《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Shrinkage cracks in expansive soils: Field observations, numerical modelling, and design implications for residential structures
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澳大利亚近30%的表层土壤可归类为膨胀土。建造于此类土壤上的结构物会因湿度变化引起的地面运动而承受额外应力。建于浅层地基上的轻型结构，如住宅基础、管道和道路路面，尤为脆弱。膨胀土中的地面运动通常受土壤-植被-大气（SVA）边界交互作用控制。雨季期间，降水导致含
澳大利亚近30%的表层土壤可归类为膨胀土。建造于此类土壤上的结构物会因湿度变化引起的地面运动而承受额外应力。建于浅层地基上的轻型结构，如住宅基础、管道和道路路面，尤为脆弱。膨胀土中的地面运动通常受土壤-植被-大气（SVA）边界交互作用控制。雨季期间，降水导致含水量增加；旱季期间，则发生蒸发/蒸腾作用。这一水分循环可在特定土壤类型中形成延伸至显著深度的收缩裂缝。此类裂缝很可能影响水分在土壤中的运移，进而影响地面运动。本研究探讨了裂缝对SVA边界交互作用的影响，以及因其存在而导致的岩土工程结构物行为预期变化。研究人员在南澳大利亚阿德莱德附近的一个研究场地跨季节监测了裂缝深度和宽度。研究人员对SVA边界与土壤裂缝的相互作用进行了模拟，以更好地理解其对水分动态的影响。研究在半干旱气候区的假设住宅基础设计中评估了此类变化的影响，强调了在当前设计实践中考虑裂缝等局部土壤特征的重要性。
**膨胀土收缩裂缝研究：现场观测、数值模拟与住宅结构设计意义**
**一、研究背景与意义**
膨胀土具有干燥时收缩、湿润时膨胀的特性，由此引起的体积变化和地面运动对轻型结构物构成显著威胁。膨胀土在全球范围内广泛分布，相关问题在各有人居住的大陆均有发生。仅在美国，膨胀土相关结构物损坏的修复费用约为自然灾害总损失的两倍，年损失超过150亿美元，全球范围内损失更为巨大。澳大利亚近30%的表层土壤可归类为膨胀土，约80%的年度住房保险索赔归因于膨胀土运动造成的损害。南澳大利亚州结合了膨胀土与半干旱气候的双重不利条件，与干缩湿胀相关的房屋损坏成本已超过15亿澳元，且预计未来将进一步恶化。
在一年中的干旱时期，膨胀土表面常出现收缩裂缝，形成多边形块状结构，这是膨胀土的关键识别特征。这些裂缝可能成为水分优先流动通道，影响边坡、道路、土坝、沟渠和地下管线等岩土结构物的性能。例如，通过收缩裂缝的入渗可降低基质吸力，触发路堤失稳；水分通过干缩裂缝进入稳定化路面层内部及其下方，可导致上层路面显著隆起。裂缝几何形态受土壤矿物学组成、当地气候、土壤含水量以及土壤-植被-大气（SVA）相互作用等多重因素控制。
气候变化使包括南澳大利亚在内的世界许多地区趋于干旱化。预计至2050年和2090年，南澳大利亚气温将分别升高0.81°C–1.95°C和0.84°C–4.22°C，降雨量分别减少2%–10%和4%–16%。这将加剧土壤体内的水分亏缺，增加近地表土壤的干缩程度，可能导致裂缝体积和深度增加。南澳大利亚大部分表层土壤具有高度至极高反应性，高膨胀性土壤与当地干燥气候的组合构成了收缩裂缝发育的有利条件。
然而，尽管裂缝对岩土结构物行为具有潜在显著影响，但其对水分动态和地面运动的影响机制仍缺乏充分理解。既有研究多在实验室条件下开展，难以真实反映现场复杂条件。因此，开展针对现场条件下收缩裂缝的系统研究，量化其对吸力剖面和水分动态的影响，对于改进膨胀土地区轻型结构物的设计实践具有重要的工程意义。
