安庆组黏土砾石层强度特性与边坡冲蚀破坏机制探究

安庆组黏土砾石层强度特性与边坡冲蚀破坏机制探究一、引言1.1研究背景与意义在各类工程建设中，地质条件的复杂性始终是影响工程稳定性与安全性的关键因素。安庆组黏土砾石层作为一种特殊的地质体，广泛分布于皖江上游地区，在道路、铁路、水利水电等工程建设中频繁出现。从工程建设角度来看，安庆组黏土砾石层的力学性质和结构特征对工程基础的承载能力、稳定性有着直接影响。在道路建设中，若路基下方为安庆组黏土砾石层，其强度特性决定了路基能否承受车辆荷载长期作用，避免出现不均匀沉降、开裂等病害，确保道路的正常使用和行车安全。铁路工程对地基的稳定性要求更为严格，黏土砾石层的强度和变形特性直接关系到轨道的平顺性和列车运行的安全性，若其强度不足或边坡稳定性差，可能导致铁路路基塌陷、边坡坍塌，影响铁路的正常运营，甚至引发安全事故。在水利水电工程里，大坝、堤防等建筑物基础若涉及安庆组黏土砾石层，其抗渗性、抗冲刷性以及强度特性，对大坝的防渗效果、堤防的防洪能力起着关键作用，关乎工程的长期稳定运行和下游地区的防洪安全。边坡冲蚀破坏是岩土工程领域中常见且危害较大的问题，尤其在黏土砾石层分布区域，由于其特殊的颗粒组成和结构，在降雨、水流冲刷等自然因素作用下，边坡更容易发生冲蚀破坏。降雨时，雨水对边坡表面的冲刷会逐渐带走表层的细颗粒物质，导致边坡土体结构逐渐松散，强度降低。水流的长期作用，如河流对岸边边坡的冲刷，会不断侵蚀坡脚，使边坡的稳定性受到威胁，进而引发滑坡、坍塌等地质灾害。这些灾害不仅会造成工程设施的损坏，导致巨大的经济损失，还可能威胁到周边居民的生命财产安全，破坏生态环境，阻碍地区的可持续发展。研究安庆组黏土砾石层的强度特性，能够为工程设计提供准确的力学参数。通过室内试验和现场测试，获取其抗压强度、抗剪强度、变形模量等指标，工程师可以据此合理设计工程基础的形式、尺寸和承载能力，确保工程结构在黏土砾石层地基上的稳定性。对其边坡冲蚀破坏机制的研究，有助于深入了解边坡在自然因素作用下的破坏过程和规律。在此基础上，能够针对性地提出有效的边坡防护和加固措施，如采用植被护坡、挡土墙、土工格栅等方法，增强边坡的抗冲蚀能力，提高其稳定性，保障工程建设的安全和可持续发展。1.2国内外研究现状黏土砾石层作为一种特殊的地质体，其强度特性和边坡冲蚀破坏机制一直是岩土工程领域的研究热点。国内外学者从不同角度、运用多种方法对其展开了研究，取得了一系列成果，但仍存在一些不足。在黏土砾石层强度特性研究方面，国外起步较早，早期研究主要集中在颗粒级配、矿物成分对强度的影响。[国外学者姓名1]通过对不同地区黏土砾石层的颗粒分析，发现颗粒的大小、形状及分布对其力学性质有显著影响，不均匀系数较大的砾石层，其抗剪强度相对较高。随着研究的深入，[国外学者姓名2]利用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等，研究了黏土砾石层的微观结构与强度的关系，揭示了微观结构特征，如孔隙大小、连通性、颗粒接触方式等，对其宏观强度特性的影响机制。国内对黏土砾石层强度特性的研究也逐渐增多。[国内学者姓名1]通过室内三轴试验，研究了不同含水率、干密度条件下黏土砾石层的抗剪强度变化规律，指出含水率的增加会导致抗剪强度降低，而干密度的增大则能提高其抗剪强度。[国内学者姓名2]针对某特定地区的黏土砾石层，开展了现场大型直剪试验，获取了更符合实际工程条件的强度参数，为当地工程建设提供了重要依据。此外，一些学者还考虑了砾石含量、胶结程度等因素对强度的影响，[国内学者姓名3]通过试验发现，当砾石含量在一定范围内增加时，黏土砾石层的骨架作用增强，强度有所提高，但胶结程度差时，强度增长幅度受限。关于边坡冲蚀破坏机制，国外研究多集中在降雨入渗、水流冲刷作用下边坡的破坏过程和力学响应。[国外学者姓名3]利用数值模拟软件，建立了考虑降雨入渗的边坡渗流-应力耦合模型，分析了降雨过程中边坡孔隙水压力、应力应变的变化，以及这些变化如何导致边坡失稳破坏。[国外学者姓名4]通过现场监测和物理模型试验，研究了坡面水流对边坡的冲刷作用，揭示了水流流速、流量与边坡冲蚀量之间的定量关系。国内在边坡冲蚀破坏机制方面也取得了丰富成果。[国内学者姓名4]通过室内人工降雨试验，研究了不同坡度、降雨强度下黏土砾石层边坡的冲蚀破坏过程，发现坡度越大、降雨强度越高，边坡冲蚀破坏越严重，并总结了边坡冲蚀破坏的模式，如面蚀、沟蚀、浅层滑坡等。[国内学者姓名5]运用图像处理技术和数值分析方法，对边坡冲蚀破坏过程中的土体颗粒运动、坡面形态变化进行了定量分析，为边坡冲蚀破坏机制的研究提供了新的思路。尽管国内外在黏土砾石层强度特性和边坡冲蚀破坏机制研究方面取得了一定进展，但仍存在一些不足。在强度特性研究中，对于复杂应力条件下，如循环荷载、动静组合荷载作用下黏土砾石层的强度特性研究相对较少，而实际工程中，黏土砾石层往往会受到多种复杂应力的作用。此外，不同地区黏土砾石层的成分、结构差异较大，现有的研究成果在通用性和普适性方面还有待提高。在边坡冲蚀破坏机制研究中，虽然对降雨入渗、水流冲刷等单一因素的作用研究较为深入，但对于多种因素耦合作用下，如降雨、地震、人类活动等共同影响边坡冲蚀破坏的机制研究还不够全面，难以准确预测复杂条件下边坡的稳定性。而且，目前的研究多集中在定性分析和简单的定量描述，缺乏对边坡冲蚀破坏过程中多物理场耦合的深入理论分析和高精度数值模拟。1.3研究内容与方法本研究聚焦于安庆组黏土砾石层，综合运用多种方法，深入探究其强度特性及边坡冲蚀破坏机制，旨在为相关工程建设提供坚实的理论依据与实践指导。研究内容安庆组黏土砾石层基本特性分析：通过现场勘查，对安庆组黏土砾石层的分布范围、厚度、埋藏深度等进行详细测绘，绘制其地质分布图。采集具有代表性的黏土砾石层样本，利用X射线衍射（XRD）分析黏土矿物成分，明确蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物的含量，这些矿物对黏土砾石层的亲水性、膨胀性和强度有重要影响。运用扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒的形状、大小、排列方式及孔隙结构特征，为后续强度和冲蚀破坏机制研究奠定基础。