干旱和半干旱气候环境下，由沙尘沉降形成的黄土沉积物具有独特的物理特性，如高孔隙度、松散颗粒堆积和低容重值等。这些特性使黄土对水极为敏感，易受水的改变或搬运，如黄土高原严重的水土流失、频繁发生的崩滑流地质灾害以及黄土湿陷性等。这些地质地表过程在不同时空尺度呈现出黄土对水的高度敏感性，其内在机制为水-土相互作用造成黄土微观结构的坍塌，进而受边界条件差异的影响，在宏观上展现出各种灾变行为。联系到黄土边坡（斜坡）渗流-结构的协同致滑机制，当水入渗到黄土和斜坡地质体后，首先快速改变地质体的水文环境，然后水-土相互作用改变了地质体的应力状态和强度，最后表现出侵蚀、崩、滑、流等地质灾害的发生。因此，准确揭示和预测黄土介质水-力轨迹对斜坡地质结构的渐进损伤效应及启动机制，是黄土高原地质灾害精细化预警的核心研究内容，也是当前固沟保塬工程中评估回填沟头地质安全急需解决的基础性问题，既具有重要的基础科学意义，也具有重要的实践指导意义。
针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所金钊研究员团队冯立博士，从固沟保塬回填沟头改变局部水文条件入手（图1）， 在考虑到两种相互关联的斜坡破坏机制，即：① 饱和黄土在单调增加荷载应力路径（ICU）下的静态液化机制和 ② 非饱和黄土增湿过程中在恒定荷载应力路径（CSU）下的流态破坏机制的基础上，分别针对原状黄土和机械压实黄土开展了上述两种应力路径下的三轴测试对比实验，揭示了两类黄土在变饱和状态下的水-力运动轨迹（图2），提出了非饱和土框架下黄土静态液化萌生的临界流态化准则，明确了饱和静态液化和非饱和临界流态化之间的联系与区别，扩展了静态液化在全吸力范围内的适用性，并从临界强度包线的存在性、吸应力值的近似相等性、孔隙配置的变异性以及修正后CSL的唯一性（图3）等四个方面验证了提出的临界流态化的有效性和物理正确性。
取得的创新认识是：静态液化行为是在原位应力状态下，当土体含水率增加到某一临界阈值（θFI）时启动的，并非是过去认为的当土体饱和时才启动，即在非饱和条件下，当土体含水率增加到某一临界阈值时已萌生静态液化行为（图4）；具体到黄土边坡（斜坡）地质环境，黄土静态液化行为的启动区可能位于斜坡内地下水位线以上几米范围不等的毛细带区域，而非地下水位控制的饱和带区域。该认识为早期识别黄土滑坡，并预测其破坏位置和发生时机、减轻地质灾害风险等提供了新的见解，可有效服务于固沟保塬工程回填沟头的地质安全评估和灾害预警。
上述研究成果于2021年7月发表在地球科学领域一区TOP期刊Engineering Geology。该研究得到国家重点研发项目（2018YFC1504701）、国家自然科学基金（41790444；41530640）以及中国科学院先导专项（B类）（XDB40000000）的联合资助。
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图1 研究地点分别为董志塬五畔沟固沟保塬回填沟头和甘肃黑方台党川滑坡群。
图2 原状NI和压实MC黄土在不同初始含水率下沿CSU应力路径的轴向应变（εa）随体积含水率（θ）的变化曲线（其中椭圆E、F表征临界流态区）。
图3 原状黄土和压实黄土临界流态化时的应力状态及其CSL的归一化。
图4 全吸力范围内黄土静态液化与非饱和临界流态化的力学原理示意图。
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