干湿循环下变坡比膨胀土边坡的土水特性及其对稳定性的影响

water content distribution characteristics of expansive soil of different ratio under wetting-drying cycles will be obtained via field tests and numerical analysis in order to get the effects of wetting-drying cycles on expansive soil. The change laws of expansive soil strength and deformation parameters under wetting-drying cycles will be gotten by modified triaxial apparatus to establish the coupling model of shear strength and deformation. An appropriate parameter as an instability criterion should be found and introduced into the existing slope stability analysis method to study the expansive soil slope stability under wetting-drying cycles. Finally the optimal design slope ratio of expansive soil slope under wetting-drying cycles is put forward. It can provide the theoretical and practical basis for slope engineering design and construction of expansive soil.

通过现场试验和数值分析，研究不同坡比条件下，膨胀土边坡受干湿循环作用的影响范围，获得边坡内部饱和度的分布特征，确定不同坡比条件下的干湿循环影响程度。利用改进的三轴仪，进行膨胀土的强度和变形试验，获得膨胀土干湿循环过程中强度和变形参数的变化规律，建立膨胀土的强度-变形耦合模型；寻找合适参数作为膨胀土边坡失稳判据并改进现有边坡稳定分析方法，研究干湿循环作用下膨胀土边坡的稳定性，最终提出考虑干湿循环条件下膨胀土边坡的最优设计坡比。解决上述问题可进一步为膨胀土边坡工程的设计和施工提供理论和实践基础。

1. 项目背景.膨胀土是一种具有强烈胀缩性、超固结性和多裂隙性的高塑性粘土，膨胀土地区的边坡工程遭受长期严重破坏，造成巨大经济损失。深入开展膨胀土基本性质及其对工程的影响十分必要。.2. 主要研究内容.（1）基于弹脆性力学理论，结合静力平衡条件和饱和土抗剪强度理论，建立了脱湿条件下膨胀土初始裂隙模型。.（2）采用远距离光学显微镜观测系统观测了干湿循环下膨胀土的裂隙演化全过程。.（3）开展了掺砾混合膨胀土料的三轴渗透试验。.（4）开展了考虑裂隙和膨胀土软化共同影响下的膨胀土边坡稳定性分析。.（5）开展了干湿循环下膨胀土边坡含水率变化特征及稳定分析的数值模拟。.（6）开展了超固结膨胀土抗剪强度特性试验与边坡失稳判据研究。.（7）开展了干湿循环下膨胀土基质吸力测定及抗剪强度试验研究。.（8）开展了滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律试验研究。.（9）开展了表面张力与接触角对膨胀土干缩开裂影响的试验研究。.3. 重要结果及关键数据.（1）土体弹性模量、收缩系数，最大湿变量和湿变分布系数越大，初始裂隙深度、裂隙间距和裂隙宽度越大；凝聚力越大，初始裂隙间距和裂隙宽度越小。.（2）随着含水率的降低，裂隙表面图像灰度熵逐渐增大，电导率逐渐减小；含水率对电导率的贡献逐渐降低，裂隙对电导率的贡献逐渐增大。.（3）围压越大，土体渗透系数越小，呈负指数关系；当围压增大到一定时，渗透系数基本不变。.（4）可采用FLAC3D中的双线性应变硬化/软化遍布节理模型来分析裂隙膨胀土边坡的稳定性。裂隙面会显著降低边坡的稳定性。随着裂隙面与水平正向夹角的减小，安全系数呈现出“增-减-增-减-增”的波形关系。.（5）随着干湿循环次数的增加，其大气影响深度均不断下降，最大影响深度可达3m；边坡的安全系数呈下降趋势。.（6）提出了采用广义塑性剪应变与稳定系数相结合的方式来判断膨胀土边坡的稳定性。.（7）干湿循环会降低膨胀土的不排水抗剪强度，总应力抗剪强度指标与基质吸力的对数近似为线性关系。.（8）随着干湿循环次数的增加，膨胀土的持水性能迅速降低，水分变化速率有所降低，残余含水率有所增加。.（9）土体孔隙中液体的表面张力和接触角对膨胀土收缩开裂有重要影响。.4. 科学意义.通过研究，我们进一步认识了膨胀土基本性质及其对工程的影响，具有较好理论价值和工程意义，为今后深入研究和解决膨胀土问题提供参考。