《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Analysis of cracking behaviors of five clayey materials using 3D point cloud data
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为解决干旱诱发土体开裂对岩土工程造成的危害问题，研究人员采用Gocator 3110结构光传感器开展五种黏土材料三维变形研究，通过点云获取与栅格化、Delaunay三角网剖分等技术量化了蒙脱石与高岭土在开裂模式（张开型/剪切型）、裂纹汇合/分岔等行为的差异，发现蒙脱石因其强收缩特性裂纹深度显著大于高岭土。该研究为工程防护与地质灾害防治提供了多维观测新方法。
随着全球气候变化加剧，极端干旱事件频发，持续高温天气导致土壤水分蒸发，引发内部应力各向异性，进而产生干缩开裂。这些裂缝不仅削弱土壤入渗能力、加速边坡侵蚀，更成为塌陷、滑坡等地质灾害的潜在通道，严重威胁生态安全。尽管已有研究通过多尺度方法探讨土体开裂机理，但对裂缝空间分布特征及深度演化机制的认识仍较匮乏。为此，西安交通大学团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》发表论文，采用三维点云技术揭示了不同黏土材料的开裂行为差异。
研究人员通过结构化光扫描与三维点云分析相结合的技术路径，系统量化了裂缝的立体形态演化。关键技术包括：（1）利用Gocator 3110A三维智能双目传感器获取土样表面高程数据，其体积深度误差精度达0.035毫米；（2）通过PCAS（颗粒与裂纹图像分析系统）自动识别二维裂纹网络参数（总长度、平均宽度、裂纹率等）；（3）借助CloudCompare软件进行点云栅格化与Delaunay三角网剖分，重构三维模型并计算裂纹深度；（4）采用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察矿物微观结构。实验选用蒙脱石（MT）、高岭土（KL）及三者混合料（M65、M50、M35）在30°C、20%湿度下进行自由干燥试验，初始含水率设置为液限。
3.1 含水率变化
蒙脱石因2:1型晶体结构（T-O-T）具有强吸水性，初始含水率达139.2%，干燥速率最快（13.7%/h）；高岭土为1:1型结构（T-O），初始含水率仅35.7%，干燥速率约5%/h。混合材料随蒙脱石含量降低，液限与干燥速率均递减。
3.2 二维裂纹参数演化
M65裂纹总长度最长（图10a），平均宽度达2.79毫米（图10b）；蒙脱石含量最高的MT裂纹率最高（21.81%），KL仅2.4%（图10c）。裂纹数量MT＞KL（图10d），混合材料中M65、M50因蒙脱石主导开裂特性且高岭土组分延长裂纹，参数值反超纯蒙脱石。
3.3 三维裂纹深度分析
通过三维重建（图11）发现MT收缩显著，样本高度最大降低1.5毫米（图12a），裂纹深度达2毫米（图13a）；KL仅收缩0.1毫米，最终裂纹深度约0.7毫米（图13b）。蒙脱石的强膨胀性导致更大体积收缩，裂纹向深处发展。
4.1 开裂模式
研究识别出张开型（ tensile stress主导）、滑移型（shear stress主导）与撕裂型（拉-剪复合应力）三种模式（图14）。M50样本中撕裂型裂纹呈现垂直方向0.3毫米至1毫米的位移（图15），体现非均匀应力场空间分布差异。
4.2 裂纹汇合
T型与I型汇合（表2）均受张开模式控制。如M65中裂纹2、3交汇形成T型汇合（图16a），裂纹4、5合并为裂纹6（图16b），交汇点应力集中改变扩展路径。
4.3 裂纹分岔
M35中裂纹7尖端在剪切应力作用下转向分岔（图17-18），表明裂纹扩展方向可逆，形成新路径。
研究结论表明，蒙脱石因层间弱连接、高阳离子交换容量与强吸水性，在干燥中产生非均匀应力场，形成复杂裂纹网络；高岭土凭借刚性堆叠系统与有限吸水性，裂纹发展稳定。三维点云技术为土体开裂多维观测提供低成本、高精度方案，对边坡防护、地质监测具有重要实践价值。
