Page 48 - 2025年第56卷第1期

图 １ 土壤的干缩裂缝和卷曲现象
土壤的开裂和卷曲分析涉及到水分蒸发、 土体收缩和开裂、 空气入侵、 土层卷曲等物理现象。 在
科学层面上， 面临土体的微结构演化、 液－固界面的摩擦和黏附效应、 土体的弹塑性本构关系、 非均
质材料的介质传输、 多物理场耦合作用以及裂纹萌生和演化等难题。 目前， 该问题主要采用试验和数
值模拟方法进行研究。 试验研究是认识土体失水变形规律、 探究干缩裂缝形成机制、 评估致灾影响的
有效手段之一。 小型室内试验成本较低， 试验条件易于控制， 但难以还原真实环境下土壤干缩开裂和
卷曲过程； 大尺度户外试验更加贴近真实情况， 但实现难度极大， 且成本很高。 数值模拟方法因其成

本较低且可重复性， 被广泛用于土体的水分传输、 热传导和变形破坏分析中。
现有的数值模拟方法主要分为两类， 即网格类方法与无网格粒子类方法。 有限元是土壤干缩开裂
和卷曲分析中应用最为广泛的一种网格类方法， 传统有限元方法存在处理开裂等不连续变形问题的局
限性， 常被用来模拟开裂前的土体收缩阶段， 捕捉干燥收缩过程中应力应变的演化过程。 为了能够描

述土壤的干缩开裂行为， 一些改进的有限元方法被提出， 如引入线弹性断裂模型、 引入内聚力单元、
发展扩展有限元和相场方法等。 无网格类方法主要有离散元、 分子动力学、 晶格弹簧模型、 物质点
法、 光滑粒子动力学方法和近场动力学方法等。 相比网格类方法， 无网格类方法更适合大变形和非连
续变形问题的求解， 还可以从不同尺度捕捉土壤开裂的复杂力学行为， 近年来得到了很大发展 ［６］ 。
综上所述， 土壤的干缩开裂和卷曲分析涉及众多工程领域， 由此诱发的多种灾害将会严重威胁人
民财产和生命安全。 深入了解土壤干缩开裂和卷曲的过程， 探明影响干缩裂缝形态和卷曲程度的要
素， 揭示土壤干缩开裂和卷曲的力学机制， 对于预防土壤开裂带来的危害具有重要的科学意义和应用
价值。 为此， 作者拟分为两个篇章分别论述。 第一篇章阐述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， 分析致使土壤干缩开裂和卷曲的主要影响因素， 给出土体干缩
开裂和卷曲分析的基本方程， 并综述网格类数值方法在此领域的主要成果。 第二篇章将具体介绍无网
格粒子类数值方法、 近场动力学方法和各种混合类方法在土体干缩开裂和卷曲分析中的主要研究

成果。

２ 土壤干缩开裂和卷曲的力学机制与主要影响因素

土壤可视为由土颗粒、 水和空气共同组成的固液气三相多孔介质材料， 土壤水分的持续蒸发是引
起土层干缩开裂乃至产生卷曲现象的主要原因 ［７］ 。 当土体表面水分散失时， 土颗粒间的水－气交界面
逐渐形成弯液面（Ｗａｔｅｒ Ｍｅｎｉｓｃｕｓ）， 土壤深处的水分由于毛细作用向土体表面迁移， 并形成维持水分
持续传输的毛细通道（图 ２）。 弯液面的表面张力和大气压力在垂直方向上的合力称为毛细力， 在表面
张力作用下， 连接弯液面的土体颗粒产生位移和收缩变形并相互聚集， 从而对其他部位的土体颗粒产
生张拉应力。 随着水分的不断蒸发， 土颗粒间的张拉应力不断增大， 当拉应力超限时， 便会产生裂
纹 ［８］ 。 与此同时， 弯液面从土体表面向深处侵入， 土体表层的饱和土逐渐转为非饱和土。 在非饱和土
阶段， 弯液面遍布在土体颗粒之间， 水分被空气隔离， 土壤开裂现象进一步加重， 表层土被裂纹分割
成不规则的多边形土块， 出现龟裂现象， 并伴随着土层的卷曲。 试验发现， 土层的卷曲主要有两种形
态： 在裂纹发育阶段， 土层向上卷曲， 呈 ⊂ 型； 在含水量较低的非饱和土中， 土层向下卷曲， 呈
⊂ 型
［９］
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