Utveckling av en elastoplastisk konstitutiv modell för expanderande jord under cykler av torkning‑vättning och frys‑tö

Varför sprickbildning i jord är viktigt för kanaler

I många torra, kalla regioner leds dricksvatten och bevattningsvatten i öppna kanaler som skärs igenom en särskild typ av lera kallad expanderande jord. Denna jord sväller när den absorberar vatten och krymper och spricker när den torkar eller fryser, vilket gradvis kan undergräva kanalbankarna. Studien som sammanfattas här förklarar steg för steg hur upprepade säsonger av vättning, torkning, frysning och töning försvagar sådan jord — från osynliga porer upp till synliga sprickor och släntbrott — och presenterar en ny matematisk modell som ingenjörer kan använda för att förutsäga denna skada.

Från fast mark till sprickande slänter

Forskarlaget fokuserade på en stor vattenöverföringskanal i norra Xinjiang, ett kallt ökenområde där kanalen löper genom långa sträckor av expanderande jord. På sommaren för kanalen vatten; på vintern töms den och exponeras för frysande luft. Denna årliga cykel av blötläggning, torkning och frysning har redan gett upphov till komplexa spricknät, släntskred och deformationer i kanalbottnar, vilket minskar kanalens förmåga att leda vatten effektivt. För att förstå varför detta händer tog teamet jordprover från kanalen, kompakterade dem i laboratoriet för att efterlikna fältförhållanden och utsatte sedan prover för upp till nio kontrollerade cykler av vättning‑torkning och frys‑tö.

Testning av hållfasthet och observation av spricktillväxt

På den synliga, makroskopiska skalan använde teamet triaxiala tester — där cylindriska jordprover kläms från alla håll och sedan långsamt pressas ihop — för att följa hur jordens hållfasthet förändrades vid varje cykel. Spännings‑töjningskurvorna visade att jorden gradvis blev svagare och mer formbar: brottstyrkan minskade med ungefär 30 % efter nio cykler, med den största minskningen redan efter den allra första. En viktig hållfasthetsparameter kallad kohesion, som speglar hur väl partiklarna hänger ihop, minskade totalt med cirka en fjärdedel och följde en exponentiell nedgång med antalet cykler. Däremot förändrades den inre friktionsvinkeln — kopplad till hur korn gnids mot och låser mot varandra — nästan inte alls, vilket indikerar att bindningen mellan partiklar mer än friktionen är det som huvudsakligen försämras.

Koppla spricknät till dolda porförändringar

För att fånga vad som händer mellan det fullt synliga och det mikroskopiska fotograferade forskarna ytorna på jordproverna efter olika antal cykler och analyserade sprickmönstren. De införde ett enkelt "kopplings"‑index, Q, som ökar när individuella sprickor går ihop till ett kontinuerligt nätverk. Inledningsvis uppträdde bara ett fåtal små sprickor. Med fler cykler vidgades och sammanlänkades vertikala, horisontella och lutande sprickor, så småningom delade de provet i block och signalerade ett strukturellt sammanbrott. Q ökade snabbt till en början och jämnade sedan ut sig — vilket speglar den tidiga snabba förlusten av hållfasthet. På mikroskopisk nivå visade högförstoringar från svepelektronmikroskop att tidigare stora, sammanbundna jordaggregat bröts upp i många mindre partiklar, samtidigt som den totala arean upptagen av fasta partiklar och deras genomsnittliga storlek minskade markant. Fina porer kopplades gradvis samman och bildade färdvägar som senare skulle bli de synliga sprickorna. Statistisk analys bekräftade att förlusten av fast partikelarea starkt följde både nedgången i kohesion och ökningen i sprickkoppling.

Ett nytt sätt att förutsäga försvagning av jord

Utöver att beskriva dessa förändringar utvecklade författarna en förbättrad matematisk modell för att förutsäga dem. De utgick från en allmänt använd ram inom jordmekanik kallad den modifierade Cam‑clay‑modellen, som relaterar hur leror komprimeras och skjuvas under belastning. För att representera bindningen mellan partiklar i expanderande jord lade de till en parameter för "effektiv bindningsspänning" som förskjuter modellens spänningskurva. De anpassade sedan denna parameter och andra till sina testdata för olika antal cykler. Resultatet blev ett antal enkla exponentiella formler som beskriver hur jordens nyckelegenskaper utvecklas vid upprepad vättning‑torkning och frys‑tö. När de använde dessa formler i modellen stämde de förutsagda kurvorna för spänning‑töjning och volymförändring väl överens med experimenten, vilket visar att modellen realistiskt kan fånga den progressiva skadan.

Vad detta innebär för verkliga kanaler

För icke‑specialister är huvudbudskapet att expanderande jordar under säsongsbundna fukt‑ och temperaturväxlingar inte går sönder på en gång. Deras inre porer omformas, deras partiklar bryts ner, och deras sprickor kopplas gradvis samman till nätverk som tyst eroderar hållfastheten långt innan en slänt synligt kollapsar. Genom att knyta ihop observationer från poreskalan till släntskalan och genom att inbädda dessa samband i en praktisk förutsägelsemodell ger denna studie ingenjörer verktyg för att prognostisera hur snabbt kanalbankar i liknande klimat kommer att försämras och för att designa förstärknings‑ eller dräneringsåtgärder innan kostsamma haverier inträffar.

Citering: Zhang, H., Yang, M. & Cui, Z. Development of an elastoplastic constitutive model for expansive soil under drying-wetting and freezing-thawing cycles. Sci Rep 16, 5756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36311-w

Nyckelord: expanderande jord, frys‑tö‑cykler, jordsprickor, kanalslänters stabilitet, jordens konstitutiva modell