强度特性研究：开展室内三轴压缩试验，控制不同的围压、含水率、干密度和砾石含量等因素，测试黏土砾石层的抗剪强度、抗压强度和变形模量等参数，分析各因素对强度特性的影响规律。利用直剪试验获取不同法向应力下的抗剪强度，建立抗剪强度与法向应力的关系曲线，确定黏聚力和内摩擦角等强度指标。考虑实际工程中黏土砾石层可能承受的循环荷载、动静组合荷载等复杂应力条件，进行相应的模拟试验，研究在复杂应力作用下其强度特性的变化规律，如强度衰减、变形累积等。边坡冲蚀破坏机制研究：设计并进行室内人工降雨冲蚀试验，搭建降雨模拟装置，设置不同的降雨强度、降雨历时、边坡坡度和砾石含量等条件，观察边坡表面的冲蚀现象，记录冲蚀过程中坡面形态变化、冲蚀量随时间的变化。通过在边坡内部埋设传感器，监测降雨过程中孔隙水压力、基质吸力、土体含水率等参数的变化，分析这些因素对边坡稳定性的影响，揭示降雨入渗导致边坡失稳的力学机制。采用数值模拟方法，运用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS）或离散元软件（如PFC）建立黏土砾石层边坡的数值模型，模拟降雨、水流冲刷等作用下边坡的应力应变分布、孔隙水压力变化和土体颗粒运动，与试验结果相互验证，深入分析边坡冲蚀破坏的演化过程和机制。考虑地震、人类工程活动等因素与降雨、水流冲刷的耦合作用，研究多因素耦合下黏土砾石层边坡的冲蚀破坏机制，评估边坡在复杂环境下的稳定性。研究方法文献研究法：全面收集国内外关于黏土砾石层强度特性和边坡冲蚀破坏机制的相关文献资料，包括学术期刊论文、学位论文、研究报告等。对这些资料进行系统梳理和分析，了解该领域的研究现状、发展趋势以及存在的问题，为本研究提供理论基础和研究思路。室内试验法：开展一系列室内试验，包括物理性质试验、力学性质试验和冲蚀试验。物理性质试验用于测定黏土砾石层的颗粒级配、密度、含水率、液塑限等基本物理指标。力学性质试验通过三轴压缩试验、直剪试验等获取其强度参数和变形特性。冲蚀试验利用人工降雨装置模拟自然降雨条件，研究边坡在不同降雨条件下的冲蚀破坏过程和规律。在试验过程中，严格控制试验条件，确保试验数据的准确性和可靠性，并对试验结果进行统计分析，总结相关规律。数值模拟法：借助数值模拟软件，建立黏土砾石层的数值模型。在模型中，合理设置材料参数、边界条件和荷载条件，模拟其在不同受力状态和环境条件下的力学响应和冲蚀破坏过程。通过数值模拟，可以直观地观察到土体内部的应力应变分布、孔隙水压力变化以及颗粒运动等情况，深入分析边坡冲蚀破坏的机制。同时，将数值模拟结果与室内试验结果进行对比验证，提高研究结果的可信度。现场监测法：选择典型的安庆组黏土砾石层边坡工程现场，布置监测点，对边坡的位移、变形、孔隙水压力、地下水位等参数进行长期监测。通过现场监测，获取边坡在自然状态下的实际运行数据，了解边坡的稳定性变化情况。将现场监测数据与室内试验和数值模拟结果进行对比分析，进一步验证研究成果的可靠性，并为工程实践提供实际参考依据。二、安庆组黏土砾石层的基本特性2.1安庆组黏土砾石层的分布与形成安庆组黏土砾石层在皖江上游地区有着广泛的分布，主要涵盖了安庆市及其周边的宿松、太湖、望江、东至、怀宁、潜山等区域。在地形地貌上，多见于丘陵山地与冲积平原的交汇地带，以及河流阶地、古河道等位置。例如，在安庆市南部的一些波状-浅丘状平原区域，该黏土砾石层在地表下一定深度有明显分布，厚度不一；在长江北岸的某些河流阶地，黏土砾石层也较为常见，其分布与河流的演化和地质变迁密切相关。从地质条件来看，安庆组黏土砾石层的形成经历了漫长而复杂的地质过程，主要与新构造运动、河流沉积以及风化作用紧密相连。在新构造运动时期，皖江上游地区的地壳经历了间歇性的抬升与沉降。当地壳抬升时，河流下切侵蚀作用增强，原本沉积在河床底部的砾石、砂和黏土等物质被搬运到不同位置；当地壳沉降时，河流流速减缓，搬运能力降低，这些物质便逐渐沉积下来。河流沉积过程中，不同粒径的颗粒由于水流速度和搬运能力的差异，呈现出分选性沉积。洪水期，水流速度快，携带的砾石等粗颗粒物质能够被搬运到较远的地方并沉积下来；枯水期，水流速度慢，细颗粒的黏土和粉砂则在相对较近的区域沉积，从而形成了黏土与砾石相互混杂的黏土砾石层。此外，长期的风化作用对岩石的破碎和分解起到了关键作用。皖江上游地区的岩石在物理风化（如温度变化、冻融作用）和化学风化（如氧化、水解）的共同作用下，逐渐破碎成大小不一的颗粒，这些颗粒经过长期的搬运和沉积，成为了安庆组黏土砾石层的重要组成部分。在漫长的地质历史时期，这些地质作用相互交织、反复作用，使得安庆组黏土砾石层不断堆积、演化，最终形成了如今的分布格局和地质特征。其形成过程不仅受到区域地质构造背景的控制，还与当时的气候条件、河流动力学等因素密切相关。了解其分布与形成，对于深入研究黏土砾石层的工程性质和边坡冲蚀破坏机制具有重要的基础作用。2.2黏土砾石层的组成与结构2.2.1颗粒组成分析为深入探究安庆组黏土砾石层的颗粒组成，本研究精心采集了多组具有代表性的黏土砾石层样本，涵盖了不同区域、深度以及地质条件下的样本，以确保研究结果的全面性和可靠性。随后，运用筛分法和沉降法对样本进行细致分析。在筛分法中，选用了一套标准筛，其孔径依次为20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm。首先将土样充分风干，去除其中的有机物和杂质，确保土样的纯净度。接着，把风干后的土样均匀铺在最大孔径的筛子上，按照孔径从大到小的顺序，自上而下依次放置多个筛子，并在最下层放置收集筛。以稳定且适中的频率轻轻摇动筛子，持续时间不少于15分钟，使土样颗粒充分通过筛孔。筛分结束后，精确称量各筛子上残留的土样质量，记录数据。根据各筛子上的筛余量，计算出不同粒径段颗粒的质量百分比。例如，对于某一土样，经过筛分后，20-10mm粒径段的颗粒质量占总质量的5%，10-5mm粒径段的颗粒质量占10%等。通过对多组土样的筛分分析，得到了安庆组黏土砾石层中砾石（粒径大于2mm）、砂（粒径0.075-2mm）和粉粒、黏粒（粒径小于0.075mm）的大致含量范围。结果显示，砾石含量在20%-60%之间，砂含量在15%-40%之间，粉粒和黏粒含量在20%-45%之间。对于粒径小于0.075mm的颗粒，采用沉降法进行分析。