生态纤维抑制砂质黏土干缩裂缝的机理研究：实验与离散元模拟

针对砂质黏土填方工程中干缩裂缝易引发地质灾害的问题，研究人员通过室内试验和离散元模拟(DEM)，系统研究了黄麻纤维与稻草纤维对裂缝的抑制机理。结果表明：0.6%掺量下两种纤维分别使裂缝率降低30.6%和23.8%，平均裂缝宽度减少66.64%和70.86%，DEM揭示了纤维通过分割土体、增强抗拉强度的双重作用机制，为生态护坡工程提供了理论支撑。

　　

在秦岭-大巴山区的汉中南郑县，人工填筑的砂质黏土边坡常因干缩裂缝引发滑坡、地基不均匀沉降等灾害。这类土壤具有高渗透性、低塑性的特点，在干旱条件下水分快速蒸发导致收缩应力集中，形成宽大裂缝网络。更棘手的是，降雨时裂缝成为水分快速下渗通道，进一步加剧地质灾害风险。传统的水泥加固虽能提升强度，却破坏了生态环境。如何兼顾工程安全与生态友好，成为亟待解决的难题。

陕西理工大学的研究团队独辟蹊径，选取当地农业副产品黄麻纤维和稻草纤维作为改良材料。这些天然纤维不仅成本低廉，其高吸水性和抗拉特性更能适应土体变形。通过控制50°C恒温蒸发条件，团队设计了0.1%-0.6%共13组纤维掺量试验，采用MATLAB二值化图像处理技术定量分析裂缝参数。为揭示微观机制，创新性地建立了考虑纤维-土粒相互作用的DEM模型，通过粒子收缩算法模拟了干缩全过程。

关键技术包括：1) 采用分层浇筑法制备含纤维的砂质黏土试样；2) 高精度电子天平监测水分蒸发动力学；3) 基于图像骨架化的裂缝参数提取技术；4) 通过调整接触粘结模型参数反映基质吸力(ψ)变化；5) 采用平行粘结模型模拟纤维力学行为。所有土样均取自汉中勉县典型砂质黏土，纤维直径分布通过激光扫描确证。

【试验准备】章节显示，黄麻纤维平均直径0.29mm、抗拉强度271MPa，稻草纤维直径0.91mm但强度稍低(226MPa)。试样初始含水率统一设定为70%，通过微型振动仪消除气泡。

【裂缝图像分析】部分揭示：纤维的加入使裂缝形态从"T"、"+"形转变为细密网状。特别值得注意的是，0.6%黄麻纤维组(BM₆)将裂缝分割为规整四边形，而纯土样(AM₀)则形成不规则宽裂缝。二值化处理显示，纤维使裂缝率与平均宽度呈负相关，但裂缝数量反而增加154%-162%，证实纤维通过增加微裂缝数量分散了收缩应力。

【裂缝数据分析】通过时间序列监测发现：纤维使土壤持水时间延长30%。在蒸发48小时后，BM₆组的位移场DEM模拟显示，纤维将土体分割为多个"收缩核心"，使最大位移降低66.7%。公式(5)-(8)建立的基质吸力-弹性模量关系表明，纤维通过提升土体整体抗拉强度(σ_t)抑制裂缝扩展，这与试验中观测到的纤维跨越裂缝承受拉应力现象高度吻合。

【数值模拟】创新点在于：1) 采用粒径放大因子(1.5-14倍)平衡计算效率；2) 引入体积应变修正系数χ反映裂缝面积占比；3) 通过公式ε_v^f=(H_f-H₀)/H₀·(1-χ)关联宏观收缩与微观粒子半径变化。图18生动展示了纤维如何通过"拉压复合作用"机制：跨越裂缝的纤维受拉，而嵌入土块的纤维端部受压，形成三维约束网络。

结论部分强调：1) 两种纤维均显著改善裂缝参数，其中黄麻纤维在0.6%掺量下表现最优；2) DEM模拟首次揭示了纤维通过"应力分散"与"位移约束"双重机制抑制裂缝；3) 建立的ψ-E-σ_t多场耦合模型为类似工程提供设计依据。讨论中指出，未来需研究纤维在干湿循环下的耐久性，以及不同土壤类型(如膨胀土)中的应用效果。该成果发表于《Results in Engineering》，为"以废治灾"的生态工程理念提供了科学范本。