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黄土崩解会加剧边坡侵蚀，引发剥落、滑坡和泥流等灾害。铁路沿线列车的长期振动会改变黄土的微结构，影响其崩解特性。然而，鲜少有研究关注到列车长期振动对原状黄土崩解的影响。本研究对受到不同频率长时间振动的黄土进行了崩解试验，分析其崩解行为的差异。利用扫描电镜（SEM）和土-水特性曲线（SWCC）测试，表征振动前后黄土微结构的变化，以揭示列车振动对黄土崩解特性的影响机制。结果表明，列车振动加速黄土崩解过程，提高崩解效率和崩解后土的分散程度。总体上，在 0-25 Hz 范围内，振动频率越高，对崩解的促进效应越明显。基于生长模型定量区分崩解演进的三个阶段，分析了振动频率对每个阶段崩解加速的影响程度。列车振动缩短崩解前两个阶段的持续时间，显著增加崩解量，从而提高总崩解率。列车振动促进黄土崩解归因于振动后孔隙差增大导致的吸力不平衡，以及颗粒磨损和弱胶结集粒松动造成的颗粒咬合力和胶结力降低。这些因素共同加速崩解力和抗崩解力的失衡。研究结果为了解长期受列车振动影响的黄土边坡的潜在危害提供了有益启示。图1 崩解诱发的黄土灾害：（a）裂缝扩张、洞穴形成、坡脚剥落； (b) 黄土洞穴连通和扩大；（c）隐伏洞穴掏蚀路基边坡，破坏排水设施；陷穴导致地下管线裸露； (d) 铁路沿线边坡失稳
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图2 试验装置：（a）电磁振动台； (b) 崩解仪
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图3不同频率振动后黄土的崩解情况：(a) 黄土浸泡12 s时气泡溢出； (b) 黄土崩解现象及形态
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图 4 不同频率振动后黄土的崩解拟合曲线
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图 5. 黄土崩解时程与振动频率的关系
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图 6. 黄土的瞬时崩解速度
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图 7.不同频率振动后黄土的崩解效率：（a）崩解率；（b）平均崩解速度
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图8不同频率振动后黄土的SEM图像
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图 9 振动后黄土孔隙的变化：(a) 孔隙数量；(b)孔径；(c) 面积孔隙率；(d)微结构特征参数
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图 10. SEM 二值化图像（白色为孔隙，黑色为黄土颗粒）：（a）未振动的黄土； (b) 20 Hz 振动后的黄土
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图 11. SEM 图像中的感兴趣点和 EDS 分析的元素：(a) 未振动的黄土 (b) 20 Hz 振动后的黄土
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图12 土颗粒间的作用力和土壤崩解的微观过程
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图13 列车振动影响下黄土崩解微观演化示意图：(a)未振动的黄土； (b) 振动后的黄土
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图 14. 颗粒和孔隙变化对崩解率的影响：(a) 颗粒的形态分形维数 (Ks)； (b) 粒度分形维数（Ds）； (c) 大孔直径； (d)平均孔径；(e) 大孔面积； (f) 面积孔隙率； (g) 孔隙伸长度（PE）； (h) 孔隙度分形维数（Dg）
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图 15 崩解残留黄土的 SEM 图像：(a) 未振动的黄土 (b) 振动后的黄土
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图 16 振动前后黄土的 XRD 图谱
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图 17 列车振动前后黄土的土-水特征曲线
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图 18 相同崩解阶段未振动黄土和振动后黄土的吸力
总结
列车振动缩短黄土崩解的时程，提高崩解效率。根据生长模型，将崩解过程定量划分为缓慢（SI）、快速（SII）和稳定（SIII）阶段。振动后黄土崩解的SI和SII阶段持续时间比未振动的黄土分别缩短约55.7 %和28.0 %，崩解速度峰值更早出现。然而，累计崩解量分别增加了1.2倍和2.6倍，使得最终崩解率超过未振动样品的1.7倍，平均崩解速度约为未振动样品的2.4倍。崩解现象与数据分析的吻合较好。未振动的黄土以小块体和片状形态缓慢崩解，而在相同时刻振动后的黄土崩解得更剧烈，崩解碎片更细小分散。列车振动对崩解的促进效应受其频率控制。黄土在20 Hz振动后崩解最明显，崩解效率最高。这是因为在接近黄土固有频率附近的振动对土体微结构产生最明显的扰动。SEM中显示的20Hz振动后黄土中的黏粒剥落最多和超大连通孔出现印证了这一点。否则在0~25 Hz范围内，振动频率越高，振动对黄土崩解的促进作用越强。列车振动通过预先破坏微结构来促进黄土崩解，加剧吸力不平衡，加速黄土在浸泡过程中的胶结物流失。这最终造成崩解力和抗崩解力失衡。具体来说，振动后 Dg 增加和 PE减少表明超大孔隙形成和孔隙差异增大。这会增大空气斥力和渗透斥力的作用，加剧粒间扩散层增厚速度的差异，以及孔隙空气斥力超过粒间吸力的情况不平衡，从而增大崩解力。此外，Ks 的减小表明，振动使粘粒从骨架颗粒上剥离，并使弱胶结集粒松散，降低颗粒咬合力和胶结力，即减小抗崩解力。黄土受长期列车振动扰动后崩解劣化的这种特性不仅危害工程建设，还可能引发致命性地质灾害。研究结果不仅有利于深入理解振动扰动情况下土水互馈过程中黄土体从变形到破碎、分散状态演变的历程，来推动对洞穴、潜蚀、滑坡、泥流等黄土水致灾害及其链生效应的研究，而且为黄土高原继发性水致灾害和微小隐患预防措施制定、公路铁路的选址设计优化提供有价值的启示。DOI： https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107559
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