将土样放入沉降管中，加入适量的纯水，并添加分散剂，如六偏磷酸钠，以确保土样颗粒在水中充分分散。充分搅拌后，使土样与水和分散剂均匀混合。静置沉降管，让颗粒在重力作用下自然沉降。在沉降过程中，按照一定的时间间隔，读取不同深度处土样的体积或质量。根据斯托克斯定律，通过计算颗粒在水中的沉降速度，确定不同粒径颗粒的含量。例如，经过沉降分析，某土样中粒径小于0.002mm的黏粒含量为15%，粒径在0.002-0.075mm之间的粉粒含量为20%。通过对多组样本的分析，绘制出颗粒累计分布曲线。从曲线中可以清晰地看出，安庆组黏土砾石层的颗粒粒径分布范围较广，呈现出明显的双峰分布特征。其中一个峰值出现在砾石粒径范围内，表明砾石颗粒在该层中占有一定比例，形成了骨架结构；另一个峰值出现在粉粒和黏粒粒径范围内，说明细颗粒物质也较为丰富。不均匀系数是衡量颗粒级配均匀程度的重要指标，通过计算得出，安庆组黏土砾石层的不均匀系数较大，一般在10-30之间，这表明其颗粒级配不均匀，大小颗粒混合较为明显。曲率系数则反映了颗粒级配曲线的整体形状，其值一般在1-3之间，说明颗粒级配曲线较为平缓，中间粒径的颗粒含量相对较少。这种颗粒组成特征，使得黏土砾石层既具有砾石的骨架支撑作用，又具备黏土的黏聚性和可塑性，对其工程性质产生了显著影响。2.2.2微观结构观测为深入了解安庆组黏土砾石层的微观结构，本研究采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP）等先进技术，对黏土砾石层样本进行了细致的观测与分析。在进行SEM观测前，首先对样本进行了精心的制备。从现场采集的黏土砾石层样本中，选取具有代表性的部分，切割成尺寸约为5mm×5mm×7mm的小块。为避免样本在干燥过程中发生体积收缩和结构变形，采用冻结干燥法进行干燥处理。将切好的样本放入液氮中进行瞬时冻结，使样本中的孔隙水迅速冻结成冰。然后，将冻结后的样本放入真空干燥机中，在低温和高真空环境下，使冰直接升华成水蒸气排出，从而实现样本的干燥。干燥后的样本表面喷镀一层厚度约为10-20nm的金膜，以提高样本的导电性和二次电子发射率，确保在SEM观测时能够获得清晰的图像。在SEM观测过程中，选取了不同放大倍数对样本进行观察。在低放大倍数（50-200倍）下，可以清晰地看到黏土砾石层中砾石和黏土的分布情况。砾石颗粒大小不一，形状不规则，多呈棱角状或次棱角状，相互之间存在一定的空隙。黏土则填充在砾石颗粒之间的空隙中，形成了一种基质胶结的结构。随着放大倍数的增加（500-2000倍），可以观察到黏土颗粒的形态和排列方式。黏土颗粒呈片状或板状，相互之间通过面-面、面-边或边-边的方式连接，形成了复杂的网络结构。在一些区域，黏土颗粒团聚在一起，形成较大的团粒结构，这些团粒结构与砾石颗粒之间的接触方式对黏土砾石层的强度和渗透性有着重要影响。在高放大倍数（5000-10000倍）下，可以进一步观察到黏土颗粒表面的微观特征，如表面的粗糙度、孔隙结构以及矿物晶体的形态等。黏土颗粒表面存在着大量的微孔隙，这些微孔隙的大小、形状和连通性对黏土的吸附性、膨胀性和渗透性有着重要影响。利用压汞仪（MIP）对黏土砾石层的孔隙结构进行了定量分析。MIP的工作原理是基于汞对固体材料的非润湿性，在一定压力下，汞会克服孔隙的阻力进入孔隙中，通过测量不同压力下汞的注入量，可以计算出孔隙的大小分布和孔隙体积。将经过干燥处理的黏土砾石层样本放入压汞仪的样品池中，逐步增加压力，使汞逐渐进入样本的孔隙中。测量结果表明，安庆组黏土砾石层的孔隙大小分布范围较广，从微孔（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）主要存在于黏土颗粒内部和黏土颗粒之间的接触部位，对黏土的物理化学性质和吸附性能起着关键作用；大孔（0.1-10μm）和宏孔则主要存在于砾石颗粒之间的空隙中，对黏土砾石层的渗透性和力学性质有着重要影响。总孔隙体积一般在0.1-0.3cm³/g之间，孔隙率在30%-50%之间。此外，通过分析孔隙大小分布曲线，可以发现该层的孔隙分布存在两个峰值，一个峰值出现在微孔和介孔范围内，另一个峰值出现在大孔和宏孔范围内，这与SEM观测到的微观结构特征相吻合。综合SEM和MIP的观测结果，安庆组黏土砾石层的微观结构呈现出复杂的特征。砾石颗粒形成骨架结构，黏土填充在砾石之间的空隙中，通过基质胶结作用将砾石颗粒连接在一起。黏土颗粒之间的相互作用和排列方式，以及孔隙的大小、形状和分布，共同影响着黏土砾石层的物理力学性质。这种微观结构特征，使得黏土砾石层在工程应用中既具有一定的强度和稳定性，又存在着由于孔隙结构导致的渗透性和变形问题，为后续的强度特性和边坡冲蚀破坏机制研究提供了重要的微观依据。三、安庆组黏土砾石层强度特性研究3.1强度特性实验方案设计3.1.1实验材料准备本研究聚焦于安庆组黏土砾石层，为确保实验结果的准确性与可靠性，实验材料的准备工作至关重要。在样本采集环节，依据安庆组黏土砾石层的分布特征，精心选取了多个具有代表性的采样点。这些采样点涵盖了安庆市周边不同地质条件、地形地貌以及工程建设场景的区域，包括丘陵山地与冲积平原的交汇地带、河流阶地以及已建工程的地基处等。例如，在安庆市宜秀区的某丘陵山地与冲积平原交界处，该区域的黏土砾石层受地形和地质构造影响，颗粒组成和结构具有独特性；在怀宁县的一处河流阶地，黏土砾石层长期受水流作用，其颗粒磨圆度和胶结程度与其他区域有所不同。通过在这些不同区域采集样本，能够全面反映安庆组黏土砾石层的特性差异。在采集过程中，严格遵循相关规范和标准，采用专业的采样设备和方法。对于浅层的黏土砾石层，使用洛阳铲进行人工采样，确保采集到的样本保持原始的结构和状态。将洛阳铲垂直插入土层，每次插入深度控制在30-50cm，缓慢旋转并提取，将采集到的土样小心放入密封的采样袋中，避免土样受到扰动和污染。对于深层的黏土砾石层，采用钻探设备进行采样。选用合适的钻头，根据土层的硬度和颗粒组成选择不同类型的钻头，如合金钻头或金刚石钻头。在钻探过程中，控制钻进速度和压力，避免对土样造成过度扰动。当钻至预定深度后，使用取土器取出土样，将土样迅速放入密封容器中，并标注好采样地点、深度、时间等信息。采集到的样本在实验室进行了细致的处理。首先，将样本放置在通风良好的室内自然风干，使样本的含水率降低至适宜的测试范围。