膨胀土龟裂的形成机理及其对工程性质的影响研究

膨胀土是一种典型的裂隙性土，在干燥环境中很容易产生龟裂，从而对土体的工程性质产生重要影响，并导致各种工程问题。然而，看似简单的龟裂现象却具有非常复杂的发生发展过程，其形成机理和内在本质一直是国内外学者面临的难题，成为解决工程中膨胀土龟裂问题的主要障碍。本项目立足于膨胀土龟裂形成过程的动态特征，采用试验与理论分析相结合的方法，分别从土力学、土质学和土结构的角度对膨胀土龟裂的形成机理及其对工程性质的影响开展系统性研究。具体内容包括：膨胀土的水理性质及水分蒸发速率对龟裂形成和演化过程的控制作用；膨胀土龟裂形成过程中关键力学参数的发展规律；膨胀土宏观龟裂现象与微观结构特征的内在联系；龟裂对膨胀土工程性质的影响及定量评价。该项目的开展为帮助人们从科学上进一步掌握膨胀土龟裂的本质规律提供理论基础，对工程中膨胀土材料的合理利用、避免和防治膨胀土龟裂引起的工程问题具有重要指导意义。

本项目围绕膨胀土龟裂发育过程及机理开展了系统的研究工作，结合裂隙网络量化方法和统计学理论，对裂隙性膨胀土工程性质的劣化规律进行了量化分析，在此基础上，进一步探索了膨胀土龟裂抑制技术方法及抑制机理。主要学术成绩有以下四个方面：. 1、揭示了膨胀土龟裂发育过程的一般规律及机理：通过开展大量试验，发现膨胀土龟裂发育过程主要有三个阶段，即主裂隙发育阶段、子裂隙发育阶段和稳定阶段，且新生裂隙总是垂直已有裂隙发育，裂隙夹角一般以90度为主，裂隙围成的区块以四边形居多；研制了一套高精度土体抗拉强度测试装置，同时获得了膨胀土干燥过程中吸力和抗拉强度两个关键力学参数随含水率的变化规律，确定了裂隙出现时对应的临界力学指标，构建了膨胀土龟裂力学模型，进而结合土质学和土结构理论，揭示了膨胀土龟裂的形成机理。. 2、初步建立了膨胀土龟裂定量分析体系：设计和研制了一整套膨胀土龟裂模型试验系统，自主开发了国内外首套龟裂图像定量分析系统CIAS，实现了土体内部裂隙发育过程的三维无损动态观测，提出了基于统计学理论的龟裂定量分析方法，分别从试验设备到专业软件、从试验方法到分析手段、从量度指标到评价模型等方面建立了膨胀土龟裂定量分析体系。. 3、系统研究了膨胀土龟裂的主要影响因素：通过开展大量试验，对影响膨胀土龟裂形成和发展过程的环境条件、土质条件和试验方法等主要因素开展了系统研究，从水分蒸发速率和应力发展速率的角度阐明了温度和相对湿度对龟裂发育过程的影响机理，揭示了膨胀土在不同干湿阶段裂隙的发育过程和形态特征，掌握了土质学因素对膨胀土龟裂发育的主导作用，并证实了膨胀土龟裂的尺寸效应。. 4、阐明了膨胀土龟裂发育与蒸发、收缩之间的关联：确定了裂隙出现时对应的蒸发阶段及其在各蒸发阶段的发育特征，得出大部分裂隙都在饱和阶段形成的重要结论，弄清了蒸发特征曲线与开裂特征曲线的共性特点及关键临界点的物理意义，建立了土体横向收缩应变与表面裂隙率之间的定量关系，弄清了收缩特征曲线与开裂特征曲线的共性特点及关键临界点的物理意义。. 上述成果从科学上揭示了自然界土体干缩开裂的本质规律，对干旱气候作用下膨胀土地区工程防灾减灾有重要现实意义。通过该项目研究，共发表学术论文40余篇，其中SCI、EI收录论文30余篇，申请发明专利5项。