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图 ２ 土壤中的毛细管道、 弯液面和表面张力作用

对于初始水分含量较高的饱和土， 在蒸发的早期阶段， 水分的蒸发速率恒定， 土壤的体积收缩主
要源于孔隙中水分的减少， 孔隙水压力也随之降低 ［１０］ 。 随着水分的持续散失， 孔隙水压力不断下降，
直至小于孔隙气压力， 在孔隙中形成负压， 孔隙气压力与孔隙水压力的差值称为基质吸力。 当基质吸
力大于土体进气吸力值时， 空气便会进入土体， 土体进入非饱和状态。 大量的试验结果表明， 土壤收
缩裂纹的萌生以及土层向上卷曲的行为主要发生在接近进气吸力值的饱和土阶段 ［１１］ 。 土体进入非饱和
状态后， 水分蒸发速率不断下降直到为零 ［１２］ ， 土壤收缩裂纹得到进一步发展 ［１３－１４］ ， 同时向上卷曲行
为逐渐消失， 甚至发展成向下卷曲 ［９，１５］ 。 当水分值减小到残余含水量时， 土壤的水分蒸发停止， 土体
不再收缩， 裂纹和卷曲形态趋于稳定 ［１６］ 。
基质吸力是引起土壤收缩开裂和卷曲的关键指标， Ｂｉｓｈｏｐ 等 ［１７］ 将基质吸力作为非饱和土的重要参
数引入到有效应力中， 构建了非饱和土颗粒间的有效应力方程。 基质吸力与土颗粒的性质和水分含量
密切相关， 决定了土壤的保水能力和透水性。 由基质吸力与水分的变化规律构成了土力学中的土水特
征曲线（Ｓｏｉｌ Ｗａｔｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｃｕｒｖｅ， ＳＷＣＣ）， 通常用于分析由水分变化引起的土体变形规律。 基质
吸力随着水分的减少不断增大， 土颗粒在基质吸力的作用下， 沿垂直方向发生竖直沉降、 水平方向发
生横向收缩。 此时， 土壤表层颗粒间将由于收缩产生拉应力， 当拉应力超限时， 即生成裂缝， 并向纵
深方向发展 ［１８］ 。 而卷曲的形成主要来源于土层上下表面变形收缩的差异， 当土层上表面自由收缩、 下

表面变形受到约束时， 不同的收缩幅度在开裂处产生弯矩， 从而形成卷曲。
裂纹的形成和发育程度受到众多因素的影响， 如土性、 土层厚度、 变温和植被覆盖情况等。 不同
类型土壤所含的砂粒、 粉砂粒和黏粒的比例各不相同， 有机物的成分不尽相同， 表现出不同的土体特
性， 致使裂纹发育的位置、 时间、 扩展速率以及裂纹的模式也都不同 ［１９－２０］ 。 在超过 ３００ 个土体样本的
测试中， Ｋｌｅｐｐｅ 等 ［２１］ 发现黏粒占比的增加促使土体产生更大的收缩变形， 而在砂粒占比超过 ８８％的
土体样本中， 几乎未出现开裂现象。 土层厚度的增加意味水分的迁移路径变长， 使蒸发速率降低， 延
滞裂纹的萌生和发育 ［２２－２３］ ； 此外， 在试验研究中， 土层厚度的改变会引起土体重量的变化， 从而影响
试样底部与容器之间的摩擦力， 摩擦力的增大会增加干缩裂纹的数量， 并且会产生从试样底部向顶部
发展的裂纹 ［２４－２６］ 。 温升能够加速水分的蒸发， 使基质吸力增长更快， 裂纹出现的更早 ［２７］ ； 此外， 变
温对土体参数和孔隙水压都会产生影响， 试验表明 ［２８］ ， 温升越大， 孔隙水压越高， 更易于形成裂纹。
植被覆盖常被认为是增强土体强度、 维持土壤水分的有效措施 ［２９－３０］ ， 但另一方面， 植被的蒸发作用同
样会增大其根部位置的基质吸力， 促使裂纹的生长 ［３１］ 。
土层的卷曲程度也受到许多客观因素的影响， 温度的升高会加剧卷曲程度， 土层厚度的增加会降
低卷曲程度。 对于不同成分的土， Ｔｒａｎ 等 ［１５］ 在试验中观察到德国汉堡市 Ａｌｔｏｎａ 北部的黏土样本能完
整的呈现出两种形态的卷曲， 而高岭土则只能捕捉到向上卷曲的现象。 对于级配不同的土， 土体卷曲
形态表现不同 ［３２］ 。 Ｚｉｅｌｉｎｓｋｉ 等 ［３３］ 发现， 分布在土层表面的细粒土容易向上弯曲， 而分布在土层深处
的细粒土则更容易发生向下弯曲。 在真实环境下， 由于下部土体受到更多的约束作用， 裂缝边缘的黏
土层土皮往往呈现出向上卷曲的现象。

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