在风干过程中，定期翻动样本，确保样本均匀干燥。待样本风干至一定程度后，去除其中的杂质，如草根、石块、有机物等。对于粒径较大的砾石，使用筛分法进行分离，将粒径大于20mm的砾石筛选出来，单独保存。对于剩余的土样，使用粉碎机进行粉碎，使其颗粒粒径满足后续实验的要求。将粉碎后的土样过筛，根据实验需求，分别过不同孔径的筛子，如2mm、1mm、0.5mm等，得到不同粒径级配的土样。在过筛过程中，确保土样充分通过筛孔，避免颗粒堵塞筛网。最后，根据实验设计，将不同粒径级配的土样按照一定比例混合，制备成具有特定颗粒组成的实验样本。在混合过程中，使用搅拌设备充分搅拌，确保土样混合均匀。对制备好的样本进行编号和标记，注明样本的来源、处理方式、颗粒组成等信息，以便后续实验使用。3.1.2实验设备与仪器本研究运用了多种先进的实验设备与仪器，以确保对安庆组黏土砾石层强度特性的研究能够精准、全面地展开。万能材料试验机是本研究中的关键设备之一，其型号为[具体型号]。该试验机的工作原理基于现代电子技术与机械传动技术的有机结合。通过伺服系统控制电机运转，电机经由减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动，进而实现对横梁移动的精确控制。在进行拉伸、压缩、折弯等力学性能测试时，移动横梁的位移能够完成与固定横梁之间的相对运动，从而对放置于两横梁之间的试样施加相应的力。同时，试验机配备了高精度的力传感器和位移传感器，能够实时采集传感器的力值数据以及编码器或光栅尺或引申计的位移、变形数据。这些数据通过计算机自动计算，得出试验的抗拉（伸）强度、抗压强度、弯、剪强度等关键参数。该万能材料试验机的测量范围广泛，力值测量范围可达[具体范围]，位移测量精度可达[具体精度]。在进行安庆组黏土砾石层的强度测试时，其高精度的测量性能能够准确获取不同受力条件下黏土砾石层的力学响应，为后续的数据分析和强度特性研究提供可靠的数据支持。直剪仪也是本研究不可或缺的设备，采用的是[具体型号]应变控制式直剪仪。其工作原理基于库仑定律，通过对试样施加垂直压力和水平剪切力，测量试样在不同法向应力下的抗剪强度。直剪仪主要由剪切盒、垂直加荷系统、水平剪切系统和位移测量系统等部分组成。在实验过程中，将制备好的黏土砾石层试样放置于剪切盒中，通过垂直加荷系统对试样施加预定的垂直压力。随后，利用水平剪切系统以一定的速率对试样施加水平剪切力，使试样在剪切面上发生剪切变形。位移测量系统则实时监测试样在剪切过程中的水平位移和垂直位移。当试样达到剪切破坏时，记录此时的水平剪切力和垂直压力，根据库仑定律计算出试样的抗剪强度。该直剪仪的精度较高，垂直压力精度可达[具体精度]，水平剪切力精度可达[具体精度]。其稳定的性能和高精度的测量能力，能够确保在研究安庆组黏土砾石层抗剪强度特性时，获取准确的实验数据。此外，本研究还使用了压力室、孔隙水压力传感器、位移计等辅助设备。压力室用于模拟不同的围压条件，在三轴压缩试验中，将试样放置于压力室内，通过向压力室内充入液体或气体，对试样施加围压。孔隙水压力传感器则用于测量试样在受力过程中孔隙水压力的变化，其工作原理基于压力传感技术，能够将孔隙水压力的变化转化为电信号输出。位移计用于测量试样在受力过程中的位移变化，通过与试样表面接触，实时监测试样的变形情况。这些辅助设备与万能材料试验机、直剪仪等主要设备相互配合，共同为安庆组黏土砾石层强度特性的研究提供了全面、准确的数据采集和测试手段。3.2抗剪强度实验结果与分析3.2.1不同砾石含量的抗剪强度变化本研究通过直剪试验，对不同砾石含量的安庆组黏土砾石层进行了抗剪强度测试。实验中，将砾石含量分别控制为10%、20%、30%、40%、50%，在每组砾石含量下，对3个平行试样进行直剪试验，以确保实验结果的可靠性和重复性。实验结果如表1所示：砾石含量（%）试样编号法向应力（kPa）抗剪强度（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对每组平行试样的抗剪强度取平均值，得到不同砾石含量下的平均抗剪强度，绘制抗剪强度与砾石含量的关系曲线，如图1所示。从图中可以清晰地看出，随着砾石含量的增加，黏土砾石层的抗剪强度呈现出显著的增长趋势。当砾石含量从10%增加到50%时，抗剪强度从约46kPa大幅提升至约85kPa。这主要是因为砾石在黏土砾石层中起到了骨架支撑作用。随着砾石含量的增多，砾石之间相互接触、咬合形成了更为稳固的骨架结构，增强了土体的抗剪能力。同时，砾石的存在还能限制黏土颗粒的相对位移，进一步提高了土体的整体强度。当受到外力剪切作用时，砾石骨架能够承担大部分的剪应力，使得土体不易发生剪切破坏。此外，从试验数据的离散性来看，每组平行试样的抗剪强度数据较为接近，表明试验结果具有较好的重复性和可靠性。3.2.2含水率对抗剪强度的影响为深入探究含水率对安庆组黏土砾石层抗剪强度的影响，本研究设计并进行了一系列直剪试验。在试验过程中，将含水率分别控制在10%、15%、20%、25%、30%这5个不同水平。对于每个含水率条件，同样制备3个平行试样进行直剪试验，以确保试验结果的准确性和可靠性。实验结果如下表所示：含水率（%）试样编号法向应力（kPa）抗剪强度（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对每组平行试样的抗剪强度取平均值，得到不同含水率下的平均抗剪强度，并绘制抗剪强度与含水率的关系曲线，如图2所示。从图中可以明显看出，随着含水率的增加，黏土砾石层的抗剪强度呈现出逐渐降低的趋势。当含水率从10%增加到30%时，抗剪强度从约78kPa急剧下降至约25kPa。这主要是由于含水率的变化对土体的结构和颗粒间作用力产生了显著影响。在含水率较低时，土颗粒之间的结合力较强，主要通过颗粒间的摩擦力和黏聚力来抵抗剪切力。此时，土颗粒表面的结合水膜较薄，土颗粒之间的接触紧密，相互作用力较大。随着含水率的增加，土颗粒表面的结合水膜逐渐增厚，颗粒间的距离增大，颗粒间的摩擦力和黏聚力都相应减小。结合水膜的增厚使得土颗粒之间的润滑作用增强，降低了颗粒间的摩擦力。同时，水的存在也会削弱土颗粒之间的黏聚力，使得土体的整体抗剪强度下降。