考虑降雨及裂隙影响的非饱和膨胀土边坡稳定性分析

The water distribute condition of a unsaturated expansive soil slope has strong efects on the mechanic and hydraulic characteristic of the soil. The rainfall history is a key problem to the stability of an unsaturated expansive soil slope. The development state of the cracks have important effects on the permeability of the expansive soil slope. By coupling the hydraulic hysteresis model and the shear strength model, the appliant would develop a general constitutive model which is able to modify the hydraulic and mechanic character of unsaturated expansive soils. The changing processes of those parameters such as water content, matric suction, shear strength, plastic volume strain would be tracked. A program that can be used to describe the developmental process of the cracks would be developed. Then a analysis on stability of the unsaturated expansive slope that considering the effects of cracks and rainfall history would be developed. Laboratory soil test would be carried out to analyze and check the stability analysis that proposed by the applicant. This study is ready to propose a reliable anylysis method for the unsaturated expansive soil slope unstability that caused by rainfall.

非饱和膨胀土边坡土水状态对土体的力学、水力学特性起着至关重要的作用。前期降雨历史是影响非饱和土边坡稳定性的关键因素。裂隙的发育情况对膨胀土边坡的渗透性有着重要的影响。本研究旨在揭示降雨诱发滑坡问题的孕育演化机理的基础上，利用非饱和膨胀土的动态循环土水特征关系来描述毛细滞回效应,将动态循环土水特征关系与非饱和膨胀土强度公式结合，建立能反映任意干-湿循环历史影响下的非饱和土强度理论；在此基础上，建立能模拟、追踪在降雨入渗激励下非饱和土瞬态含水量、基质吸力、抗剪强度、塑性体积变化等参数动态变化过程的理论和数值模型，开发可以描述膨胀土裂隙产生发育的裂隙自生成程序，提出能够考虑前期降雨历史影响的非饱和土膨胀边坡稳定性分析方法，并开展室内试验对所建立的理论模型和分析方法进行验证。本研究希望为降雨诱发膨胀土边坡稳定性问题的预警预报和防治提供可靠的分析方法。

膨胀土是一种主要由蒙脱石和伊利石等组成的高塑性黏土。膨胀土的干湿循环与裂隙的发育情况是对应的，裂隙会随着含水量的变化而产生张开和闭合，由此也对膨胀土的强度特性和变形性能产生影响。对干湿循环下膨胀土裂隙、强度和变形特性的研究具有非常实际的意义。以南水北调南阳段膨胀土为研究对象，针对其裂隙、强度和变形特性，开展了一系列试验。主要内容与成果如下：.利用滤纸法，分别测得膨胀土土水特征曲线、总吸力曲线以及二阶扫描线。介绍了毛细滞回内变量模型，通过与试验数据对比，验证了该模型对于膨胀土的适用性。结果表明：土水特征曲线和总吸力曲线变化规律基本相同，具有明显滞回现象；含水量任意变化下的曲线不与完整脱、吸湿曲线重合，在二者组成的环形范围内变化；毛细滞回内变量模型适用于膨胀土，利用该模型，可以计算任意循环路径下的基质吸力。.针对南阳膨胀土在干湿循环作用下的裂隙变化规律进行了室内观测试验，利用计算机软件matlab对结果进行分析，得出了裂隙率和分形维度随含水率的变化规律，并与土水特征曲线相结合，研究了裂隙发育与基质吸力的关系。结果分析表明：分形维数变化规律与裂隙率相似，可以很好的表征裂隙发育情况；干湿循环对裂隙发育具有很大影响，裂隙随着干湿循环次数的增多而不断发育，但到一定程度后就会停止；不同循环方式对裂隙发育有很大的影响；基质吸力与裂隙发育具有很好的相关性。.针对膨胀土在干湿循环作用下的强度变化规律进行了研究，并与裂隙发育情况相结合，分析了裂隙发育、循环方式对强度的影响。结果表明：干湿循环作用对膨胀土强度变化具有很大影响，随循环次数的增多，抗剪强度指标均总体上呈现出不断下降趋势；裂隙发育与粘聚力c有着很好的线性关系，而与内摩擦角虽然无法用数学表达式表示，但总体上也是随着裂隙发育而降低的；不同循环方式对抗剪强度有很大的影响，干湿循环对土体的影响与循环过程参数（如循环路径、幅度、次数等）密切相关。.通过测量干湿循环过程中试样高度和直径变化，对膨胀土在干湿循环作用下的变形规律进行了研究。结果表明，干湿循环对膨胀土变形指标具有很大的影响，干湿循环对直径影响较小，对高度的影响较大，这种影响具有不可逆性；随试样直径不断减小，裂隙发育指标均呈现出先增大，后减小的趋势；膨胀土体变形也受含水率变化范围的影响，变化范围越小，对土体的破坏程度越低，各项变形指标变化越小。