在干湿交替和冻融循环下膨胀土弹塑性本构模型的发展

为什么渠道中的土壤开裂很重要

在许多干冷地区，重要的饮用和灌溉用水通过开敞渠道输送，这些渠道常开挖在一种称为膨胀土的特殊黏土中。这种土在吸水时膨胀，干燥或冻结时收缩并产生裂缝，长期会逐步削弱渠道堤岸。这里概述的研究按步骤说明了反复的淋湿、干燥、冻结与融化如何从不可见的孔隙尺度一直损伤到可见裂缝和边坡失稳，并提出了工程师可以用来预测这种损伤的新数学模型。

从坚实地面到开裂边坡

研究者将注意力集中在新疆北部一条大型引水渠上，该地区为寒冷的荒漠，渠道沿线穿过长段膨胀土。夏季渠道通水，冬季排空后暴露在低温空气中。这种年度的浸润、干燥与冻结循环已导致复杂的裂缝网络、边坡滑移和渠底变形，降低了渠道的输水效率。为弄清其成因，团队取自渠道的土样在实验室中按现场状况进行压实，然后对样品施加多达九次的受控干湿与冻融循环。

测试强度并观察裂缝扩展

在可见的宏观尺度上，团队采用三轴试验——将圆柱形土样周向加应力后再缓慢压缩——来追踪每次循环后土体强度的变化。应力-应变曲线显示土体逐步变弱并更易变形：经过九次循环后破坏强度大约下降30%，且首次循环后的降幅最大。一个关键的强度指标——凝聚力，反映颗粒间结合力，总体下降了约四分之一，并随循环次数呈指数衰减。相比之下，内摩擦角几乎无变化，这表明破坏主要来自颗粒间粘结的衰减而非摩擦性的改变。

将裂缝网络与隐蔽孔隙变化联系起来

为刻画可见尺度与显微尺度之间的变化，研究者在不同循环次数后拍摄了土样表面并分析裂缝模式。他们引入了一个简单的“连通性”指数Q，随着单个裂缝相互连通成连续网络而增大。起初只出现少量小裂缝，随着循环增多，垂直、水平和倾斜裂缝逐渐变宽并相互连接，最终将试样切割成块体并标志着整体结构的失稳。Q先快速上升然后趋于平稳——这一趋势与早期强度快速损失相呼应。在显微层面，高倍电子显微镜图像显示先前较大的胶结土团解体成许多更小的颗粒，同时固体颗粒占据的总面积及其平均尺寸显著缩小。细小孔隙逐步连通，形成将来演化为可见裂缝的通道。统计分析证实，实物颗粒面积的减少与凝聚力的下降以及裂缝连通性的上升高度相关。

一种预测土体劣化的新方法

在描述这些变化之外，作者建立了一个改进的数学模型来预测它们。他们以广泛使用的土力学框架——改良Cam‑clay模型为起点，该模型描述黏土在荷载下的压缩与剪切行为。为表示膨胀土颗粒间的胶结作用，研究者加入了一个“有效胶结应力”参数，用以平移模型的应力曲线。随后他们将此参数及其他参数拟合到不同循环次数的试验数据。由此得到一组简单的指数公式，描述土体在反复干湿与冻融下关键性质的演化。当将这些公式代入模型时，所预测的应力‑应变与体积变化曲线与实验结果高度一致，表明该模型能现实地捕捉渐进损伤过程。

对实际渠道的意义

对非专业读者而言，主要结论是：在季节性湿度和温度变化作用下，膨胀土并不会瞬时崩塌。其内部孔隙重组、颗粒破碎，裂缝逐步连成网络，这些过程在边坡肉眼崩塌之前就悄然侵蚀强度。通过将孔隙尺度到边坡尺度的观测联系起来并将这些联系嵌入实用的预测模型，本研究为工程师提供了工具，以预测类似气候中渠道堤岸的劣化速度，并在发生高代价的失效之前设计加固或排水措施。

引用: 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

关键词: 膨胀土, 冻融循环, 土体开裂, 渠道边坡稳定性, 土体本构模型