此外，含水率的增加还可能导致土体的饱和度增加，孔隙水压力增大，有效应力减小，进一步降低了土体的抗剪强度。从试验数据的离散性来看，每组平行试样的抗剪强度数据相对集中，表明试验结果具有较高的可信度和稳定性。3.3抗拉强度实验结果与分析3.3.1不同掺砾量的抗拉强度变化为探究不同掺砾量对安庆组黏土砾石层抗拉强度的影响，本研究利用万能材料试验机开展了一系列拉伸试验。试验中，将掺砾量分别设定为10%、20%、30%、40%、50%，针对每个掺砾量水平，精心制备5个尺寸为直径50mm、高度100mm的标准试样，以确保试验结果的可靠性和代表性。在拉伸试验过程中，将试样小心地固定于万能材料试验机的夹具中，使拉伸方向与试样的长轴严格保持平行。启动试验机，以0.5mm/min的恒定速率对试样施加拉伸荷载，同时，利用高精度的力传感器和位移传感器，实时、准确地采集拉伸过程中的拉力和位移数据。当试样发生断裂时，记录下此时的最大拉力值，根据公式计算出试样的抗拉强度。试验结果如表2所示：掺砾量（%）试样编号抗拉强度（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对每组试样的抗拉强度进行统计分析，计算其平均值和标准差。结果显示，随着掺砾量从10%逐渐增加到50%，黏土砾石层的平均抗拉强度从约40.3kPa显著提升至约100.7kPa，呈现出良好的正相关关系。绘制抗拉强度与掺砾量的关系曲线，如图3所示。从曲线可以直观地看出，抗拉强度随着掺砾量的增加而近似线性增长。这是因为砾石在黏土砾石层中起到了骨架增强作用，随着砾石含量的增多，砾石之间相互咬合、支撑，形成了更为稳固的结构，能够有效抵抗拉伸荷载，从而提高了土体的抗拉强度。同时，从试验数据的标准差来看，各掺砾量水平下的标准差较小，表明试验结果的离散性较小，数据的可靠性较高。3.3.2破坏模式分析在完成拉伸试验后，对试样的断口进行了细致的观察和分析，以探究不同掺砾量下黏土砾石层的破坏模式及破坏原因。当掺砾量为10%时，试样断口较为平整，断面上黏土与砾石的分布相对均匀。通过微观观测发现，断口处黏土颗粒之间的连接被拉伸破坏，而砾石与黏土之间的界面粘结力相对较强，砾石基本未发生脱落。这是因为此时砾石含量较少，黏土在土体中占据主导地位，土体的抗拉强度主要取决于黏土颗粒间的黏聚力。在拉伸荷载作用下，黏土颗粒间的结合力无法承受拉力而发生断裂，导致试样破坏。随着掺砾量增加到20%-30%，断口开始出现一定的起伏，不再像低掺砾量时那样平整。在断面上，可以明显看到一些砾石周围出现了微小的裂缝，部分砾石与黏土之间的界面出现了分离现象。这是由于砾石含量的增加，砾石骨架的作用逐渐显现，但此时砾石与黏土之间的界面粘结力还不够强。在拉伸过程中，拉力首先在砾石与黏土的界面处产生应力集中，当应力超过界面粘结强度时，界面开始分离，进而引发周围黏土的破坏，形成裂缝。当掺砾量达到40%-50%时，断口呈现出明显的不规则形状，有较多的砾石暴露在断面上，且砾石之间的黏土被拉断成块状。此时，砾石已经形成了较为完整的骨架结构，土体的抗拉强度主要由砾石骨架承担。在拉伸荷载作用下，砾石之间的黏土被拉断，砾石之间的相互咬合作用被破坏，导致试样最终断裂。此外，还观察到一些砾石自身发生了破裂，这是因为在高掺砾量下，砾石承受的拉力较大，当超过砾石自身的强度时，砾石就会发生破裂。综上所述，不同掺砾量下黏土砾石层的破坏模式和破坏原因存在明显差异。随着掺砾量的增加，破坏模式从以黏土颗粒间的粘结破坏为主，逐渐转变为以砾石与黏土界面分离、砾石骨架破坏以及砾石自身破裂等多种破坏形式共同作用。这些破坏模式的变化与砾石含量的增加以及砾石在土体中所起作用的改变密切相关，深入了解这些破坏模式，对于进一步认识黏土砾石层的抗拉特性具有重要意义。四、安庆组黏土砾石层边坡冲蚀破坏机制4.1边坡冲蚀破坏实验方案4.1.1室内人工降雨冲蚀模型实验设计为深入研究安庆组黏土砾石层边坡的冲蚀破坏机制，精心设计并开展了室内人工降雨冲蚀模型实验。实验在一个特制的有机玻璃槽内进行，有机玻璃槽尺寸为长1.5m、宽0.8m、高1.0m，其透明的特性便于直接观察边坡冲蚀破坏过程。在构建边坡模型时，根据实际工程中常见的边坡坡度范围，将边坡坡度分别设置为1:1.5、1:2、1:2.5这3种工况。为保证实验结果的可靠性，每种坡度工况下均制作3个平行的边坡模型。首先，在有机玻璃槽底部铺设一层厚度为0.1m的粗砂，以模拟天然地基，粗砂粒径范围为2-5mm，其良好的透水性能够有效避免积水对边坡稳定性的影响。然后，将按照一定比例配制好的安庆组黏土砾石层试样分层填筑在粗砂之上，每层填筑厚度控制在0.1m，采用小型振动压实设备对每层进行压实，确保试样的干密度达到1.8g/cm³，接近现场黏土砾石层的实际干密度。填筑完成后，对边坡模型进行整形，使其坡度符合实验设计要求。在边坡表面铺设一层土工布，以防止降雨初期雨水对边坡表面的直接冲击，保护边坡表面结构，土工布的孔径为0.1-0.2mm，既能有效阻挡土颗粒的流失，又能保证雨水顺利下渗。人工降雨系统是实验的关键部分，采用喷头式降雨模拟装置。该装置由水箱、水泵、管道系统和喷头组成。水箱容积为2m³，能够满足长时间降雨实验的用水需求。水泵的扬程为20m，流量为5m³/h，可根据实验需求通过调节水泵的工作频率来控制降雨强度。管道系统采用PVC管，管径为50mm，确保水流能够稳定地输送到喷头。喷头选用旋转式喷头，其喷洒范围为半径1.0m，能够在实验区域内形成均匀的降雨。通过调节喷头的工作压力和喷洒角度，实现了3种不同降雨强度的模拟，分别为60mm/h、90mm/h、120mm/h，这3种降雨强度涵盖了安庆地区常见的暴雨强度范围。在降雨系统安装完成后，进行了多次调试和校准，确保降雨强度的准确性和均匀性。通过在实验区域内均匀布置多个雨量筒，对降雨强度进行实时监测和调整，使降雨强度的误差控制在±5%以内。4.1.2监测指标与方法在室内人工降雨冲蚀模型实验过程中，为全面、准确地掌握安庆组黏土砾石层边坡的冲蚀破坏过程和机制，确定了多个关键监测指标，并采用相应的先进监测方法。冲刷物质量是反映边坡冲蚀程度的重要指标之一。在边坡底部设置一个集流槽，集流槽的宽度为0.2m，深度为0.1m，采用不锈钢材质制作，具有良好的耐腐蚀性和密封性。集流槽与有机玻璃槽底部紧密连接，确保冲刷物能够全部流入集流槽中。