在全吸力范围内膨胀土的水力-力学耦合与微观结构演化机制

为何山坡开裂至关重要

在世界各地，运河、道路和建筑基础往往建在一种棘手的地基上——膨胀土。这类土在湿润时膨胀、干燥时收缩，会导致运河堤坡开裂、人行道倾斜和结构损坏。例如，中国南水北调工程的线路就有数百公里跨越此类土层。本文详细探讨水在膨胀土中进出如何重塑其内部孔隙网络，并进一步控制地基的膨胀或收缩。理解这种隐蔽行为，有助于工程师设计更安全的堤坡并减少昂贵的损坏。

随气候“呼吸”的土体

膨胀土并非一块致密的固体；它由微小的矿物颗粒构成框架，颗粒之间及团聚体内部存在孔隙。当降雨、运河水位和季节变化驱动的干湿循环发生时，水在这些孔隙间进出流动。研究者选取了用于中部某运河堤坡的弱膨胀土，按照现场密度和含水率制备了压实样品，在实验室中模拟场地条件。随后，他们让样品经历在极宽吸力范围内的反复干湿循环——吸力是土壤保持水分能力的量度，从近饱和到非常干燥的状态均包含在内。

追踪水分的进出

为了绘制各吸力水平下土体的含水关系，团队结合了三种实验方法，覆盖从非常潮湿到极度干燥的全范围。压力板法用于低吸力，特殊盐溶液控制湿度以达到很高的吸力，露点仪则填补中间空白。由此构建出土–水特征曲线，这是一种指纹式的曲线，显示随土体干燥与重湿过程中含水量、孔隙空间和饱和度如何演变。他们发现明显的“滞后”现象：土体干燥时所走的路径在重湿时并不会完全回溯到原位。在相同吸力下，干燥后的土通常更致密且含水量比重湿土更高，原因在于气泡被困、孔隙形状不同以及水在颗粒表面润湿和退湿时接触角不一致等因素。

隐蔽的双层孔隙网络

为观察内部变化，研究者采用汞入渗试验和扫描电子显微镜对多尺度孔隙进行了观测与测量。土体内部结构呈现明显的双重特征：较大的孔隙位于颗粒团聚体之间，而更小的孔隙存在于每个团聚体内部。两类孔隙的分界约为0.2微米。在所有吸力水平上，团聚体内部的微小孔隙体积分布保持相对稳定，而较大的孔隙则发生显著变化。随着吸力增大、土体干燥，最大孔隙缩小或闭合、总孔体积下降、土体收缩。重湿过程中，演变可分为三个阶段：最初大孔闭合、主导孔径变小；中间阶段整体分布相对稳定；最后随着土体回湿，团聚体膨胀，宏观孔部分再充填并重排，样品整体出现明显膨胀。

微观变化导致宏观损伤

电子显微图像显示，这一转变表现为在低吸力时的光滑片状结构和宽而连通的间隙，向高吸力时更紧密、颗粒化并伴随许多微小孔隙和微裂纹的模式转变。随着水分被去除，颗粒间的相互作用力增强，片状结构碎裂为更小的片块，大孔塌缩为更细的孔隙。重湿时，团聚体向外推动，部分填充先前的空隙。由于大孔和微孔中水与空气的相对平衡变化速率不同，相同的总体空隙比可能对应不同的饱和度，这取决于土体是处于干燥还是回湿阶段。水状态与孔隙几何之间的这种紧耦合意味着土体骨架承载的机械应力在不同路径上会以不同方式演化，每个循环后都会留下不可逆的变形。

对实际工程的意义

对非专业读者而言，关键结论是：膨胀土像一块有“呼吸”功能的海绵，具有两个截然不同的孔隙系统——被锁在团聚体内部的稳定微孔和位于团聚体之间高度响应的宏孔。研究表明，较大孔隙在干湿循环中开合与再分布的方式，解释了水分保持明显的滞后性以及野外观测到的大量体积变化。认识到这一双孔隙微观结构的控制作用，可以帮助工程师建立更可靠的堤坡位移模型、改进运河衬砌与加固设计，并预判收缩—膨胀损害最可能发生的部位。

引用: Wang, D., Li, M. & Wang, Z. Hydro-mechanical coupling and microstructural evolution mechanism of expansive soil under full suction range. Sci Rep 16, 8347 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39828-2

关键词: 膨胀土, 土体微观结构, 非饱和土, 吸力与膨胀, 运河堤坡稳定性