裂隙膨胀土边坡损伤规律与稳定性评价方法研究

Crack is a key factor in slope failures of expansive soil, it is of vital significance to clarify the cracking development in expansive soils and to understand the triggering mechanism of slope failures. Firstly, by simulation of wetting and dewetting processes in natural environment, damage evolution and distribution of samples and slopes of expansive soil are researched through CT scanning; secondly, slope models with different dip angles are adopted in centrifugal tests in order to obtain failure characteristics, as well as slope stabilities are compared by measuring practical amount of infiltration; thirdly, triaxial compression tests with different saturation and confining stress are researched to analyze correlations between fissure degree and saturation, stress/strain, and shearing strength parameters, as well as shearing strength peak and fissure degree; fourthly, damage constitutive model, taking account of fissure degree, is presented based on triaxial tests and then numerically realized in Flac3D. Incorporated with slope stability model, failure processes of slope models in centrifugal tests are simulated for further comparative study. All above research would be definitely beneficial to slope engineering design and construction, as well as hazard assessment in expansive soil areas.

裂隙是膨胀土边坡失稳的关键因素，揭示膨胀土边坡失稳过程中裂隙的发展规律及其引起边坡破坏的力学机制，成为膨胀土边坡稳定性研究的关键。一、本研究通过模拟自然环境中的增脱湿过程，利用CT对于膨胀土试样和膨胀土边坡的损伤演变过程与分布规律进行了研究；二、通过不同倾角边坡模型的离心试验对膨胀土边坡失稳特性进行分析，并通过测定实际入渗量来比较缓倾与陡倾膨胀土边坡稳定性的差异；三、通过不同饱和度、不同围压下的三轴压缩试验，定量分析裂隙度与饱和度、应力应变、抗剪强度参数之间、以及膨胀土抗剪强度峰值与裂隙度之间的相互关系；四、在三轴压缩试验的基础上建立考虑裂隙度的膨胀土损伤本构模型，并在Flac3D中加以数值实现。结合提出的边坡稳定性分析模型，对膨胀土边坡离心试验进行数值模拟，藉此对其失稳特性进行进一步的对比研究。以上工作对于膨胀土地区边坡工程的设计、施工以及灾害评估等方面都具有重要意义。

膨胀土地区滑坡频发，对公路行车安全造成严重威胁，滑坡之后的处治也极为困难。由于观测手段的限制，长期以来裂隙对膨胀土边坡影响的相关研究都处于定性阶段，缺乏对裂隙的定量化研究，这在很大程度上导致了人们对于膨胀土边坡稳定问题认识的不足。揭示膨胀土体中裂隙的发展规律及其引起边坡破坏的力学机制，将成为膨胀土边坡稳定性研究的关键。. 本研究旨在对裂隙发育程度、发展过程进行恰当的定量描述，并揭示膨胀土边坡失稳过程中的裂隙损伤规律与裂隙演化对于膨胀土强度和变形的影响。在此基础上，构建一个便于工程应用的裂隙膨胀土损伤本构模型，进而通过有限差分程序Flac3D加载自定义本构模型的方式实现对于裂隙膨胀土边坡稳定性的分析研究。对于裂隙膨胀土边坡而言，坡体损伤规律的厘清与边坡稳定性评价方法的建立是密不可分的，相关成果的获得对于膨胀土地区边坡工程的设计、施工以及灾害评估等都具有重要意义。主要研究内容和结果如下：. 1、探索了膨胀土试样在增脱湿过程中损伤变量（裂隙度）的变化趋势。土样的裂隙度是随着含水量的减小而增大的，但由于裂隙的开裂-愈合并非一个完全可逆的过程，因此土样脱湿完毕重新增湿时，裂隙度不可能重新减小至零，土样出现了残余损伤。. 2、离心模型试验中，坡比1:3的膨胀土边坡模型稳定性较差，这与普通岩土边坡规律明显不符，说明入渗水量对于膨胀土边坡有着显著影响，而这与坡面径流长度（或坡比）有直接关系。坡高相同时，边坡越缓，径流长度越大，入渗量越高，土体抗剪强度降低，边坡稳定性越差。. 3、考察了损伤度与土体强度指标、变形参数的关系。试验表明，损伤度与大多数参数具有良好的对应关系，可以用初等函数表达。. 4、将裂隙度视为内变量引入到等效完整材料的本构方程中，建立了裂隙性膨胀土损伤本构模型，并采用FLAC3D程序进行了离心模型试验的对比模拟。研究表明：对于较缓的边坡模型，由于实际入渗量较大，坡面损伤土层较厚，其安全性有可能较陡坡更低。这一规律对于裂隙不发育的土体表现不甚明显，但对胀缩性都很大的膨胀土，表层土体裂隙将大大增加入渗量，从而造成严重后果。