在集流槽出口处设置一个电子天平，型号为[具体型号]，精度为0.01g。每隔5min，使用电子天平称量一次集流槽内冲刷物的质量，记录数据。为了准确分离冲刷物中的土颗粒和水，将收集到的冲刷物倒入一个带有滤网的容器中，滤网的孔径为0.075mm，能够有效分离出大于该粒径的土颗粒。将分离出的土颗粒放入烘箱中，在105℃的温度下烘干至恒重，然后再次使用电子天平称量土颗粒的质量，从而得到每次测量时冲刷物中固体颗粒的质量。通过对不同时间段冲刷物质量的监测和分析，能够清晰地了解边坡冲蚀量随时间的变化规律。坡面形态变化也是监测的重点内容。采用三维激光扫描仪对边坡坡面形态进行实时监测。三维激光扫描仪的型号为[具体型号]，其测量精度可达±2mm，扫描范围为半径5m。在实验开始前，使用三维激光扫描仪对初始边坡坡面进行扫描，获取初始坡面的三维点云数据。在降雨过程中，每隔30min对边坡坡面进行一次扫描，获取不同时刻的坡面三维点云数据。将每次扫描得到的点云数据与初始点云数据进行对比分析，利用专业的三维建模软件（如GeomagicStudio）计算出坡面不同位置的高程变化、表面积变化以及体积变化等参数。通过这些参数，可以直观地了解边坡坡面在降雨冲蚀作用下的变形情况，如坡面的侵蚀深度、沟壑的发育程度等。同时，利用软件绘制出坡面形态变化的三维可视化图像，更加清晰地展示边坡冲蚀破坏的过程。孔隙水压力的变化对边坡的稳定性有着重要影响。在边坡内部不同深度处埋设孔隙水压力传感器，传感器的型号为[具体型号]，量程为0-1MPa，精度为±0.005MPa。在边坡模型填筑过程中，按照设计要求，将孔隙水压力传感器埋设在距离坡面0.1m、0.3m、0.5m的深度处，每个深度处均匀布置3个传感器。传感器通过电缆与数据采集系统相连，数据采集系统能够实时采集并记录孔隙水压力的变化数据。在降雨开始前，记录初始孔隙水压力值。在降雨过程中，每隔1min采集一次孔隙水压力数据。通过对孔隙水压力数据的分析，了解降雨入渗过程中边坡内部孔隙水压力的分布规律和变化趋势，以及孔隙水压力对边坡稳定性的影响机制。此外，还对边坡表面的径流流速进行了监测。采用电磁流速仪测量边坡表面径流流速，电磁流速仪的型号为[具体型号]，测量范围为0-5m/s，精度为±0.05m/s。在边坡表面不同位置设置多个测量点，每个测量点处放置一个电磁流速仪。在降雨过程中，当坡面出现明显的径流时，开始使用电磁流速仪测量径流流速，每隔5min测量一次，记录数据。通过对径流流速的监测和分析，了解坡面径流的流动特性，以及径流流速与边坡冲蚀量之间的关系。4.2边坡冲蚀破坏过程与模式4.2.1冲蚀破坏的不同阶段特征在室内人工降雨冲蚀模型实验中，对安庆组黏土砾石层边坡的冲蚀破坏过程进行了细致观察，发现其冲蚀破坏过程可划分为以下几个明显阶段。降雨初期，当降雨开始后，雨滴以一定的速度和能量撞击边坡表面。由于雨滴的冲击作用，边坡表面的细小颗粒，如黏土颗粒和部分粉粒，开始松动并被溅起。此时，坡面开始出现少量的径流，这些径流主要以薄层水流的形式沿坡面缓慢流动。在这个阶段，坡面的侵蚀主要表现为雨滴溅蚀，溅蚀量相对较小，坡面形态基本保持完整，仅在局部位置出现微小的坑洼，这是由于雨滴的冲击使得个别颗粒脱离坡面所致。通过对坡面径流流速的监测发现，初始径流流速较低，一般在0.1-0.3m/s之间。随着降雨的持续进行，径流逐渐汇聚，流速开始逐渐增加。在坡面径流的携带作用下，被溅起的细小颗粒开始沿坡面缓慢向下移动，形成了轻微的面蚀现象。随着降雨时间的延长，坡面径流进一步汇聚，流量和流速不断增大。此时，坡面的侵蚀进入面蚀与沟蚀阶段。在坡面的低洼处和坡度较大的区域，径流的能量相对集中，对坡面土体的冲刷作用增强。面蚀范围逐渐扩大，坡面表层的细颗粒物质被大量冲走，坡面变得更加粗糙。同时，由于径流的集中冲刷，在坡面开始出现细小的冲沟。这些冲沟最初宽度和深度较小，一般宽度在1-3cm，深度在0.5-1cm之间。随着降雨的持续，冲沟不断发育，其宽度和深度逐渐增加。冲沟的形成使得坡面的水流进一步集中，加剧了对坡面土体的冲刷，形成了一种恶性循环。在这个阶段，冲刷物质量明显增加，通过对集流槽中冲刷物的称量和分析，发现冲刷物中固体颗粒的质量随着降雨时间的增加而迅速上升。坡面形态变化也较为明显，通过三维激光扫描仪对坡面形态的监测，发现坡面的平均侵蚀深度逐渐增大，沟壑密度逐渐增加。当降雨持续到一定时间后，边坡的冲蚀破坏进入深层破坏阶段。此时，冲沟已经发育得较为成熟，深度和宽度进一步扩大。在冲沟的底部和两侧，由于水流的长期冲刷和土体的抗剪强度降低，土体开始发生崩塌和滑落。这些崩塌和滑落的土体进一步堵塞冲沟，导致水流不畅，水位上升，从而引发更大规模的坡面破坏。在坡面的某些区域，由于土体的大量流失和结构的破坏，可能会出现浅层滑坡现象。浅层滑坡的滑动面一般位于坡面以下0.5-1.5m的深度范围内，滑动土体的厚度在0.3-1.0m之间。滑坡的发生使得坡面的稳定性急剧下降，大量的土体被搬运到坡脚，形成堆积物。此时，冲刷物质量达到最大值，坡面形态发生了巨大变化，出现了大量的塌陷、滑坡和沟壑，边坡的整体稳定性受到严重威胁。4.2.2不同砾石含量的破坏模式差异通过对不同砾石含量的安庆组黏土砾石层边坡进行室内人工降雨冲蚀模型实验，发现砾石含量对边坡的破坏模式有着显著影响，呈现出明显的差异。当砾石含量较低时（如砾石含量为10%-30%），边坡的破坏模式主要以坡面冲沟发育为主。在降雨初期，雨滴的冲击作用使得坡面的黏土颗粒和细粉粒松动，随着坡面径流的形成和发展，这些细颗粒物质被水流携带沿坡面流动。由于坡面的微小起伏和水流的不均匀分布，在坡面的低洼处和坡度较大的区域，水流能量集中，逐渐形成冲沟。冲沟的发育过程中，水流不断冲刷沟壁和沟底，使得冲沟的宽度和深度逐渐增加。在这个过程中，黏土颗粒的流失较为严重，因为黏土的抗冲刷能力相对较弱。随着冲沟的不断发展，相邻冲沟之间的土体逐渐变薄，最终可能导致土体崩塌，进一步扩大冲沟的规模。这种破坏模式下，边坡的破坏形态主要受黏土层的控制，砾石的骨架作用相对较弱。当砾石含量适中时（如砾石含量为50%左右），边坡的破坏模式表现为侵蚀穴-侵蚀坑-浅层滑塌的演变历程。降雨初期，雨滴的冲击在坡面形成一些微小的侵蚀穴，这些侵蚀穴成为坡面径流的汇聚点。随着径流的增加，侵蚀穴逐渐扩大形成侵蚀坑。