原位花岗岩残余土全吸力范围的试验研究与预测模型

为何这段土壤故事很重要

在许多丘陵、热带地区，高速公路、堤坝和建筑地基常常基于一种特殊的地基材料：在原位风化成红色土的花岗岩。虽然看起来像普通的泥土，但这种材料储存和释放水分的能力决定了地基在雨季与旱季间保持强度和稳定性的程度。本研究探讨未扰动的花岗岩残余土如何存储水分、在反复湿润与干燥过程中这种存储如何变化，以及工程师如何快速预测其行为以设计更安全、更耐久的基础设施。

保留岩石起源记忆的土壤

花岗岩残余土是在温暖潮湿气候下固体花岗岩在原位缓慢风化形成的。与实验室中被挖出并压实的土壤不同，未扰动的残余土仍保留着来自原生岩体及后期风化形成的复杂孔隙与微裂隙网络。在中国南部，这类土在路基和边坡下被广泛利用，因为取材方便且经济。然而，其含水状况可在地下水位以上随季节在湿润与干燥之间大幅波动。这些湿度波动改变了土粒间的粘结强度和水分流动的便捷性，因此工程师需要一种可靠的方式来描述土壤湿度与土体保持水分能力之间的关系。

描绘土壤的持水“指纹”

研究者聚焦于一个关键关系——土水特征曲线，它将土壤含水量与“吸力”联系起来，即土壤干燥时保持水分的强度。测定这条曲线的全范围（从近饱和到极干）通常既慢又技术上有挑战性。研究团队结合了三种探测不同吸力区间的间接方法：用于低吸力的压力板装置、中等范围的滤纸法，以及用于很高吸力的盐溶液蒸汽平衡法。他们还用汞入侵孔隙测定法研究了土体的内部孔隙结构，并利用毛细管物理将孔径数据转换为估算的持水曲线。综合这些方法揭示了该土在极宽干燥跨度下的行为，远超日常现场条件下常见的范围，但对于建立可靠的预测模型至关重要。

反复干燥如何重塑地基

为了模拟多年的季节性气候，研究组对未扰动土样施加了最多六次受控的干湿循环，在近饱和与代表炎热干旱条件的较低含水量之间交替。测量表明，这些循环逐步重组了孔隙网络：小孔合并为更大的孔，细小微裂隙扩展和蔓延。汞入侵测试证实，随着循环次数增多，孔径分布向较大孔隙移动。这种结构变化使得土壤更容易释放水分并在较低吸力时失水，表明其持水能力下降并更易加速失湿。这些发现有助解释为何长期使用的道路路基或天然边坡会随着时间推移逐渐变得更易发生变形和侵蚀。

寻找更快捕捉全貌的方法

通过方法对比，研究发现三种吸力测定技术（压力板、滤纸和蒸汽平衡）可覆盖所需的全范围，但压力板部分耗时，通常每个试样需约一个月。研究者显示，从孔结构数据导出的曲线在对工程设计最重要的低吸力区与压力板结果高度一致。基于这一一致性，他们证明将滤纸法、蒸汽平衡法与基于孔隙的计算智能结合，可以在不牺牲精度的情况下替代大部分耗时的压力板试验。这一优化的测试策略显著缩短了获得完整持水曲线的时间，同时仍能捕捉对基础设施性能最敏感区间的关键行为。

面向工程设计的实用模型

利用所有测量数据，作者校准了一个现有的数学框架，以描述随着干湿循环累计土壤持水曲线的变化。他们发现模型参数随循环次数的变化呈简单、近似线性的规律，从而构建了一个预测工具：给定土样及其预估将经历的季节循环次数，工程师可以预测其含水行为如何演变。简言之，该研究既提供了一套高效的测试方法，又给出一个针对未扰动花岗岩残余土的实用预测模型。这将帮助规划者和设计者更好地预判路基与边坡下地基强度和排水性质的长期变化，从而在这一类土壤常见的地区支持更安全、更有韧性的基础设施建设。

引用: Zhang, Y., Li, L. & Hu, B. Experimental investigation and predictive model of entire suction range for undisturbed granite residual soil. Sci Rep 16, 13036 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43799-9

关键词: 花岗岩残余土, 非饱和土, 土壤持水特性, 干湿循环, 公路路基