Effect of crack depth on the initiation and propagation of crack-induced sliding in a paleosol area on a loess slope: Three-dimensional investigation based on model testing and laser scanning
题目：黄土边坡古土壤区开裂深度对裂纹诱导的坡面滑塌启动和演化规律影响
期刊：Engineering Geology
作者：Yanbo Zhu，Yuxuan Zhang，Hengxing Lan, Jianbing Peng, Huitao Zheng, Dan Zhao, Yanmeng Yin
主要创新点：
1.量化了古土壤开裂程度与坡面滑塌规模的时空演化规律
2.发现了古土壤开裂诱导坡面渐进滑塌启动的临界深度
3.揭示了古土壤干缩开裂扩展和增湿渐进滑塌互馈加速坡面滑塌演进的机制
4.建立了古土壤开裂深度依赖的坡面滑塌规模预测公式
01摘要
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在我国黄土高原地区，黄土边坡古土壤开裂诱导的渐进滑塌是影响坡面长期稳定性的不利因素，而量化古土壤开裂深度与坡面滑塌程度的互馈关系是揭示古土壤开裂诱导坡面渐进滑塌机制的关键，相关研究未见。为此基于野外调查观测，开展干湿循环下古土壤边坡干缩开裂-渐进滑塌的模型试验研究，采用三维激光扫描技术精准量化古土壤开裂深度和坡面滑塌程度，利用水文传感器系统监测坡面开裂诱导的优势渗流变化。结果表明，古土壤开裂程度通过诱导优势渗流强弱进而控制了滑塌启动和演化规模的时空规律。干湿循环后，古土壤坡面开裂深度达到临界阈值后，通过诱导明显优势渗流并形成局部饱和带从而触发浅层滑塌启动。滑塌启动后，古土壤干缩开裂扩展和坡面增湿滑塌演进的互馈作用，通过影响优势渗流强弱和陡坡下滑力变化，联合加速了滑塌规模扩大和滑塌区域分布变化。基于此，建立了考虑开裂深度依赖的古土壤坡面滑塌规模预测公式。研究成果强调了古土壤开裂程度在坡面渐进滑塌启动与演进中的关键控制作用，为黄土边坡坡面稳定性和水土保持措施研究提供有意义参考。
02图表
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图1. 黄土边坡古土壤开裂诱导坡面渐进滑塌. (a)治沟造地工程形成大量黄土边坡; (b) 黄土边坡古土壤条带分布广泛(2018); (c)古土壤开裂诱发黄土边坡坡面滑塌(2022)
图2.试验设备和方法. (a)试验设备; (b)模型制作; (c)数据采集; (d)数据处理
图3. 干湿循环下古土壤边坡坡面破坏特征. (a) 破坏特征照片；(b) 破坏特征3D云图
图4. 古土壤坡面干缩开裂-渐进滑塌三维特征模型. (a)第1次循环；(b) 第2次循环；(c) 第3次循环；(d) 第4次循环；(e) 第5次循环.
图5. 古土壤坡面干缩开裂-渐进滑塌特征云图. (a)第1次循环；(b) 第2次循环；(c) 第3次循环；(d) 第4次循环；(e) 第5次循环.
图6. 古土壤坡面干缩开裂-渐进滑塌特征的剖面形态变化.(a)第1次循环；(b) 第2次循环；(c) 第3次循环；(d) 第4次循环；(e) 第5次循环.
图7. 古土壤开裂诱导滑塌深度随循环次数变化（单次滑动区）.(a)开裂深度随循环次数变化； (b)滑塌深度随循环次数变化.
图8. 古土壤开裂诱导滑塌深度随循环次数变化（多次滑动区）.(a)开裂深度随循环次数变化； (b)滑塌深度随循环次数变化.
图9. 古土壤坡面不同区域开裂深度与滑塌深度的相关性. (a) 未滑塌区域；(b)滑塌区域(I)；(c) 滑塌区域(II).
图11. 滑塌区域(II)坡面滑塌深度随开裂深度变化.（a）45°坡区；（b）55.83°坡区；（c）62.54°坡区；（d）58.42°坡区.
图13. 坡面坡度对滑塌深度和开裂深度函数关系影响.（a）滑塌深度与开裂深度呈对数函数关系；（b）参数c随坡度呈现增大趋势
图 14.古土壤开裂诱导坡面优势渗流变化. (a) 坡体含水率随循环次数变化；(b)坡体含水率响应时间随循环次数变化；(c) 坡体含水率上升速率随循环次数变化.
图15.古土壤干缩开裂诱导坡面渐进滑塌机制.(a)第1次循环；(b) 第2次循环；(c) 第3次循环；(d) 第4次循环；(e) 第5次循环.
图16. 古土壤干缩开裂诱导坡面滑塌的渐进式过程. (a)降雨浸润黄土产生侵蚀；(b)干湿循环干燥古土壤产生开裂；(c)古土壤干缩开裂诱导坡面滑塌；(d)古土壤坡面滑塌的渐进式演进.
03结论
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基于古土壤边坡干缩开裂-渐进滑塌的大尺度模型试验，量化了古土壤开裂程度与坡面滑塌启动和演化规模的时空关系，建立了开裂深度依赖的古土壤坡面滑塌规模预测公式，揭示了古土壤干缩开裂驱动坡面渐进滑塌的诱导机制，结论如下：
（1）古土壤开裂程度控制着坡面滑塌启动和演化的时空规律。古土壤开裂诱导坡面滑塌启动存在临界深度，当开裂深度达到4-5mm时，开裂诱导滑塌启动；滑塌启动后，古土壤干缩开裂扩展和坡面增湿滑塌演进的互馈作用，显著加速了滑塌的规模扩大和区域分布变化。在经历一次滑塌区域，古土壤开裂的持续扩展主控了坡面滑塌规模演化；而在多次滑塌区，陡坡滑动力的持续增大和坡面轻微开裂共同主控了滑塌规模扩大和滑塌区域分布变化。
（2）建立了一个开裂深度依赖的古土壤坡面滑塌规模预测公式，可估算古土壤坡面渐进滑塌全过程的滑塌深度。在滑塌启动阶段，由于古土壤开裂对坡面滑塌的单一诱导作用，滑塌深度仅为开裂深度依赖的变量；在滑塌演化阶段，由于裂纹扩展和渐进滑塌的互馈作用加速了滑塌演进，滑塌深度为一个开裂深度、循环次数和坡度变化多因素依赖的变量。
（3）古土壤干缩开裂程度通过诱导优势渗流强弱，进而控制了坡面滑塌启动和演化的时空规律。一旦开裂深度超过特定阈值，裂纹诱导的优势渗流形成坡面浅层饱和区，进而触发滑塌启动；滑塌启动后，古土壤开裂程度持续的扩展通过诱导优势渗流能力的增强、滑塌不断的演进通过增大陡坡的下滑力共同加速了坡面滑塌的演进速度和规模。
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