在侵蚀坑的周围，由于水流的冲刷和土体结构的破坏，土体的抗剪强度降低。当降雨持续到一定程度时，在侵蚀坑的底部和周围，土体开始发生浅层滑塌。这是因为砾石含量的增加，使得土体的骨架结构逐渐形成，但还不够稳定。在水流的作用下，土体中的黏土颗粒被大量冲刷，导致砾石之间的连接减弱，从而引发浅层滑塌。这种破坏模式下，砾石骨架作用开始体现，但由于黏土颗粒的流失，边坡的稳定性仍然受到较大影响。当砾石含量较高时（如砾石含量为70%-90%），砾石骨架结构相对比较稳定。在降雨过程中，虽然黏土颗粒会被大量冲刷，但砾石之间相互咬合、支撑，形成了较为坚固的骨架。水流主要通过砾石之间的空隙流动，对边坡整体结构的破坏作用相对较小。此时，边坡的破坏主要表现为表面黏土的流失和局部砾石的松动。在坡面，可能会出现一些小的坑洼和凹槽，但整体上边坡的稳定性较好，不会发生大规模的滑塌和崩塌。这种破坏模式下，砾石骨架结构起到了关键的支撑和稳定作用，有效地抵抗了水流的冲刷和侵蚀。4.3冲蚀破坏的内在机制分析4.3.1基质含水率与湿润峰迁移的影响在降雨过程中，安庆组黏土砾石层边坡的基质含水率和湿润峰迁移深度发生了显著变化，这些变化对边坡冲蚀破坏产生了重要影响。通过在边坡内部不同位置埋设含水率传感器，实时监测降雨过程中基质含水率的变化。结果表明，降雨初期，边坡表层的基质含水率迅速增加。这是因为雨滴的冲击作用使得坡面形成径流，雨水快速渗入边坡表层。随着降雨时间的延长，含水率增加的区域逐渐向边坡内部扩展。在砾石含量较低的边坡中，由于黏土颗粒较多，孔隙较小，水分在土体中的渗透速度相对较慢。例如，当砾石含量为10%时，在降雨30min后，表层0-10cm深度范围内的基质含水率从初始的15%迅速增加到30%，而在10-20cm深度范围内，含水率仅增加到20%。这是因为黏土颗粒之间的微小孔隙对水分的渗透具有一定的阻碍作用，使得水分在向下渗透过程中逐渐消耗能量，渗透速度减缓。湿润峰迁移深度是反映降雨入渗深度的重要指标。通过在边坡内部不同深度处设置标记物，定期观察标记物被湿润的情况，确定湿润峰迁移深度。实验结果显示，随着降雨时间的增加，湿润峰迁移深度逐渐增大。在砾石含量较高的边坡中，由于砾石之间的孔隙较大，水分能够较快地在孔隙中流动，因此湿润峰迁移深度相对较大。当砾石含量为70%时，在降雨60min后，湿润峰迁移深度可达50cm。而在砾石含量较低的边坡中，湿润峰迁移深度相对较小。当砾石含量为10%时，在相同降雨时间下，湿润峰迁移深度仅为20cm。基质含水率和湿润峰迁移对边坡冲蚀破坏的影响机制主要体现在以下几个方面。首先，基质含水率的增加会导致土体的重度增大。根据公式\gamma=\rhog（其中\gamma为重度，\rho为密度，g为重力加速度），含水率增加使得土体密度增大，从而重度增大。土体重度的增大增加了边坡的下滑力，降低了边坡的稳定性。其次，含水率的增加会使土体的抗剪强度降低。根据有效应力原理，土体的抗剪强度\tau=c+(\sigma-u)\tan\varphi（其中\tau为抗剪强度，c为黏聚力，\sigma为总应力，u为孔隙水压力，\varphi为内摩擦角），含水率增加导致孔隙水压力增大，有效应力减小，进而抗剪强度降低。湿润峰的迁移使得边坡内部的土体逐渐饱和，进一步加剧了土体抗剪强度的降低。当土体抗剪强度降低到一定程度时，无法抵抗下滑力，边坡就会发生破坏。此外，湿润峰迁移过程中，可能会导致土体内部的结构发生变化。水分的渗入可能会使黏土颗粒之间的胶结作用减弱，砾石与黏土之间的界面粘结力降低，从而破坏土体的整体结构，增加边坡冲蚀破坏的风险。4.3.2胶结特性对破坏的作用结合X射线衍射分析结果，安庆组黏土砾石层的胶结特性在边坡冲蚀破坏过程中起着关键作用。X射线衍射分析表明，黏土砾石层中主要的胶结物为碳酸钙、铁锰氧化物以及黏土矿物。碳酸钙在一定程度上起到了胶结作用，它填充在砾石和黏土颗粒之间的孔隙中，增强了颗粒之间的连接。铁锰氧化物则通过化学作用与颗粒表面发生反应，形成一层坚硬的胶结膜，提高了土体的整体强度。黏土矿物自身的片状结构和表面电荷特性，使其能够与其他颗粒相互作用，形成复杂的胶结网络。在边坡冲蚀破坏过程中，当砾石含量较低时，黏土在土体中占据主导地位，此时胶结特性主要表现为黏土颗粒之间的胶结。黏土颗粒之间通过范德华力、静电引力以及化学键等相互作用形成胶结。在降雨初期，雨滴的冲击作用会破坏黏土颗粒之间的部分胶结，使得坡面的细颗粒物质开始松动。随着径流的形成和发展，这些松动的细颗粒物质被水流携带，导致坡面的侵蚀。由于黏土的抗冲刷能力相对较弱，在水流的长期冲刷下，黏土颗粒不断流失，使得土体结构逐渐松散，抗剪强度降低，从而引发坡面冲沟的发育。当砾石含量较高时，砾石之间相互咬合形成骨架结构，此时胶结特性不仅包括黏土颗粒之间的胶结，还包括砾石与黏土之间的界面胶结。砾石与黏土之间的界面胶结主要通过黏土矿物在砾石表面的吸附和填充来实现。在降雨过程中，虽然黏土颗粒会受到水流的冲刷而流失，但砾石之间的骨架结构在胶结物的作用下相对稳定。然而，如果水流的冲刷作用持续增强，超过了胶结物的强度，就会导致砾石与黏土之间的界面破坏，砾石之间的连接减弱，从而引发边坡的局部破坏。例如，当水流速度较大时，水流的冲击力会使砾石表面的黏土胶结物被冲蚀掉，砾石开始松动，进而导致边坡表面出现坑洼和凹槽。此外，胶结特性还会影响土体的渗透性。胶结良好的土体，其孔隙结构相对稳定，渗透性较低。在降雨过程中，低渗透性使得水分在土体中的渗透速度较慢，容易在坡面形成较大的径流，增加了坡面的冲刷力。而胶结较差的土体，孔隙结构不稳定，渗透性较高，水分能够较快地渗入土体内部，但也可能导致土体内部的结构更容易被破坏。因此，胶结特性通过影响土体的抗冲刷能力、抗剪强度以及渗透性等方面，对安庆组黏土砾石层边坡的冲蚀破坏过程产生重要作用。五、案例分析5.1实际工程案例选取本研究选取了皖江上游地区的安庆至九江高速铁路（简称安九高铁）项目作为实际工程案例。安九高铁是国家“八纵八横”高速铁路网的重要组成部分，线路全长约170公里，其中在皖江上游地区涉及安庆组黏土砾石层的路段长度达30余公里。在该项目建设过程中，安庆组黏土砾石层给工程带来了诸多挑战，其中边坡问题尤为突出。在安庆市怀宁县境内的一段路基工程中，由于该区域的黏土砾石层分布广泛，在进行路基填筑和边坡开挖时，出现了边坡稳定性问题。