《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Effect of crack on soil damage response induced by wetting
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为探究干旱裂缝在降雨后如何诱发浅层滑坡，本研究通过水入渗试验，结合摄影测量与粒子图像测速技术，系统揭示了不同初始尺寸裂缝在湿润过程中周边土壤的损伤演化机制。结果表明，土壤损伤经历膨胀、坍塌、稳定三阶段，且受裂缝初始形态显著调控，深裂缝易形成倒钟形破坏，而宽裂缝则表现出更强抗湿性。该研究为理解旱-雨全过程裂缝发展与土体稳定性提供了关键见解。
想象一下，久旱之后的一场大雨，本应是甘霖，但对于某些山坡地，却可能是一场灾难的序幕。干旱会导致地表土壤开裂，形成纵横交错的裂缝。这些裂缝不仅是土地“干渴”的伤疤，更在降雨时成为雨水快速下渗的“高速公路”，极大地削弱土壤的完整性，常常诱发严重的浅层滑坡。尽管学术界对干旱过程中裂缝如何形成已有很多研究，但对于降雨湿润阶段，裂缝如何演变、其周边的土壤又如何响应并最终导致破坏，这一关键链条却缺乏系统深入的认识。这直接限制了我们准确评估和预测相关地质工程灾害的能力。为此，发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上的一项研究，直面这一核心问题，旨在揭示裂缝在湿润过程中诱导土壤损伤的响应机制。
研究人员开展了一系列巧妙的水入渗试验。他们以广泛分布于中国长江中下游的下蜀土为研究对象，这是一种弱膨胀性粘土。通过人工预制不同宽度和深度的裂缝，制作了七组具有不同初始裂缝形态的土样。试验采用顶部喷水的方式模拟降雨湿润过程。为了精确、非侵入式地捕捉土壤的变形，研究团队运用了两项关键技术：一是摄影测量，通过从多角度拍摄土样表面，利用运动恢复结构与多视图立体匹配算法，构建了高精度的三维地表模型，得以量化裂缝形态和土体体积的演变；二是粒子图像测速，通过分析土样侧面标记颗粒在湿润过程中的位移图像，获取了土壤颗粒运动的速度场和位移场，从而揭示了土体内部的变形过程。
研究结果清晰地描绘了裂缝周边土壤在湿润过程中的损伤响应图景。
湿润诱发的地表土壤变形：通过对比不同湿润阶段的地表轮廓线发现，湿润初期，裂缝两侧土壤首先向内侧膨胀，导致裂缝宽度减小；约在第三个湿润步骤后，裂缝中上部的土壤开始剥落坍塌，并填充裂缝空间；大约七个湿润步骤后，坍塌填充过程减缓。总体而言，裂缝宽度先减后增，裂缝深度在前期变化不大，约三步后因顶部土壤坍塌填充而快速减小，随后趋于稳定。值得注意的是，土壤体积变化随着湿润过程而增加，表明损伤加剧。在裂缝宽度相同的情况下，初始裂缝越深，周边土壤损伤越严重；而在裂缝深度相同的情况下，初始裂缝越宽，周边土壤损伤反而越轻微。
湿润诱发的内部土壤变形：粒子图像测速结果直观展示了土体内部的位移场。湿润前锋的推进与土壤颗粒位移密切相关，位移场中的突变界限即对应湿润锋面。越靠近裂缝的土壤，其位移越大，而底部土壤即使在十个湿润步骤后也未观察到显著位移。对土体上、中、下三个区域的位移矢量分析进一步证实，上层土壤的位移量大于中层和底层，且靠近裂缝表面的上层土壤由于剧烈的坍塌行为，其位移矢量呈现显著的下降趋势。
湿润过程中的裂缝动力学：综合裂缝形态演变和土壤颗粒位移，湿润诱导的损伤响应可明确划分为三个阶段。膨胀阶段：裂缝深度不变，宽度因土壤膨胀而减小，位移矢量指向裂缝内部。坍塌阶段：土壤颗粒开始崩解坍塌，并快速填充裂缝域，裂缝体积显著减小。稳定阶段：裂缝深度不再显著变化，裂缝形态趋于稳定，位移矢量的水平分量因填充物的阻挡而减小。
裂缝形状对湿润诱发土壤损伤响应的影响：研究提出了裂缝纵横比的概念，并发现土壤损伤响应模式与初始裂缝形态密切相关。在给定裂缝宽度时，更深的裂缝由于水分优先下渗和深层土壤软化，易在裂缝区域形成倒钟形破坏模式。而在给定裂缝深度时，更宽的裂缝因其更大的裂缝域体积需要更多土壤填充，且更平缓的裂缝倾角使得土壤坍塌变得不那么剧烈，从而表现出更高的抗湿性。研究识别了两个关键的裂缝纵横比阈值：2/3和1，为评估不同形态裂缝的损伤风险提供了量化参考。
在结论与讨论部分，研究强调了裂缝域与土体基质域在湿润过程中的相互作用。填充在裂缝内的崩解土体颗粒会抑制周边土壤的进一步坍塌，填充量越大，这种“抵抗效应”越强。这揭示了裂缝在湿润过程中并非被动变化，其填充物反过来会影响整个系统的稳定性。
这项研究的重要意义在于，它系统阐明了从干旱裂缝到降雨诱发滑坡这一关键链中，长期被忽视的“湿润损伤”环节的详细机制。通过创新的试验与观测技术，不仅将裂缝周边土壤的损伤过程清晰地划分为三个阶段，还定量揭示了裂缝初始形态对损伤模式的调控规律。所提出的裂缝纵横比阈值，为工程实践中评估含裂缝土体的降雨入渗稳定性和滑坡灾害风险提供了新的理论依据和判别指标。该工作深化了对旱-雨全周期土体裂缝行为与稳定性的理解，对地质灾害防治、边坡工程及生态岩土工程领域具有重要的科学价值和实践指导意义。
