膨胀土是一种易吸水膨胀软化、失水收缩开裂的高塑性黏土,其抗剪强度是研究路堑、路堤、渠道和土坝等边坡稳定性重要参数。由于其胀缩性、裂隙性和超固结性,使得其力学性质较一般黏土复杂,给工程带来了极大的危害。膨胀土边坡变形破坏的演化即为边坡土体的抗剪强度由峰值向残余强度逐步衰减的过程。因此,在进行膨胀土边坡稳定分析时,应结合工程实际,考虑土体强度指标的选取问题。本文以南水北调河北磁县段的膨胀土为研究对象,利用应变式直剪仪、直剪/残余剪切仪、常规三轴试验和“预切面”三轴试验以及数值模拟软件等对其强度特性以及衰减规律进行了系列研究。主要研究内容和成果如下:(1)采用电动应变控制式直接剪切仪研究该区域不同黏粒含量的膨胀土在不同法向应力和不同状态下抗剪强度特性。研究发现:饱和后膨胀土试样的抗剪强度明显降低,固结后强度提高,且饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用较为显著,固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的“治愈”作用更加明显。随土中黏粒含量的增大,其黏聚力逐渐减小;内摩擦角先减小后增大,临界值在32%左右。(2)采用直剪/残余剪切试验系统,在缓慢剪切速率下研究膨胀土的残余强度特性。结果表明:膨胀土试样峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而明显增大;残余强度τ_r随黏粒含量增加逐渐减小,两者成指数关系;残余强度φ_r值与黏粒含量成对数关系,c_r值则比较离散;黏粒含量主要通过控制残余强度的φ_r值大小来影响土体的抗剪强度。当竖向荷载较大时,膨胀土峰值强度和残余强度均有一定的提高,但对于黏粒含量较大的膨胀土效果不是很明显。(3)为研究复杂应力条件下膨胀土残余强度特征,提出膨胀土常规三轴试验和“预切面”三轴试验,与直剪/残余剪切试验的结果进行对比分析,发现采用预切面倾角为(45°+φ/2)的三轴试样测得的残余强度与反复直剪试验结果最为接近。“预切面”三轴试验能更好的模拟土样的受力状态,是合理可行的。最后通过整合三轴试验结果建立完整的膨胀土应变软化曲线,为揭示土体强度特征提供一定的理论价值和实际应用参考价值。(4)在考虑膨胀土边坡的大气影响层条件下,研究边坡稳定性计算过程中材料强度参数的选取对边坡稳定性计算结果的影响程度。发现随大气影响层土体抗剪强度指标下降,膨胀土边坡的安全系数也随之下降,边坡逐渐趋于不稳定状态;随风化层影响深度的增大,膨胀土边坡的安全系数逐渐降低。膨胀土边坡一般在坡面大气影响深度范围内。