计（30%时为1.29，50%时为1.18，70%时为1.07），定量证实了细颗粒迁移量随岩石含量增加而减少的趋势。
深层位移场通过PIV技术获得。结果显示，固结后所有边坡的最大沉降均发生在坡顶，且沉降量随岩石含量增加而减小，表明岩石提高了土体的弹性模量。降雨后，纯土坡因滑塌区域土体被冲走，无法进行PIV分析。SRM边坡的位移矢量主要集中于坡面附近，方向平行于坡面，无明显滑裂面，进一步证实了侵蚀破坏模式。最大位移值随岩石含量增加而减小（T2: 2.35 mm， T3: 1.51 mm， T4: 1.16 mm）。
试验后的含水率云图和颗粒级配分析提供了微观证据。含水率分布显示，SRM边坡整体含水率随岩石含量增加而降低，再次印证了其渗透性下降。颗粒筛分结果表明，对于SRM边坡，破坏后坡顶土体的岩石含量显著增加（如T2工况从30%增至42.79%），而坡中和坡脚土体的岩石含量减少、细粒含量增加，直观证明了细颗粒自坡顶向坡脚迁移的“淘蚀”过程。坡顶岩石含量的增长倍数（T2: 1.43， T3: 1.31， T4: 1.23）也随初始岩石含量增加而减小，与土压力结论一致。
抗剪强度测试对比了降雨前后土样的变化。纯土坡降雨后抗剪强度显著下降，这是导致其多级滑动破坏的直接原因。而SRM土样降雨前后抗剪强度变化幅度随岩石含量增加而减小，当岩石含量为70%时几乎不变，说明其稳定性主要受侵蚀作用控制，而非整体抗剪强度丧失。
基于以上结果，研究得出了明确结论：1）土质边坡与SRM边坡的破坏模式截然不同，前者为多级块体滑动破坏，后者（在仅考虑岩石含量变量时）为侵蚀破坏，且岩石含量越高，侵蚀作用越不明显。2）细颗粒迁移是SRM边坡失稳的主要原因。随着岩石含量增加，由粗颗粒构成的土骨架逐渐密实，细颗粒流失减少。3）SRM的渗透系数随岩石含量增加而降低。岩石的加入等效于减少了土体的过水断面。孔隙水压力和含水率的分布规律验证了这一点。4）岩石含量越高，SRM的弹性模量和内摩擦角越大，孔隙率越低，细粒土流失越少，边坡越稳定。深层位移数据直接支撑了这一结论。
本研究的科学价值在于，通过精细可控的离心模型试验，首次系统揭示了降雨条件下岩石含量对SRM边坡破坏模式（从滑动破坏到侵蚀破坏）的转变机理，并定量分析了细颗粒迁移、渗流场演变、土骨架作用等关键过程。其应用价值突出，为类似北京冬奥会跳台滑雪中心这类涉及SRM回填/开挖的边坡工程提供了直接的设计参考：在实际工程中，可以通过提高边坡填料的岩石含量来有效抑制多级滑动破坏和侵蚀破坏，增强边坡在降雨条件下的长期稳定性。
本研究的亮点在于：第一，方法创新：自主研发了适用于高离心加速度环境下的降雨模拟系统，解决了离心机内模拟均匀降雨的技术难题。第二，研究系统深入：采用了宏观形态、孔隙水压力、土压力、PIV位移场、含水率、颗粒级配、抗剪强度等多维度、多物理量的综合监测与测试手段，数据相互佐证，逻辑链条完整。第三，结论明确且具有工程指导意义：清晰区分了两种破坏模式及其主导机制，明确了岩石含量作为关键控制因素的作用，为工程实践提供了“提高岩石含量以增强稳定性”的简明且有效的建议。第四，紧密联系国家重大工程需求，研究源于北京冬奥会重大工程的实际问题，体现了理论研究与工程应用相结合的特点。
研究团队也客观指出了模型的局限性，例如目前对SRM模型试验的相似律研究尚不成熟，试验结论主要针对特定条件；受设备所限，仅研究了单一降雨强度的影响。这些为后续研究指明了方向，例如开展不同降雨强度、雨型、初始含水率等多因素耦合作用下的研究，以及发展更完善的SRM离心模型试验相似理论。