我中心在含裂隙土体蒸发模型方面取得新进展

我中心在含裂隙土体蒸发模型方面取得新进展

黏性土广泛分布于地球近表面。在干燥时期，水分不断地从黏土表面蒸发到大气中，导致土体水分场和温度场变化。当吸力引起的张拉应力超过土体抗拉强度时，干缩裂隙形成并持续发育。裂隙会破坏土体结构，弱化土体强度，为水分入渗提供优势路径，控制滑坡演化及滑动面位置，对岩土结构的承载性能产生显著的负面影响（图1）。此外，裂隙会增加大气和土体接触界面，加速界面上物质能量交换过程，改变更深层土体的水热性质，从而影响土体力学性质。近年来高速铁路和公路的大规模建设，形成了大量的裸露黏土路堑边坡，厘清蒸发过程中含裂隙边坡的水热响应过程对黏土边坡防治具有重要意义。

图1 裂隙诱导的潜在工程地质问题和自然界中的裂隙

目前，对于大气作用下的原位土体水热响应过程研究手段主要可分为原位监测和数值模拟两大类。常规的原位监测技术由于土表层设备布设困难而难以准确获取表层信息。现有的数值模拟方法大多只能获取含裂隙土体表面的平均蒸发速率，难以动态获取裂隙面各处的蒸发速率及裂隙周围土体水热场演化过程，极大限制了我们对于蒸发过程中含裂隙土体工程性质的了解和评估。针对以上问题，我中心唐朝生课题组基于有限元数值模拟方法，通过模拟蒸发过程中空气域和土体基质域的水热场变化，可动态追踪裂隙界面上蒸发速率的时空演化过程，以及土体水分场的重分布过程，并提出了一个含裂隙土体蒸发模型以研究干燥环境中含裂隙土体蒸发过程（图2）。该研究不仅为我们提供了裂隙影响下土体蒸发过程的新见解，并为研究气候作用下含裂隙土体响应过程提供了新的技术手段。

(a) 界面特征点处蒸发速率随时间变化

(b) 蒸发过程中表层土体水分场重分布

图2 蒸发过程中表面蒸发速率和水分场时空演化

上述研究成果近期以“Numerical analysis of environmental influences on evaporation in a cracked soil slope”为题，发表于地学数值模拟领域著名期刊Computers and Geotechnics。论文工作的创新性得到了杂志主编和审稿专家的高度肯定。我中心博士研究生曾照军为论文第一作者，唐朝生教授和程青副教授为该论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106126