拉尼娜循环频率变化对膨胀土基础设计的影响及气候适应策略研究

推荐：研究人员针对气候变化下拉尼娜事件频率和强度增加对膨胀土水分动态及基础设计的影响展开研究，通过数值模型模拟不同气候情景下的土壤吸力变化，揭示了极端干湿循环会显著改变膨胀土的吸力剖面和基础位移特征，为气候适应性基础设计提供了关键参数。

　　

随着全球气候变化加剧，极端天气事件频发，拉尼娜（La Ni?a）和厄尔尼诺（El Ni?o）循环的异常变化对全球气候模式产生深远影响。在澳大利亚，拉尼娜事件导致降雨量显著增加，而厄尔尼诺则引发干旱。这种气候振荡对膨胀土（expansive soils）的水分动态和工程性质产生重大影响。膨胀土因其独特的吸水膨胀、失水收缩特性，对浅基础（如房屋地基、管道和路面）构成严重威胁。过去几十年中，拉尼娜事件变得更加频繁且持续时间更长，这可能导致膨胀土的长期位移模式发生显著变化，进而影响基础结构的稳定性和耐久性。然而，目前的设计标准（如澳大利亚标准AS2870）尚未充分考虑气候变化对膨胀土行为的影响，尤其是拉尼娜循环频率变化带来的潜在风险。因此，亟需深入研究气候变化下膨胀土的水分-吸力响应机制，为工程实践提供科学依据。

为回答这一问题，Bikash Devkota、Md Rajibul Karim等研究人员开展了一项系统性研究。他们利用数值模拟软件SEEP/W，结合澳大利亚墨尔本西部一个仪器化研究站点的长期监测数据，建立了膨胀土-大气-植被相互作用的耦合模型。研究团队通过模拟不同气候情景（包括当前气候、高排放情景RCP8.5-2090以及极端干湿年份组合）下的土壤水分和吸力变化，评估了拉尼娜循环频率变化对基础设计关键参数（如吸力变化深度H_s和特征地面位移y_s）的影响。

主要技术方法

研究采用有限元软件SEEP/W模拟非饱和膨胀土中的水分运移和吸力变化。模型基于现场实测数据（包括土壤水分特征曲线SWCC、饱和导水率K_sat和气象参数）进行验证，并考虑了植被-大气边界条件（如叶面积指数LAI和根系深度）。通过设置不同干湿年份序列（如10年干旱后接3年湿润，简称10D3W），模拟了极端气候循环对吸力剖面的影响。

研究结果

1. 1.

   气候循环对吸力剖面的影响

   模拟显示，当前气候下吸力变化深度H_s为1.7 m，而极端情景（如4年湿润后接15年干旱，4W15D）下H_s增加94%。吸力变化Δu在基础边缘（Δu_b）和中心（Δu_c）分别达3.3 pF和1.6 pF，且干湿循环顺序显著影响吸力分布的非线性特征。

2. 2.

   基础位移的敏感性

   干湿循环组合导致基础边缘与中心的位移差（A_b-A_c）较当前气候增加23-35%。例如，10年干旱后接4年湿润（10D4W）情景下，特征位移y_s从61 mm增至92 mm，迫使基础梁深度从310 mm增至680 mm以满足承载力需求。

3. 3.

   设计启示

   研究揭示了AS2870标准中固定Δu值（1.2 pF）和线性吸力分布的局限性，提出需根据气候情景调整H_s和吸力剖面设计参数，以避免基础服役性能下降。

结论与意义

该研究首次量化了拉尼娜循环频率变化对膨胀土基础设计的影响，证明极端气候循环会加剧吸力剖面的非均匀性和基础位移风险。通过整合气候预测与岩土工程模型，为制定气候适应性设计标准提供了理论框架。成果发表于《Journal of Environmental Management》，对全球膨胀土地区的基建韧性提升具有重要指导价值。未来研究需进一步纳入裂隙流（crack flow）和三维基础形状的影响，以完善模型精度。