西北大学地质学系

我系王家鼎教授申报的国家基金委重点基金项目“黄土滑坡的人工振动促渗促滑机理研究”获得批准立项

 

我系博士生导师王家鼎教授2016年申请的国家自然科学基金委重点项目“黄土滑坡的人工振动促渗促滑机理研究”,在网评专家评审、现场答辩、专家组严格评审中胜出,获得批准立项。

随着国家“一带一路”战略的提出和西部开发的不断深入,黄土高原高速铁路、山城和二级机场等大规模的基础建设取得了长足的发展,大大地推动了地方经济建设的可持续发展,特别是近年来黄土高原高速铁路的建设和运营,大大缓解了西部交通压力,如郑-西高铁、大-西高铁、宝-兰高铁等;山城和二级机场的移山填沟措施,加快了城市与机场建设步伐,如延安新城、兰州新城等及吕梁机场、天水机场、延安新机场等。然而,在铁路运营、机场和新城建设的过程中,由于人工动力(类型较多,本申请仅选择列车振动和强夯振动)作用一方面使疏松的黄土斜坡体振松振裂,另一方面振动又能加速水在黄土孔隙中的入渗(振动促渗效应),这两方面的原因共同作用就会导致黄土滑坡产生(振动促渗促滑效应)。这种情况在黄土地区发生频繁,危害严重,极大地阻碍了铁路、城市和机场建设等事业的快速发展。试设想高速铁路对沉降和边坡要求极其严格,一旦滑坡发生,铁轨变形,其后果可想而知。机场跑道一旦开裂滑移,飞机起降,将会祸从天降……

纵观黄土高原山区的黄土滑坡,由于其诱发因素不同,所形成的机理也各异。对地震、暴雨、灌溉等因素诱发的黄土滑坡机理,国内外学者已做了深入的研究工作,取得了一批很有价值的研究成果。然而,由于黄土(特别是Q4黄土和Q3黄土)结构疏松、具大孔隙性,力学强度差,在黄土地区铁路沿线、山城移山填沟周围等黄土斜坡体由于人工动力的振松振裂效应出现了不少的开裂、扩张和错落裂缝群。加之黄土高原降雨多集中在夏季,7、8月份降雨量占全年的40~60%,往往集中在几天之内降完。这种振松振裂的黄土斜坡体又在雨水和振动下促渗促滑,进而演变成滑坡,如陇海铁路沿线发生过不少黄土边坡因列车的长持时振动开裂进而在降雨促渗促滑下发生黄土滑坡(如海石湾黄土滑坡);吕梁机场的建设中,由于飞机跑道地基加固和延安新城消山填沟都采用强夯引起周围很多高陡黄土斜坡失稳开裂进而在暴雨的影响下加速滑动等(有的为老滑坡复活,有的为斜坡振裂产生新滑坡),造成巨大损失。为此,这一系列建设和运营项目就不得不重新治理滑坡,大大地超出了原有投资预算。究其原因,发现这些类型的滑坡都存在一个共性:那就是与人工振动源(列车振动和强夯振动)和水有关,也就是斜坡黄土受这些类型特殊振动荷载影响而产生累计变形,发生“促酥促裂”效应,产生一系列裂缝,后期降雨沿这种裂缝灌入,加速裂缝的向纵深方向延伸并不断扩大。由于列车振动的长期性和强夯振动的多期性和波及性,又会加速滞留于黄土孔隙和裂缝中的水再次加速入渗和运移(振动促渗效应),其结果又使裂缝进一步发展,这种情况循环往复,一旦超过黄土破坏临界值便会产生滑坡(促滑效应)。由土动力学理论和实验可知,大振幅、短持时的动荷载组合与小振幅、长持时动荷载组合所产生的效果是一致的。加之黄土具有大孔隙性,疏松,节理、裂隙发育,在振动荷载长期累计作用下易失稳变形进而在水加速入渗作用下推波助澜,以致滑坡爆发。

项目负责人王家鼎教授自上世纪90年代以来一直致力于地震型黄土滑坡、灌溉和暴雨引起黄土滑坡机理研究,提出过多种机理,被国内外学者广泛引用,获得一系列省部级科技进步奖。该项基金重点项目申请所涉及的黄土滑坡来源于实践中的人工动力和水的促发效应,属于新的黄土滑坡类型,是30多年来黄土滑坡研究的深化和继续,急需探索。如果在黄土地区高铁沿线、移山填沟现场埋设动力传感器,接收各种振动的波谱曲线,经处理后再将各种振动的特殊荷载与水入渗荷载共同施加于物理模型试验和动三轴来研究黄土坡体的振松振裂扩展效应、振动促渗效应以及滑带土力学变异效应(促滑效应),并将其输入动力数值模型计算模拟黄土滑坡累计变形、破坏、滑动的全过程;分别探讨不同速度的高速列车振动、不同吨位不同距离的单夯和群夯叠加振动等与水联合作用对黄土滑坡的影响;在此基础上,按照土动力学、塑性力学和变分等原理定性定量分析这些类型滑坡的形成机理和运动机理,如滑面的形成和演化、滑坡破坏模式、滑坡的发育过程和阶段符合什么力学原理,动荷载、水加速入渗与滑带土变形破坏临界值有什么关系;推导出滑坡滑动轨迹、滑速和滑距等运动特征公式;最后用实例加以验证,这将对这些类型滑坡的机理有一全新的认识,并为其防治提供新的理论依据。这种从重大工程实践中发现新问题进而进行原创性的理论研究不仅为黄土滑坡灾害开辟了一个新的研究方向,保持我国黄土灾害研究的国际领先地位,而且对加快黄土地区高速铁路、新城、机场建设,推动地方经济的可持续发展具有十分深远的意义,并具有广泛的应用推广价值。

该项目由王家鼎教授负责,由13位不同学科的研究人员组成研究团队,是一支多年长期研究形成的研究团队,主要是以长期研究黄土灾害、黄土力学、水文地质和黄土第四纪性质等方向的中青年为主的研究人员,了解与掌握此方面的国际研究前沿,并熟悉黄土滑坡的特殊症结。有扎实的理论基础、丰富的实践经验和活跃的学术思想。研究团队有合理的学术研究梯队和结构,并有多学科配套和多年合作的经历和团结协作、配合默契完成本项目的基本素质和条件。研究项目经费360万元,研究时间为5年(2017年1月-2021年12月)。

该项目的实施,对我系学科建设、人才培养、学术交流等将产生积极的影响。

 

 


 

 

 

 

 


 


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