非饱和膨胀土的裂隙性及跨尺度扰动状态本构模型研究

Fissure is the important structural characteristic of expansive soil. The disturbed state of pore or crack has significant impact on the deformation, strength and permeability of expansive soil. It is one of the current research topics to study the disturbed state theory of soils. . The soils used in the tests is the expansive soil that be collected from Nanyang and Handan regions. The mechanical properties and the evolution law of local disturbed field of the expansive soil samples are investigated by means of CT-triaxial tests, cyclic wetting-drying tests, dehumidifying-humidifying tests and imaging technique under the situations of different loading and humidity changing path. The characterization of the disturbed state variables and the measurement methods of the variables under different disturbed states could be determined. The multi-scale disturbed state constitutive model of unsaturated expansive soil will be built up based on the multi-scale coupling formulation theory and the two-scale asymptotic analysis method. The mechanism of the pore-fracture disturbance influence on the mechanical properties of expansive soil could be calarified by the research. The results of the project could be as the scientific basis for studying on the strength theory and the constitutive model of expansive soil. It would bring light to the research of instability mechanism of expansive soil slope and the prevention methods and the treatments of expansive soil landslide.

裂隙性是膨胀土的重要结构特征，孔隙/裂隙扰动是影响膨胀土强度、变形和渗透性的重要因素，岩土扰动状态理论是当前岩土力学研究的前沿课题之一。. 本项目以南阳和邯郸的膨胀土为研究对象，通过与CT扫描结合的干-湿循环试验、三轴试验、脱-增湿试验和图像技术，系统研究膨胀土在荷载和湿度改变过程中，扰动局部应变场、水分场及其演化规律；明确宏观力学响应与局部扰动之间的对应关系；运用跨尺度关联理论和双尺度渐近分析方法，确定相应扰动状态变量，建立非饱和膨胀土跨尺度扰动状态本构模型；阐明孔隙/裂隙扰动对膨胀土力学特性的影响机制。项目研究对建立膨胀土强度理论，揭示膨胀土边坡的失稳机理，探索膨胀土地区滑坡灾害的防治方法有非常重要的意义。

在气候干湿交替变化过程中，土体反复胀缩，裂纹萌生、扩展，裂隙破坏了土体的完整性，使其强度降低，变形增大，超固结性丧失；发育的裂隙构造为水的渗入提供了通道，进一步加剧了土性的劣化。定量研究土体胀缩裂隙的演化特征及其对土体结构-力学-水力特性的扰动规律，对揭示土体劣化失稳机理，探索地基失稳、滑坡等岩土工程灾害预测与防治方法有非常重要的意义。. （1）从定性与定量两个维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。裂隙开展分为3 个阶段：裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期，裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。从CT图像的灰度值以及灰度共生矩阵特征值：角二阶矩（angular second moment，ASM）和对比度（contrast，CON），研究在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律，试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系，以裂隙体积定义的符合Logistic 函数变化规律的扰动函数，可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况；由ASM 和CON 定义的扰动函数与由土体原生联结结构强度定义的扰动函数变化曲线吻合度高，基于灰度共生矩阵特征值的扰动函数能很好地描述胀缩裂隙扰动下的土体强度特性和渗透特性。考虑土体结构性的扰动函数的跨尺度土体扰动状态本构模型，为建立考虑裂隙扰动的土体强度理论和本构关系提供科学依据。. （2）基于Fredlund 双应力变量理论及van Genuchten 土-水表征方程，构建考虑土体变形及多孔隙分布形态的双应力状态变量的广义SWCC 方程。方程仅3 个参数，其中2 个参数在双对数坐标系的“相对体积含水比-吸力”平面中进行最小二乘法线性拟合得到，仅1 个参数需非线性最小二乘法拟合得到。该模型可利用不同应力状态下的至少3 个土水试验数据点，绘制出一条具有足够精度的单峰SWCC；方程考虑了多峰孔隙概率密度函数分布及土体变形因素，模型为定量描述及预测不同孔隙结构土体双应力状态下的持水特性、渗透特性和强度特性提供了简单实用的结构-力学-水力本构关系新途径。