在施工过程中，随着边坡的开挖，坡面出现了局部坍塌现象。这是因为开挖过程改变了土体的初始应力状态，使得边坡土体的抗剪强度降低。同时，该区域黏土砾石层的颗粒级配不均匀，砾石含量较高，在开挖过程中，砾石之间的相互咬合作用被破坏，导致土体结构松散，容易发生坍塌。在后续的降雨过程中，坡面的冲蚀破坏问题也逐渐显现。雨水的冲刷使得坡面的细颗粒物质大量流失，坡面出现了明显的冲沟，冲沟的深度和宽度不断增加。这是由于黏土砾石层的胶结特性较差，在雨水的长期冲刷下，土体颗粒之间的连接被破坏，从而引发冲蚀破坏。这些边坡问题不仅影响了工程的施工进度，还增加了工程的建设成本和安全风险。为解决这些问题，工程团队采取了一系列措施，如放缓边坡坡度、设置挡土墙、进行坡面防护等。然而，这些措施的实施效果仍有待进一步评估，因此，对该工程案例的深入研究，对于了解安庆组黏土砾石层的工程特性和边坡冲蚀破坏机制具有重要的现实意义。5.2基于研究结果的案例分析根据前面章节的研究成果，结合安九高铁项目中安庆组黏土砾石层边坡的实际情况进行分析。在抗剪强度方面，研究发现砾石含量对黏土砾石层的抗剪强度有显著影响。安九高铁项目中出现坍塌的边坡，经检测其砾石含量较高，达到了60%左右。高砾石含量虽然在一定程度上增强了土体的骨架作用，但由于开挖过程破坏了砾石之间的咬合结构，使得土体的抗剪强度降低。当边坡土体受到自身重力、降雨等外力作用时，抗剪强度不足以抵抗下滑力，从而导致边坡坍塌。此外，含水率也是影响抗剪强度的重要因素。在该项目中，降雨频繁，边坡土体含水率大幅增加。根据研究结果，含水率的增加会使土体的抗剪强度降低，孔隙水压力增大，有效应力减小。在高含水率条件下，土体颗粒之间的摩擦力和黏聚力减弱，进一步降低了边坡的稳定性。从边坡冲蚀破坏机制来看，降雨入渗导致的基质含水率变化和湿润峰迁移对边坡稳定性影响显著。在安九高铁项目中，降雨时雨水迅速渗入边坡，使得边坡表层的基质含水率快速增加。由于该区域黏土砾石层的渗透性较差，水分在土体中渗透缓慢，湿润峰迁移深度有限。这导致边坡表层土体饱和，重度增大，抗剪强度降低，而深层土体的抗剪强度仍相对较高，从而在土体内部形成了明显的强度差异。这种强度差异使得边坡表层土体在雨水冲刷和自身重力作用下容易发生滑动和坍塌。此外，黏土砾石层的胶结特性也对边坡冲蚀破坏起到了关键作用。X射线衍射分析表明，该区域黏土砾石层中的胶结物主要为碳酸钙和黏土矿物。在雨水的长期冲刷下，碳酸钙等胶结物逐渐溶解，黏土矿物的胶结作用也受到削弱，使得土体颗粒之间的连接减弱，结构变得松散。这进一步加剧了边坡的冲蚀破坏，导致冲沟的发育和扩大。通过对安九高铁项目中安庆组黏土砾石层边坡问题的分析，验证了本研究中关于黏土砾石层强度特性和边坡冲蚀破坏机制的研究成果。这也表明，在工程建设中，充分考虑黏土砾石层的这些特性，采取针对性的工程措施，对于保障边坡的稳定性和工程的安全具有重要意义。5.3工程防治措施建议基于对安庆组黏土砾石层强度特性和边坡冲蚀破坏机制的研究以及安九高铁项目案例分析，为保障工程建设中涉及该地层的边坡稳定性，提出以下针对性的工程防治措施建议。在边坡设计阶段，应充分考虑黏土砾石层的强度特性。对于砾石含量较高的区域，虽然砾石能提供一定的骨架支撑，但由于开挖等施工活动容易破坏其结构，因此在设计边坡坡度时，应适当放缓坡度，以减小边坡的下滑力。根据研究结果，当砾石含量超过50%时，建议边坡坡度不大于1:2.5。同时，增加边坡的平台宽度，平台宽度不宜小于2m，平台的设置可以有效分散边坡的应力，减少雨水对坡面的冲刷，增强边坡的稳定性。对于高填方边坡，应进行严格的稳定性分析，采用合适的计算方法，如极限平衡法、有限元法等，考虑土体的抗剪强度、重度、孔隙水压力等因素，确保边坡在施工和运营过程中的稳定性。在计算过程中，应充分考虑黏土砾石层的强度参数，如黏聚力和内摩擦角，根据不同的砾石含量和含水率进行合理取值。坡面防护是防止边坡冲蚀破坏的重要措施。植被护坡是一种生态环保且经济有效的方法。选择适合安庆地区气候和土壤条件的植物，如狗牙根、高羊茅、紫穗槐等，这些植物根系发达，能够深入土体，增加土体的抗冲刷能力。在护坡施工前，应对坡面进行平整和改良，去除坡面的杂物和松散土层，施加适量的肥料和保水剂，为植物生长创造良好的条件。对于坡度较陡或冲刷较为严重的区域，可采用土工格栅与植被护坡相结合的方式。土工格栅具有较高的抗拉强度，能够与土体形成一个整体，增强土体的稳定性。将土工格栅铺设在坡面上，然后在格栅上进行植被种植，土工格栅可以有效地约束土体的变形，防止土体颗粒的流失，与植被根系共同作用，提高边坡的抗冲蚀能力。此外，还可以采用喷混植生技术，将土壤、种子、肥料、保水剂、粘合剂等混合材料通过喷射的方式覆盖在坡面上，形成一层具有一定强度和透水性的植被生长层，快速恢复植被，减少坡面的冲刷。排水系统的设计对于降低边坡土体的含水率、提高边坡稳定性至关重要。在边坡顶部设置截水沟，截水沟的尺寸应根据坡面汇水面积和降雨强度进行计算确定。一般来说，截水沟的深度不宜小于0.5m，宽度不宜小于0.4m，采用浆砌石或混凝土浇筑，确保截水沟的抗冲刷能力。截水沟的坡度应根据地形条件合理设置，一般不小于0.3%，以保证水流能够顺利排出。在边坡内部设置排水孔，排水孔的间距一般为2-3m，呈梅花形布置。排水孔的直径不宜小于50mm，长度应根据边坡的高度和土体的渗透性确定，一般应深入到稳定土层或基岩中。排水孔内填充透水性良好的材料，如碎石、粗砂等，确保孔隙水能够顺利排出。对于地下水水位较高的区域，可设置地下排水廊道，通过排水廊道将地下水集中引排，降低地下水位，减小孔隙水压力对边坡稳定性的影响。在工程施工过程中，应加强对边坡的监测。采用位移监测、孔隙水压力监测、雨量监测等多种监测手段，实时掌握边坡的变形和稳定性情况。位移监测可采用全站仪、GPS等设备，定期对边坡的表面位移进行测量，监测频率应根据施工进度和边坡的稳定性情况确定。在施工初期，监测频率可适当加密，如每天监测1-2次；随着施工的进行，边坡逐渐稳定，监测频率可适当降低，如每周监测1-2次。孔隙水压力监测采用孔隙水压力传感器，实时监测边坡内部孔隙水压力的变化。雨量监测采用雨量计，记录降雨强度和降雨量。根据监测数据，及时调整施工方案和防护措施。当监测到边坡位移超过预警值或孔隙水压力异常增大时，应暂停施工，采取相应的加固措施