本文研究致力于解决天然碎石土在内侵蚀作用下的几个科学问题:(1)天然碎石土内部稳定性的预测判定;(2)影响内部不稳定天然碎石土内部细颗粒流失的主要因素及侵蚀量变化规律;(3)内侵蚀作用下天然碎石土流固耦合理论模型及数值求解方法;(4)内侵蚀作用对天然碎石土堆积体整体变形及稳定性的影响程度。本文研究工作综合运用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法对上述几个问题进行系统深入的研究,提出了适用于天然碎石土内部稳定性预测的判定准则;研制了满足天然碎石土渗透侵蚀及剪切试验要求的应力应变双控制式三轴试验设备;提出了考虑变形条件下天然碎石土侵蚀量变化本构模型;推导了同时考虑变形和细颗粒流失的多孔介质孔隙度方程,并提出了内侵蚀作用下天然碎石土理论分析模型和数值方法;量化了内侵蚀作用对天然碎石土堆积体滑坡整体变形及稳定性的影响。本文研究的主要创新性成果如下:1.分析了土体颗粒组成特征与内部稳定性的相关性,提出适用于预测天然碎石土的内部稳定性的判定准则。土体的内部稳定性是对土体的颗粒组成是否具有阻止细颗粒流失能力的评估。为了建立适用于天然碎石土内部稳定性预测的判定准则,本文首先利用自制侧限渗透侵蚀装置,采用向上渗流的试验方法,模拟了八种级配碎石土试样的渗透侵蚀过程。以渗透侵蚀过程碎石土试样渗透系数随梯度增长而增长作为内部稳定性判定方法,试验判定八种试样的内部稳定性。然后,对比常用判定准则(Kenney&Lau准则、Kezdi准则、Burenkova准则、Wan&Fell准则)对八种试样的预测判定结果和试验判定结果,分析了现有准则的局限性。基于本文收集的140个试样资料,采用系统聚类分析和秩相关分析方法,分析了试样结构特征与内部稳定性的关系,提出适用于天然碎石土的内部稳定性判定准则。最后,采用该准则对包括本文试验试样在内的多个宽级配碎石土土体内部稳定性进行判定,判定结果验证了本文提出准则的合理性。2.研制了可模拟大粒径宽级配碎石土内侵蚀过程的应力应变控制式三轴剪切渗透试验设备。采用此设备,模拟了天然碎石土在变形前后的渗透侵蚀过程,分析了内侵蚀作用机理及对土体性状的影响,提出了描述变形条件下天然碎石土渗透侵蚀量变化本构模型。该本构模型充分考虑的岩土体变形后的侵蚀量变化规律,更加符合工程实际。本文利用该试验设备对两种不同颗粒分布的碎石土试样开展围压条件下的渗透侵蚀及剪切压缩试验。根据试样变形前后的渗透侵蚀试验结果,提出以变形量、平均流速和时间为自变量的侵蚀量变化本构模型。通过采用多级加荷的试验方法对内侵蚀作用后的碎石土进行剪切压缩试验,从碎石土应力应变特性、屈服强度、峰值强度三个方面讨论了内侵蚀作用对碎石土力学性质的影响。3.通过理论分析和推导,提出了以侵蚀颗粒流失与土体变形双向作用为耦合机制的多场流固耦合模型。基于内侵蚀作用下侵蚀颗粒流失与固体体变双向耦合特征,本文以多孔介质渗流理论、连续介质力学及传质理论为基础,以孔隙度为耦合变量,建立多场耦合模型。将碎石土假定为四相组成的多孔介质,引入多孔介质有效应力原理及应力平衡条件,建立以位移和孔压为自变量的应力场方程;根据质量守恒定律,建立液化颗粒浓度场方程及耦合控制方程。以Comsol Multiphysics软件为数值模拟平台,模拟室内渗透侵蚀试验加载过程,通过对比数值模拟结果及室内试验结果,验证本文耦合理论及求解方法的合理性。4.以三峡库区典型碎石土堆积层滑坡为模拟对象,采用数值分析的方法,模拟了长期稳定库水位工况和库水位涨落条件下滑坡体内侵蚀作用过程,量化了内侵蚀作用对堆积体滑坡整体变形和稳定性的影响。根据本文试验结果可知,内侵蚀作用改变了内部不稳定天然碎石土颗粒组成结构,影响土体渗透性质或力学性质。但由于内侵蚀作用具有长期的累积效应,特别是因发生于碎石土堆积体内部而具有较强的隐蔽性。天然碎石土堆积体失稳机理的定性分析中,内侵蚀作用常被认为是影响堆积体稳定性的因素之一。以往碎石土堆积体稳定性分析中,还未能量化内侵蚀作用对碎石土堆积体的影响。因此,内侵蚀作用对天然碎石土堆积体整体稳定性的影响可能会被低估甚至忽略。为量化内侵蚀作用对碎石土堆积体的影响,本文以三峡库区典型碎石土堆积层滑坡为例,根据滑坡剖面地质信息和水文条件,建立有限元分析模型。研究内侵蚀作用的时间累积效应和水力边界条件变化时,滑坡体的变形特征及整体稳定性所受到的影响。以本文内侵蚀试验成果作为数值分析模型的材料参数,以长期不同库水位条件和水库运行期库水位涨落条件作为模拟工况。根据数值模拟结果,从滑坡体内侵蚀颗粒分布特征及变化规律、滑坡体位移极值变化及变形规律,以及滑坡体整体安全系数变化规律三个方面,量化了内侵蚀作用对堆积体滑坡整体变形和稳定性的影响。