**二、主要技术方法**
本研究采用现场监测与数值模拟相结合的方法。研究场地设在阿德莱德中央商务区以南约7.5公里处的一个自然保护区内，面积近4000平方米。场内土壤以黑土（BE）、红棕土（RB）和灰棕斑驳橙/黄黏土（GBMOC）为主。现场布置了8个土壤含水量测量孔（用于中子水分仪（NMM）测量）和64个地面运动变形垫板，自2019年起持续监测。研究人员采用摄影测量法计算开裂度，以钢丝探针测量裂缝宽度和深度。数值模拟方面，利用有限元程序Seep/W开展瞬态耦合流体-热分析，采用Fredlund和Xing（1994）函数拟合实验室数据生成土水特征曲线（SWCC），通过Penman-Wilson方法计算实际垂直蒸散发量，并利用长期气象数据（1973–2022年）驱动模型。模型经现场实测数据验证后，扩展应用于参数研究和基础设计评估。
**三、研究结果**
**（一）现场裂缝监测结果**
裂缝观测和监测持续了一年多时间。研究期间记录到裂缝最大深度为1000毫米，最大宽度为40毫米。场地南侧裂缝较少且规模较小，北侧裂缝更为发育。部分区域（AH-D至AH-H周围）全年可见裂缝，但宽度和深度随时间变化。裂缝在旱季出现并伴随地面沉降，雨季则闭合且土体膨胀。某些裂缝于春季开始缩小，至夏季完全消失，同时在新的位置形成新的裂缝网络。裂缝深度在3–4月达到峰值，8–10月最小。场地内裂缝形成平均间距约330毫米的多边形网络。最显著的裂缝出现在场地东北象限。通过灌注石膏试验证实了裂缝网络的相互连通性，在开挖中观察到石膏痕迹延伸至1米深度。开裂度从场地南侧向北侧递增，Zone 1（1.7%）最低，Zone 5（4.2%）最高，相差约2.5倍。开裂度与土壤加权反应性（以收缩-膨胀指数表征）呈非线性正相关关系。研究者将这一趋势归因于土壤矿物学差异：黑土以高反应性的伊利石和蒙脱石为主，而红棕土以低反应性的高岭石为主。
**（二）数值模型验证与吸力剖面分析**
利用AH-G和AH-B处实测含水量数据对数值模型进行了验证。模拟结果在四个观测日期和整个监测期内均与实测值吻合较好，表明该数值模拟技术能够以合理精度捕捉裂缝和未裂缝区域的SVA边界交互作用。模型扩展至50年气象数据后，未裂缝条件下的吸力变化深度（Hs）估计为3.8米，与澳大利亚现行标准AS 2870（2011）中阿德莱德地区推荐的4米值接近。当模型中引入不同尺寸的裂缝后，Hs显著增加：小裂缝（宽0.02米、深0.2米）使Hs增大至5.5米，大裂缝（宽0.04米、深1米）使Hs增大至7米。裂缝条件下最湿与最干含水量剖面之间的差异较未裂缝条件增大，吸力剖面整体向湿润侧偏移。Hs与裂缝横截面积呈非线性幂函数关系。参数分析表明，Hs对裂缝深度的敏感性远高于裂缝宽度。Hs随裂缝深度线性增加，而裂缝宽度从20毫米增至30毫米时Hs略有增大，进一步增大宽度对Hs影响不大。裂缝几何形态的理想化（线性楔形）与非线性和不规则形状模拟结果几乎一致，表明线性简化对模拟结果影响不显著。
**（三）基础设计影响评估**
以典型住宅建筑的加劲筏板基础（15米×12米）为假设对象，利用CORD v8软件进行设计。未裂缝条件下的基础梁深度为300毫米，配筋为梁顶和梁底各2根12毫米钢筋。当考虑裂缝条件时，所需梁深和配筋量均显著增加：对于小裂缝条件（Hs=5.5米），所需梁深增至550毫米，底部配筋增至5根12毫米钢筋；中等裂缝条件（Hs=6.2米）所需梁深增至640毫米；大裂缝条件（Hs=7米）所需梁深增至720毫米，底部配筋增至6根12毫米钢筋。结果表明，在未考虑裂缝的场地条件下进行的轻型结构安全设计，在裂缝存在时可能不安全。
**四、结论**
本研究通过现场监测、数值模拟和设计实例，系统揭示了膨胀土收缩裂缝对水分动态和岩土结构物行为的显著影响。主要结论如下：场地裂缝深度范围为150–1000毫米，宽度范围为5–40毫米，最大裂缝出现在东北象限；开裂强度由南向北递增，树冠覆盖线处无显著裂缝；裂缝发育和闭合与土壤反应性密切相关，高反应性表层土区域裂缝更发育；部分裂缝全年存在，可能对邻近结构物造成持续应力并形成优先水分流动通道；未裂缝条件下Hs为3.8米，与标准推荐值一致，而裂缝条件下Hs增加至5.5–7米，增幅达1.7–3.2米；Hs对裂缝深度的敏感性远高于宽度；基础设计实例表明，忽略裂缝的存在可能导致轻型结构物在膨胀土场地上的设计不安全。该研究强调了在膨胀土场地轻型结构物设计中考虑收缩裂缝的必要性，对提升岩土结构物在全寿命周期内的耐久性和适用性具有重要意义。
