考虑干湿循环影响的南宁压实红粘土水构造与力学特性

为何易裂的红土对日常道路重要

在中国南部广泛分布的道路往往建立在一种独特的铁锈色土体之上，称为红粘土。这类风化土在承载交通荷载方面足够坚实，但处于严酷环境：长期高温、高湿以及反复的浸湿与干燥。多年使用后，地基的这种自然“呼吸”会悄然削弱路面下的土体，导致车辙、裂缝和昂贵的维修。本研究深入分析来自南宁的一种常见红粘土，考察其微小孔隙、保水能力以及在多次干湿循环后对交通荷载的响应如何演变，并探讨工程师如何更好地预测其长期行为。

红粘土的来源

研究者的样品采自南宁市环路施工现场表层下约一米处的红粘土。像许多红色土壤一样，它是在炎热潮湿的气候下，石灰岩及其它岩石缓慢风化分解后形成的，富含赋予其颜色和自然强度的氧化铁。在工程实践中，这类土壤常被压实作为较薄路面下的承载层或路堤。这些路堤受周围地体的侧向约束较小，但会承受来自车辆的较大竖向应力。它们通常处于部分不饱和状态，其性质对含水量及水分随时间进出的方式高度敏感。

团队如何测试土样

为模拟实际施工，试验中将粘土在实验室按标准最大干密度和最优含水率压实——这是现场常追求的状态。部分样品保持“压实原状”，另一些样品则经历了十次完整的干湿循环，从接近饱和到几乎风干再回到饱和，以代表多年季节性变化。团队随后采用多种手段：汞压入试验绘制土体孔径分布；专用设备测定不同含水条件下土体的吸力；最后在三轴装置中对圆柱体试样施加2万次模拟交通循环荷载，测量其弹性响应（恢复模量，表征刚度）和随循环累积的永久变形。

干湿季节中土体内部发生了什么

新压实的红粘土表现为由小团聚体构成的结构：团聚体内部存在细小孔隙，团聚体间则有较大的孔隙，形成一种“双重”孔隙系统。这一结构在含水曲线中表现为两阶段特征——空气先进入大孔隙，然后进入小孔隙。经过十次干湿循环后，这种内部结构发生变化：团聚体内部孔隙收缩，而团聚体之间的空隙和块体间的裂缝增大。总体孔隙率增加，原本明显的两段式吸水-吸力曲线变得平滑。土体在接近饱和时吸水能力增强，但在低吸力时更易失水，意味着在对路面性能最重要的吸力范围内，它对水分的保持能力减弱了。

随着土体老化，荷载响应如何改变

加载试验揭示了这些微观变化如何影响道路性能。反复荷载下，粘土表现出两个主要行为：可恢复的弹性应变和随循环累积的永久应变。随着含水量上升、内吸力降低，土体逐渐变软（恢复模量下降）并累积更多永久变形。干湿循环后，这种对含水的敏感性增强。在相同应力下，经过循环且含水较高的样品可累积比未循环且较干样品大得多的永久应变，并且在较低应力水平即可达到失效级别的变形。同时，结构受循环损伤后，土体刚度下降且对荷载变化的响应变弱。研究者用基于土体吸力和饱和度的简单方程，借助一个随结构退化而增大的拟合参数，较好地描述了循环前后刚度和永久变形的强弯曲趋势。

弹性与塑性行为之间的隐性联系

一个显著发现是：尽管应力水平、含水状态和干湿历史各不相同，粘土的刚度与其累积永久变形之间仍沿一条平滑曲线关联。较高的刚度状态始终对应极小的永久变形，而较软的状态则对应显著更大的永久变形。这表明土体在每次荷载下的弹性回弹与长期蠕变沉降之间存在深层联系，可能为通过更简单的刚度测量来估算长期车辙提供路径。

对红粘土路基的启示

对于非专业读者来说，结论是：许多道路下看似坚固的红色地基并非静态不变。季节性的湿润和干燥会从内部重塑土体，产生更多裂缝和更大的孔隙，降低其保水能力，使其在潮湿时既更软又更易在交通荷载下产生永久车辙。通过将这些变化与土壤含水及吸力的简单量联系起来，并揭示刚度与长期变形之间稳定的关联，该研究为工程师预测红粘土路基的老化以及设计更耐久、平顺的路面提供了更好的工具。

引用: Deng, S., Zhang, H., Wei, J. et al. Hydrostructural and dynamic characteristics of compacted Nanning red clay considering wetting-drying impacts. Sci Rep 16, 11483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41777-9

关键词: 红粘土路堤, 干湿循环, 土体孔隙结构, 恢复模量, 路面性能