干湿循环条件下膨胀土裂隙发展及其对土体强度影响的定量规律

膨胀土具有胀缩性，即遇水膨胀，失水收缩。自然条件下受降雨蒸发作用或地下水位反复变动时，膨胀土将经历反复干湿过程，土体中裂隙随之逐渐发展；降雨时，裂隙成为膨胀土的主要入渗通道，土体强度也随裂隙发展而衰减。实例研究表明，裂隙发展是导致膨胀土边坡失稳的重要原因。然而描述土体中的裂隙发展情况，以及土体的强度随裂隙发展而变化的规律，尚未见定量化的研究成果。本项目拟在室内和现场对膨胀土进行干湿循环试验，同时考虑应力历史、应力状态等因素的影响，采用多种定量观测方法，动态定量监测裂隙发展情况，建立干湿循环条件下膨胀土裂隙发展的定量模型；利用室内和现场剪切试验，揭示土体强度随裂隙发展变化的定量规律。从试验入手、定量地研究反复干湿条件下膨胀土中裂隙发展及其影响的相关规律，是本项目的特色和创新之处。解决上述问题可将膨胀土边坡稳定分析水平向前推进，也有助于非饱和土理论有新的发展。

本项目对干湿循环作用下膨胀土裂隙开展规律及其对土体强度的影响规律等进行了深入研究，按计划全面完成了课题研究内容，共发表期刊论文11篇（SCI、EI检索5篇）、会议论文3篇，获批专利3项（其中发明专利1项）。通过研究，发现了裂隙各向异性的特点，并获批连续基金项目“基于渗透性的膨胀土裂隙各向异性研究”。.主要取得以下成果：.1）裂隙探测与定量描述.对比进行了拍照法、电阻率法、灌油漆法、CT仪法等用于裂隙分布和发展规律的探测试验。完善了观测裂隙的拍照法，讨论了拍摄距离、光照强度、图像分辨率等对灰度熵的影响，进一步确认了图像灰度熵作为裂隙发展程度度量指标的合理性；提出基于电阻率探测裂隙深度的方法和装置；研究提出了空间裂隙分布的定量化表述方法，讨论了定量处理时所遇到的裂隙图像边界确定、图像尺寸大小及亮度差异等引起的误差消除方法，编制了相应的程序。提出并初步尝试利用渗气试验来定量评价裂隙发展程度。.2）裂隙开展机理.提出“变湿应力”概念，建立了考虑变湿作用的膨胀土初始开裂模型，给出了模型参数的确定方法，论证了地表蒸发条件下膨胀土中裂隙形成机理。创新性地提出产生干缩裂隙的关键是“土体不同深度处失水速率不同引起的不均匀收缩变形达到限值”。.推导了简单边界条件地表蒸发时膨胀土初始开裂深度的解析解，提出膨胀土初始开裂判别指标—临界变湿Δwini，推导出简单边界条件下土中裂隙分布最大间距和最大宽度的解析解，并进行了试验和数值模拟验证。.3）裂隙对膨胀土强度影响规律.对经历干湿循环的膨胀土试样进行了室内和现场强度试验，研究了裂隙对膨胀土强度的影响规律。结果表明：随土体饱和度降低，裂隙图像灰度熵单调增加，而土体抗剪强度先增大后降低；在高吸力条件下，土体峰值抗剪强度随基质吸力呈非线性变化。提出了裂隙膨胀土强度随吸力变化的分段线性函数经验关系式。.4）卸载条件下膨胀土强度与劲度特征.开发了VJ非饱和土三轴仪的4D应力路径控制试验模块，对卸载条件下饱和非饱和土体强度与劲度与加载条件下的差异进行了对比研究。结果表明：两种卸载条件下饱和土的抗剪强度略大于加载条件下的抗剪强度，卸载伸长试验测得的土体强度明显小于卸载压缩试验的结果；不同加载和卸载条件下，土体的应力应变曲线、超静孔隙水压力和切线剪切模量也有明显差别。卸载应力路径下非饱和抗剪强度比加载条件下的高，并且加载和卸载应力路径下的破坏特征不同。