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探究膨胀土干缩开裂尺寸效应及其在干湿循环下的演变特征

一、引言

1.1研究背景与意义

膨胀土是一种富含蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物的特殊粘性土，在全球广泛分布，我国如广西、云南、河南、湖北等20余省区均有其踪迹。其显著特性为在吸水时体积急剧膨胀，失水时严重干缩，且这种胀缩变形往往具有反复性。在工程建设中，膨胀土的干缩开裂现象带来了诸多危害。

在建筑工程领域，膨胀土地基上的建筑物常因土体干缩开裂导致不均匀沉降。当土体失水干缩，地基土产生收缩变形，建筑物基础会随之受到不均匀的拉力作用，致使墙体出现垂直裂缝、窗台下水平裂缝；收缩严重时还会引发倒八字形裂缝，危及建筑物的结构安全与正常使用。在道路工程方面，膨胀土用作路基填料时，干缩开裂会降低路基的强度与稳定性。干燥季节，路基土体干缩产生裂缝，雨水通过裂缝渗入路基深处，使土体膨胀湿软，承载能力大幅下降，导致路面出现塌陷、开裂等病害，影响道路的平整度和行车安全，增加道路的维修成本和养护难度。对于基坑工程，膨胀土的干缩开裂可能导致基坑侧壁土体的强度降低，引发侧壁滑塌事故。在成都地区，据相关统计，约65%的基坑事故与膨胀土特性有关。

研究膨胀土干缩开裂的尺寸效应，有助于深入理解土体内部结构和力学机制对干缩开裂的影响。不同尺寸的膨胀土试样在干缩过程中，水分迁移、应力分布等情况存在差异，通过研究尺寸效应，能更准确地把握干缩开裂的本质规律，为工程实践提供更贴合实际的理论依据。而探究干湿循环条件下干缩开裂的演变特征，对于预测膨胀土工程长期稳定性意义重大。在自然环境中，膨胀土长期经受降雨、蒸发等干湿循环作用，干缩开裂现象不断发展变化，了解其演变特征，能够有效评估工程结构在长期使用过程中的安全性，提前采取针对性的防护措施，减少潜在的工程风险，保障工程的长期稳定运行。

1.2国内外研究现状

国外学者较早关注到膨胀土的特殊工程性质，在膨胀土的基本特性研究方面取得了丰富成果。对于干缩开裂，有研究通过室内试验，对不同初始含水率和干密度的膨胀土试样进行干燥处理，观察其干缩开裂过程，分析了干缩应变、开裂时间等与干缩开裂相关的参数。在尺寸效应研究上，部分学者采用不同尺寸的膨胀土试件开展试验，发现试件尺寸对干缩开裂的影响与土体的矿物成分、孔隙结构等密切相关。针对干湿循环特性，不少研究利用模拟降雨和蒸发的试验装置，研究干湿循环次数、循环周期等因素对膨胀土物理力学性质和裂隙演化的影响，揭示了干湿循环过程中膨胀土的强度衰减规律和裂隙扩展机制。

国内在膨胀土研究方面也取得了显著进展。在干缩开裂研究中，运用数字图像技术对膨胀土干缩裂缝进行定量分析，获取裂缝宽度、长度、面积等参数，为干缩开裂的量化研究提供了新方法。对于尺寸效应，有学者从细观角度出发，借助扫描电子显微镜（SEM）等手段，观察不同尺寸膨胀土试样内部微观结构在干缩过程中的变化，探讨尺寸效应的微观机制。在干湿循环特性研究上，结合现场监测和室内试验，深入分析了干湿循环对膨胀土抗剪强度、膨胀力等力学指标的影响，以及裂隙的动态演化过程。

然而，当前研究仍存在一些不足。在尺寸效应研究中，对于不同地区膨胀土尺寸效应的普适性规律研究较少，且缺乏考虑多因素耦合作用下的尺寸效应分析。在干湿循环特性研究方面，虽然对裂隙演化规律有了一定认识，但对于干湿循环与其他环境因素（如温度、化学侵蚀等）共同作用下的膨胀土干缩开裂演变特征研究还不够深入。此外，现有研究中理论模型与实际工程的结合还不够紧密，在实际工程应用中存在一定局限性。

1.3研究内容与方法

本研究主要内容包括：首先，开展室内试验，制备不同尺寸的膨胀土试样，通过控制干燥条件，研究干缩开裂的尺寸效应，分析不同尺寸试样的干缩应变、开裂形态、裂缝宽度和长度等参数的变化规律。其次，针对不同尺寸的膨胀土试样，进行干湿循环试验，模拟自然环境中的干湿交替过程，探究干湿循环条件下干缩开裂的演变特征，包括裂隙的扩展、连通以及新裂隙的产生情况，分析干湿循环次数、循环周期等因素对干缩开裂演变的影响。再者，结合试验结果，建立考虑尺寸效应和干湿循环影响的膨胀土干缩开裂理论模型，通过理论分析，揭示干缩开裂的力学机制和演变机理。

研究方法上，采用室内试验与数值模拟、理论分析相结合的方式。室内试验方面，利用温控烘箱、恒温恒湿箱等设备模拟干燥和湿润环境，进行膨胀土的干缩试验和干湿循环试验。借助数字图像采集设备，记录膨胀土在干缩和干湿循环过程中的裂缝发展情况，运用图像处理软件对裂缝参数进行测量和分析。数值模拟方面，运用有限元软件，建立膨胀土的数值模型，考虑土体的非线性本构关系、水分迁移和应力应变耦合作用，模拟干缩开裂的过程，验证试验结果，并对复杂工况下的干缩开裂现象进行预测。理论分析方面，基于土力学、材料力学等相关理论