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膨胀土是一类主要由亲水特性强的黏土矿物蒙脱石、伊利石和高岭土构成的特殊的高塑性粘土。膨胀土多具有超固结性、多裂隙性和可塑性,并且其吸水膨胀和失水收缩裂开的特征明显,此外含水率的变化对其强度特性的影响很大。因为这些特性,膨胀土问题引起工程建设的破坏能够长期存在并频繁发生,成为威胁人类生命和财产安全的严重灾害。本文利用GDS非饱和三轴试验仪、Whatman 42号滤纸以及FLAC 3D数值模拟软件,对南水北调北段磁县工程段的中等膨胀土的非饱和剪切强度、持水特征以及典型渠坡的稳定性进行了一系列研究。本文获得了一些研究成果,主要列举如下:(1)采用GDS非饱和三轴试验仪研究膨胀土的非饱和强度特征,试验结果表明:非饱和膨胀土的剪切强度与土体自身的含水率和干密度有关。随着含水率的增大,土体的抗剪强度依次减弱;其中总粘聚力和总内摩擦角都随着含水率的增加而呈现线性减少的趋势;而随着干密度的增加,土体的抗剪强度明显增强,其中粘聚力的增大幅度远远大于内摩擦角。(2)非饱和膨胀土的抗剪强度还受其承受的围压与基质吸力变化的影响很大。土体抗剪强度随着围压的增大而增强,且在低围压下,土样呈现应力应变软化现象。在脱湿过程当中,土体抗剪强度随着基质吸力的增大而增强。其中粘聚力由于基质吸力的增大呈现非线性增长趋势并且增长幅度较大,而有效的内摩擦角几乎不受基质吸力影响。(3)采用Whatman 42号滤纸测试膨胀土的土水特征曲线,试验结果表明:在基质吸力较小时,采用饱和度和吸力的关系比采用含水率和吸力的关系来表示土水特征曲线,更能够表示出初始干密度对土水特征曲线的影响。含水率较小时,随着干密度增长,基质吸力有增长的趋势。但是当含水率较大时,随着干密度增长,基质吸力增长的幅度并不显著。特定干密度条件下,基质吸力和含水率呈非线性关系。由于含水率的增大,基质吸力表现为迅速减小的趋势。不同干密度土样试验结果用Van Genuchten土-水特征曲线模型分别进行拟合分析,拟合效果均比较好。(4)利用FLAC 3D软件,采用强度折减方法,模拟不同工况条件下膨胀土渠坡的稳定性,结果分析可得:干密度和含水率的不同影响着渠坡的安全系数与位移量。在本文模拟的工况情况下,随着干密度减小或含水率增大,渠坡的安全系数依次减小;随着含水率的增加位移量增加,而随着干密度的增加位移量减小。