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本文在总结前人有关膨胀土研究成果的基础上,利用离心模型试验技术、非饱和土的三轴试验、数值模拟等手段,深入研究了非饱和膨胀土的长期强度和变形特性,特别是干湿循环对非饱和膨胀土边坡的长期变形和稳定性影响,得出以下结论:
1.离心模型试验结果表明,干湿循环是导致膨胀土边坡破坏的根本因为。干湿循环使得膨胀土边坡产生裂缝,随着干湿循环次数的增加,裂缝逐渐变宽变深。裂缝的存在不仅削弱了膨胀土边坡土体的结构,而且为水的入渗提供了通道,从而使土体软化,强度降低。膨胀土边坡的初始干密度、坡比和初始含水量对干湿循环作用下的膨胀土边坡的变形和稳定性均具有明显影响。初始干密度的增加、放缓边坡、控制初始含水量接近于最优含水量都可降低膨胀土边坡的变形和提高膨胀土边坡的稳定性,其中初始干密度的影响最大。
2.每次干湿循环使得膨胀土边坡均累积了向坡下的沉降和水平位移,随着干湿循环的次数的增加,不论边坡土体密度的高低、边坡的陡缓、初始含水量的多少,最终都将导致膨胀土边坡的渐进破坏。因此防止膨胀土边坡发生破坏的最关键的措施是尽可能隔断其与外界的水分交换,也就是避免膨胀土边坡进行干湿循环,如不能隔断其与外界的水分交换,也应采取合适的排水措施,以尽可能防止膨胀土边坡充分湿化。
3.非饱和膨胀土的三轴试验研究结果表明,随着吸力和干密度的增大,非饱和膨胀土的凝聚力呈非线性增大,而且增长幅度明显,而有效内摩擦角则几乎不变；非饱和膨胀土的胀缩特性不仅取决于其干密度和围压,而且还与其吸力密切相关,随着吸力的增大,非饱和膨胀土的剪胀特性增强。
4.基于沈珠江院士提出的饱和土双硬化模型,建议了一个描述干湿循环下非饱和膨胀土应力应变关系的数值模型,初步验证结果表明,建议的数值模型可大体模拟干湿循环作用下的非饱和膨胀土的强度和变形特性。
5.根据非饱和土简化固结理论,采用调整排气率和渗透系数随裂缝发展而变化的简化方法,结合作者建议的描述干湿循环下非饱和膨胀土应力应变关系的数值模型,考虑干湿循环作用下SWCC曲线的滞回路径和有效凝聚力变化规律,研究提出了一种计算分析非饱和膨胀土边坡在干湿循环作用下的变形发展过程的数值模拟方法,编制了相应计算软件。计算与离心模型试验结果比较表明,建议的数值模拟方法可较好模拟非饱和膨胀土边坡在干湿循环作用下的变形发展过程,从而为膨胀土工程的设计和施工提供了一种新的有效手段。