引言
渗流广泛存在于天然和人为成因的岩土材料中，是地质和工程领域结构演化和破坏的关键驱动因素。在边坡系统中，渗流控制降雨入渗、地下水迁移和库水位波动，并被认为是导致失稳的主要外部触发因素（Iverson, 2000; Paronuzzi and Bolla, 2023; Zhu et al., 2024）。在中国南方丘陵地区和西部山区，短时强降雨可在数小时内引发数千起滑坡，例如2024年湖南省资兴市的暴雨在短短三天内触发了近19000次地质灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失（Fu et al., 2025）。在三峡水库等大型水利工程环境中，水位的周期性波动持续重塑地下渗流场，放大了水力学–力学响应。自2003年蓄水以来，水库区域已识别出超过5000次滑坡，其中大多数集中在水位波动带内（Huang et al., 2020; Zhang et al., 2022a）。综合这些观察可知，渗流虽然无处不在，但可驱动岩土材料的渐进退化并最终导致灾难性破坏，对人类安全和重大基础设施构成持续威胁。因此，阐明渗流如何与岩土材料相互作用并驱动其水力学–力学演化，对于增强灾害韧性和保障工程系统长期稳定性至关重要。
过去数十年间，大量研究致力于水土相互作用，可大致分为静水效应和渗流效应。静水视角强调孔隙水压力、吸力变化以及化学–生物–力学过程对土体结构和强度的影响。具体而言，孔隙水压力改变有效应力路径并控制剪胀或剪缩行为（Iverson, 2005; Lehmann and Or, 2012），而化学–生物过程则涉及矿物溶解–沉淀、胶结物的破坏与重构以及生物膜对孔隙连通性的调控（Volk et al., 2016）。在三轴、直接剪切和环剪等试验中，通过控制含水量（Thaw et al., 2025）、饱和度（Yang and Vanapalli, 2024; Cueva et al., 2025）以及干湿循环（Xue et al., 2022; Wu et al., 2023）的变化，揭示了静水因素如何共同控制结构退化、强度衰减和残余变形。
相比之下，通过孔隙网络的渗流可以动员和重新分布土壤颗粒，导致土体结构在空间上不均匀、时间上依赖的变化。核心机制包括细颗粒的选择性迁移（内部侵蚀）（Johnston et al., 2024）、间歇性的堵塞–疏通转换（Yin et al., 2024）以及颗粒骨架的渐进重排（Deng et al., 2023）。然而，表征渗流引起的孔隙结构变化仍然具有技术挑战性，因为内部结构在不扰动样品的情况下难以观测。此外，以往大多数研究在理想化的、均匀的或各向同性的颗粒体系中进行，其中孔隙连通性被有意保持空间均匀且不存在大的预存缺陷。这类构型倾向于促进缩窄处的局部堵塞，而抑制大规模结构重组。尽管这些研究提供了有价值的过程级认识，但优势流动通道和空间非均质性的影响仍知之甚少（Zhou et al., 2024）。然而，天然土壤本身具有非均质性，包含由广泛的地质和环境过程产生的遗传性多样化薄弱区和优势流动通道。例如分层和粒径变化（Zhao et al., 2013）、干缩和剪切裂缝（Cordero et al., 2021; Zeng et al., 2021），以及通过生物活动（Holbak et al., 2021; Pinos et al., 2023）或沉积再动员（Wang et al., 2020; Napoli et al., 2022; Jiang et al., 2023）形成的宏孔隙或大块–细粒复合结构。这些非均质结构既是流体和颗粒输运的通道，也是内部弱化的起始点（Chen et al., 2019）。在持续渗流作用下，局部流动集中可诱发颗粒迁移和水力集中，导致孔隙渐进扩展、骨架松动和最终的整体失稳——这一过程体现了从局部通道化到系统尺度退化的转变（Benaissa et al., 2012; Li et al., 2024）。这一机制在天然和工程环境中广泛观察到，包括堤坝和水库的管道破坏（Foster et al., 2000; Liang et al., 2017）、尾矿坝的渗流诱发塌陷（Lyu et al., 2019; Wang et al., 2021），以及库岸或碎屑边坡的失稳（Crosta and Di Prisco, 1999; Lei et al., 2025）。这些现象表明，通道化颗粒土代表了一种关键的材料构型，可用于探究渗流、结构和强度耦合演化的问题。
近年来，实验技术、成像（Yin et al., 2024）和数值建模（Nguyen and Indraratna, 2022; Xiong et al., 2022; Zhang et al., 2022b）的进展为渗流引起的侵蚀及相关结构转变提供了新的认识。实验室可视化系统已识别出残积土中流速依赖的内部侵蚀（Wan et al., 2025），并显示循环荷载可诱发内部失稳和颗粒流失（Dai et al., 2023）。X射线CT成像定量了侵蚀过程中宏孔隙网络的演化（Huang et al., 2023），而在原位三轴CT试验中则捕捉到了非均匀级配土中过渡性内部侵蚀和应变局部化（Xia et al., 2025）。在建模方面，耦合渗流–侵蚀框架（Deng et al., 2025）和多物理场SPH方法（Ma et al., 2024）成功再现了侵蚀通道的形成及相关结构破坏，阐明了流动动力学与颗粒重排之间的反馈关系。这些研究共同推进了我们对颗粒迁移、孔隙空间重组、水力演化和渗后力学响应方面的理解。然而，这些方面大多被孤立考察，其机制联系尚未解决。成像可以揭示局部孔隙空间重组，但破坏性强度试验使得将观测到的结构与力学响应直接关联变得困难。数值模型可以模拟通道发展和流动重新分布，但往往对渗后孔隙结构的约束较弱。因此，渗流驱动的孔隙重组如何塑造水力演化和渗后力学响应仍不清楚。
本研究建立了一个集成的渗流–CT–直接剪切试验系统，以研究通道化颗粒土中渗流驱动的孔隙空间重组及其对水力传导率演化和渗后力学响应的影响。通过将CT结构观测与水力学和颗粒流失测量相结合，我们表征了水力梯度间颗粒迁移与局部变形之间平衡的转换。我们确定了这种平衡转换如何将优势通道和周围基质重新组织为空间非均质的结构域。我们进一步将这些结构域与水力传导率的时间演化联系起来，并使用时变参数模型来描述相应的演化轨迹。最后，我们评估了梯度依赖的尺寸选择性颗粒侵蚀如何改变渗后力学响应，如初始剪切模量、粘聚力和内摩擦角所反映的。本工作为解释局部渗流退化和对渗流敏感的工程地质系统进行水力学–力学评估提供了物理基础。
