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水 利 学 报

２０２５ 年 １ 月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６ 卷 第 １ 期

文章编号： ０５５９－９３５０（２０２５）０１－００４２－１４

土壤干缩开裂和卷曲分析的数值模型与若干进展Ⅰ：

基本方程与网格类数值方法

章 青， 刘攀勇， 顾 鑫， 乔延赫

（河海大学 力学与工程科学学院， 江苏 南京 ２１１１００）

摘要： 随着全球气候环境的变化和极端干燥天气的多发， 土壤干缩开裂和卷曲问题愈加受到关注。 土壤干缩裂缝
和卷曲的产生破坏了土体结构的完整性， 容易引起各种潜在的自然灾害。 土壤干缩开裂和卷曲问题极为复杂， 涉
及水分蒸发、 土体收缩、 裂纹演化、 空气侵入以及土层卷曲等过程， 耦合了热－水－力－化等多物理场的相互作
用。 发展土壤干缩开裂和卷曲分析的数值模型和高效算法， 再现蒸发条件下土壤的水分演化、 体积收缩、 裂纹扩
展和土层卷曲的全过程， 仍然面临着复杂的科学挑战。 本文重点论述了土壤水分蒸发过程中水分演化、 体积收
缩、 裂纹萌生和土层卷曲的力学机制， 分析了致使土壤干缩开裂和卷曲的主要影响因素， 给出了土壤开裂和卷曲
分析的基本方程， 评述了网格类数值方法在土壤干缩开裂和卷曲分析领域的发展与应用情况。 分析表明， 常规的
网格类数值方法受到变形连续性假定和网格的约束， 难以解决多裂纹和三维复杂裂纹的扩展问题。 无网格粒子类
方法直接在离散点集上构造插值基函数， 在捕捉复杂土体的开裂和卷曲行为上具有很大的潜力。
关键词： 土壤干缩开裂； 土层卷曲； 多物理场耦合作用； 力学机制； 网格类数值模型
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ３ １ ｄｏｉ： １０．１３２４３∕ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０２９２
文献标识码： Ａ
１ 研究背景

随着全球环境气候的变化， 极端干旱灾害增多增强 ［１－４］ 。 在干旱或半干旱的气候环境下， 近地表
土壤中的水分持续散失， 易造成土壤收缩开裂和土层卷曲现象 ［５］ ， 如图 １ 所示。
土壤干缩裂缝和卷曲的产生破坏了土体结构的完整性， 由此带来各种不利影响甚至诱发地质灾
害。 在农田水利领域， 土壤开裂进一步加速土壤水分的散失， 并改变雨水渗透路径， 大量雨水直接深
入土壤耕作层之下， 植被和农作物根系难以获得足够水分； 此外， 土壤结构的改变使有机质和养分沿
裂缝被水带走， 导致土壤肥力下降和保水功能退化。 在水利工程领域， 堤坝中土壤产生的收缩裂缝不
仅破坏了结构的整体性， 也会加剧其渗透性， 诱发堤坝出现管涌、 崩岸和失稳等破坏； 河床上土壤的
收缩裂缝将加剧河流侵蚀和河道的不稳定性， 威胁水工建筑物的安全。 在环境工程领域， 土壤的收缩
开裂易导致污染物或核废料泄露， 产生环境安全隐患。 对于交通工程， 土壤的收缩开裂会引导地表水
的径流侵入公路地下土层， 影响地基的稳定性， 致使路面发生不均匀沉降和变形， 加速路面结构的不

稳定性和损坏。 对于土质边坡和山地， 土壤的收缩开裂还可能诱发滑坡、 泥石流等各类地质灾害。
土壤的卷曲是伴随着开裂出现的一种自然现象， 通常发生在土层的裂缝边缘。 卷曲使裂缝处的土
壤向外翻起， 扩大了裂缝与空气的接触面积， 加剧土壤水分的散失； 另一方面， 卷曲进一步增大了裂
缝宽度， 为水分迁移提供更为便捷的通道， 也加大了地表径流和降雨入渗强度； 此外， 过于卷曲的土
壤， 也增大了地表的粗糙度， 使土壤更易风化。 一般来说， 土壤的开裂和卷曲是相伴相随的， 忽略开
裂过程的卷曲现象会低估土壤开裂带来的危害性。

收稿日期： ２０２４－０５－１６
基金项目： 国家自然科学基金项目（１２４７２２００， １２１７２１２１， １２００２１１８）； 湖南省水利科技项目（ＸＳＫＪ２０２３０５９－１６）
作者简介： 章青（１９６３－）， 教授， 主要从事工程结构灾变破坏力学与防灾减灾研究。 Ｅ－ｍａｉｌ： ｌｘｚｈａｎｇｑｉｎｇ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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