气候变化下La Ni?a事件频率变化对膨胀土地区浅基础设计的影响研究

推荐：本研究针对气候变化背景下La Ni?a事件频率变化对膨胀土地区浅基础性能的影响，通过数值模拟分析了不同干湿年份组合对土壤吸力剖面和地基运动的影响。研究发现，La Ni?a事件与干旱情景的交替会显著改变土壤吸力分布，导致地基设计参数（如Hs和Δu）变化，进而影响浅基础的服务性能。该研究为膨胀土地区气候适应性工程设计提供了重要依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，极端天气事件频发，其中El Ni?o-Southern Oscillation（ENSO）循环对澳大利亚等地区的天气模式影响尤为显著。近年来，La Ni?a事件呈现出频率增加、持续时间延长的趋势，导致澳大利亚多地出现持续强降雨。与此同时，膨胀土（expansive soils）因其独特的吸水膨胀、失水收缩特性，成为轻型浅基础结构（如住宅基础、管道和路面）的主要威胁。历史上，澳大利亚千年干旱（1997-2009年）结束后，La Ni?a事件引发的土壤膨胀曾造成数千栋房屋损坏。然而，当前的设计标准（如澳大利亚标准AS2870）尚未充分考虑气候变化对膨胀土长期行为的影响，尤其是La Ni?a频率变化与干旱交替对土壤吸力（suction）剖面和地基运动的潜在影响。

为解决这一问题，Bikash Devkota等人通过数值模拟方法，系统研究了La Ni?a事件频率变化与不同干旱情景组合对膨胀土吸力分布和浅基础设计的长期影响。研究以澳大利亚西部墨尔本一处高反应性黏土场地为研究对象，利用有限元软件SEEP/W构建了土壤-植被-大气相互作用模型，并基于现场监测数据验证了模型的可靠性。通过模拟不同干湿年份序列（如10年干旱后接3年湿润的“10D3W”情景），分析了吸力变化深度（H_s）、表面吸力变化（Δu）等关键参数的演变规律。

关键技术方法

研究采用SEEP/W软件建立二维有限元模型，模拟覆盖（模拟建筑基础）与未覆盖区域的土壤水分迁移。模型输入包括土壤水力特性（如土壤水特征曲线SWCC和饱和导水率K_sat）、气候数据（降雨、温度、风速等）及植被参数（叶面积指数LAI、根系深度等）。通过Penman-Wilson方程计算实际蒸发量，并采用Fredlund方法估算非饱和导水率K_unsat。模型验证基于2013-2015年现场实测体积含水量数据，最终模拟了当前气候、RCP8.5-2090情景及多种假设干湿循环序列下的吸力剖面。

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H_s为1.7 m，而湿润年接干旱年的“3W10D”情景使H_s增加65%（至2.8 m）。干旱年后接湿润年的“10D4W”情景则导致H_sb（覆盖区边界吸力变化深度）增加27%。这表明气候序列的初始条件（先干旱或先湿润）显著影响吸力响应。

2. 2.

   非均匀吸力分布与地基运动

   覆盖区中心（H_sc）与边界（H_sb）的吸力变化差异加剧。例如，“4W15D”情景下H_sb-H_sc差值达0.5 m，导致覆盖区边缘与中心的差异运动（differential movement）风险升高。表面吸力变化Δu_b在湿润-干旱序列中最高达3.7 pF，远超AS2870默认值1.2 pF。

3. 3.

   设计启示

   以15 m×10 m的筏板基础为例，若忽略气候循环变化（如“10D4W”情景），设计地面特征运动y_s将从61 mm增至92 mm，梁深需从310 mm调整为680 mm，钢筋用量增加150%。

结论与意义

该研究首次量化了La Ni?a频率变化与干旱交替对膨胀土吸力剖面的影响，揭示了气候序列顺序（如先干旱或先湿润）对H_s和Δu的差异化作用。研究强调，现行标准中线性吸力分布假设和固定Δu值可能低估实际运动风险，尤其在极端气候事件频发的未来。成果为修订膨胀土地区基础设施设计规范提供了科学依据，对提升气候韧性（climate resilience）具有重要工程意义。未来研究需进一步纳入土壤裂隙（cracks）的三维效应及更复杂的基础几何形状。

（论文发表于《Journal of Environmental Management》，作者包括Bikash Devkota、Md Rajibul Karim等）