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唐朝生教授课题组在干旱气候诱导土体开裂研究领域取得新进展

发布者:陆昀乔发布时间:2020-07-02浏览次数:91

土体干缩开裂是一种常见的自然现象。伴随着开裂过程,除了土体内部的孔径分布以及孔隙水的渗流路径发生变化以外,土体的水-力性能(例如:保水能力,承载能力)也会被弱化,从而直接或间接诱发一系列工程地质灾害或者环境地质问题,如滑坡、泥石流、土壤荒漠化等。受全球气候变化的影响,未来干旱气候的发生频率和影响范围有增加趋势,土体的干缩开裂问题可能越发严重。深入掌握裂隙的发育过程及现象背后的机理,对提升工程地质界应对气候变化的能力和指导干旱地区的工程地质防灾减灾具有重要意义。

自然界中的土体在形成过程中存在成层分布特征,不同土层的物理性质往往存在较大的差异,而这种差异会如何影响土体干缩裂隙的发育过程,学界一直未见相关报道。唐朝生教授课题组围绕该课题开展了一系室内模拟试验研究,重点考虑了分层条件下土层间由于收缩特性差异触发的层间摩擦效应以及分层引起不同土层厚度对土体干缩开裂的影响。他们发现,干缩裂隙并非总是从土体表面向下发育,很多情况下都是从土层底部向上发育,这颠覆了学界以往的习惯性认识。并且,从底部向上发育的裂隙很大一部分无法贯穿土体剖面,隐伏于土体内部,并呈现辐射状分布,尤其在界面摩擦较大的情况下,底部的裂隙发育程度甚至可能高于表面,这会导致实际工程中严重低估土体裂隙的发育程度。为了进一步揭示土体干缩裂隙的形成与发育机制,课题组采用高精度数字图像相关技术追踪蒸发诱导的土颗粒运动过程,发现垂直于土层发育的裂隙主要受拉应力控制,而倾斜于土层发育的裂隙在演化过程中受剪切应力的影响,从而对土体干缩裂隙发育机制提出了新的认识。

该研究工作所取得的成果和价值得到了国际同行的高度认可,获得了国际水文学顶级期刊《Water Resources Research》主编和3位审稿人的一致好评:

Editor Evaluations: “I found that the presented experimental results were new and interesting.”; Reviewer #1: “To my knowledge, the incorporation of the soil bottom-generated fracture, and its quantification relative to soil top-generated fracture, is far less studied and is of interest.”; Reviewer #2: “I like the discussion of how soil layer thickness affects crack formation and the analysis presented in Figure 6.”; Reviewer #3: “The paper is very well written and the results would be of interest and original.”

上述研究成果以“Drought-Induced Soil Desiccation Cracking Behavior With Consideration of Basal Friction and Layer Thickness”为题,于20207月在国际水文学顶级期刊《Water Resources Research》上发表,硕士研究生曾浩为第一作者,导师唐朝生教授和程青助理研究员为共同通讯作者,南京大学为第一署名单位。本研究获得国家杰出青年基金(41925012)、国家自然科学基金(41902271, 41572246, 41772280)等联合资助。


论文链接:http://dx.doi.org/10.1029/2019WR026948 

Graphical representation of the effect of basal boundary condition and layer thickness on soil desiccating cracking behavior.



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