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主要作者与研究机构及发表信息
该研究的主要作者为李立青（Liqing Li）、李玉龙（Yulong Li）和徐迎刚（Yinggang Xu），分别隶属于河南工业大学土木工程学院和天津大学土木工程系海岸土木结构安全教育部重点实验室。文章发表于《Engineering Failure Analysis》期刊，2024年4月12日在线发布。

学术背景
膨胀土是一种典型的“灾害性土壤”，在中国河南、广西、湖南等地区广泛分布，具有显著的区域性特征。膨胀土富含蒙脱石，这种矿物对水分敏感，因此膨胀土边坡在降雨条件下容易发生滑动破坏。目前，针对膨胀土边坡的研究主要集中在降雨引发的渗透特性、边坡应力响应以及边坡破坏机制等方面。然而，现有研究多关注最终破坏形式，而对其在不同降雨强度下的失稳演化过程和破坏机制的研究较少。本研究旨在通过室内模型试验和数值模拟相结合的方法，揭示膨胀土边坡在短时变强度降雨条件下的失稳演化规律及其机制。

研究流程
研究包括以下主要步骤：

1. 实验设计与样本制备
   研究选取了来自河南南部某膨胀土切坡工程的土壤样本，其基本物理力学性质如液限、塑限、自由膨胀率等均被测定。样本目标含水率为20%，采用分层压实法构建边坡模型。实验模型尺寸比例为1:100，边坡模型长71 cm、高50 cm，坡脚角度分别为45°、20°和60°。

2. 实验设备与监测系统
   实验使用透明有机玻璃模型箱，尺寸为0.71 m × 0.57 m × 0.67 m，并配备人工降雨系统以模拟不同降雨强度。监测系统包括土壤水分传感器（W1-W8）、土壤压力传感器（S1-S8）和孔隙水压力传感器（P1-P3）。此外，高分辨率摄像机用于记录边坡失稳演化过程。

3. 实验条件与操作步骤
   根据河南南部降雨数据，实验设置了三种降雨强度：中雨（24.7 mm/day）、大雨（47.4 mm/day）和暴雨（111.2 mm/day），持续时间为1小时。实验过程中，首先进行模型边坡的分层填筑和压实，随后嵌入传感器并进行表面修整。完成建模后，静置24小时以稳定土壤水分。

4. 数值模拟
   使用Abaqus有限元软件构建几何模型，模拟实际工程中的边坡条件。模型参数基于实验测得的膨胀土物理力学性质，采用Mohr-Coulomb强度准则定义材料属性。数值模拟分析了不同降雨强度下边坡的水平位移、垂直沉降及土壤压力变化。

主要结果
1. 边坡失稳演化过程
在1小时降雨过程中，膨胀土边坡的失稳演化分为三个阶段：局部侵蚀阶段、裂缝扩展阶段和坍塌阶段。局部侵蚀阶段中，边坡表面土壤因降雨冲刷发生滑动和流动，形成沿坡肩分布的裂缝；裂缝扩展阶段中，裂缝逐渐向深层扩展；坍塌阶段中，上部坡面和下部坡脚发生坍塌，坍塌范围从坡底向边界扩展。

1. 含水率变化规律
   随着降雨强度增加，边坡土壤含水率显著提高，峰值含水率分别为46.3%、57.4%和72.2%。低强度降雨条件下，坡面含水率较高；高强度降雨条件下，坡脚含水率更高。这表明在强降雨条件下，应重点关注坡脚排水措施。

2. 土壤压力与孔隙水压力变化
   数值模拟结果显示，降雨过程中土壤压力和孔隙水压力随深度增加呈现不同变化规律。浅层土壤压力增幅大于深层，而深层增幅又大于中间层。孔隙水压力的变化规律类似，浅层变化最为显著。这些现象表明降雨和渗流力主要作用于边坡表层。

3. 位移与沉降分析
   边坡的最大水平位移发生在坡脚，数值分别为0.29 m、0.34 m和2.4 m（对应中雨、大雨和暴雨）。最大垂直沉降出现在坡顶，数值分别为0.45 m、0.53 m和3.11 m。随着降雨强度增加，边坡中部的拱效应消失，表明边坡整体稳定性下降。

结论与意义
本研究表明，膨胀土边坡在短时变强度降雨条件下的失稳演化过程可分为三个阶段，且不同降雨强度对边坡含水率、土壤压力、孔隙水压力及位移的影响具有显著差异。研究结果强调了在强降雨条件下采取坡脚排水和坡面防渗措施的重要性。此外，数值模拟揭示了边坡失稳的滑动模式和位移分布规律，为实际工程中的边坡稳定性评估提供了重要参考。

研究亮点
1. 揭示了膨胀土边坡在不同降雨强度下的失稳演化过程及其机制。
2. 提出了针对不同降雨强度的边坡防护措施建议，特别是坡脚排水和坡面防渗的重要性。
3. 结合室内模型试验和数值模拟，验证了浅层土壤受降雨影响最为显著的现象。

其他有价值内容
研究还探讨了降雨引发的水平应力增加对边坡失稳的影响，指出这是导致边坡滑动的重要原因之一。此外，研究团队通过高分辨率摄像机记录了边坡失稳的动态过程，为理解边坡破坏机制提供了直观证据。