我国多地存在着对气候变化敏感的非饱和膨胀土，膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性等，经常因干湿循环引起地质或工程灾害。土体在宏观上表现的物理力学性状均是其内部微细结构的具体表现，其宏观性质在一定程度上受微观结构的影响。因此定量研究干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙和微观结构形态演化规律是理解和预测膨胀土各种灾害和提出防治措施的基础。本项目以国内典型膨胀土为试验材料，用吸力可控制或量测的压力板、张力计及蒸汽平衡法，同时联合粒子图像测试技术试验平台、扫描电镜仪和压汞仪进行裂隙和微观结构形态特征的试验研究，揭示吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙和微观结构形态演化规律及其定量关系。主要研究成果如下：（1）揭示了吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙演化规律及主要影响因素，并提出了相应的定量描述方法；基于粒子图像测速技术(PIV)，揭示了非饱和膨胀土径向劈裂及其裂隙演化规律；（2）揭示了吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的微观结构形态演化规律及其影响因素，并提出了定量描述的公式；提出了由微观结构特征预测土水特征曲线的方法；提出了预测干湿循环作用多次后土水特征曲线和强度的预测模型；揭示了不同温度条件下膨润土的变形特性及其微观机理；揭示了非饱和膨润土径向劈裂宏观表现及其微观演化规律；（3）基于PIV技术揭示了非饱和土在沉桩过程中桩周土体变形场的变化规律；获得了考虑土体三维强度特性的不排水圆柱孔收缩相似解解析及演变规律。本项目可为膨胀土相关的岩土工程问题提供有用的研究成果。(4)发表学术论文15篇，其中SCI收录6篇，EI收录7篇，核心论文2篇，获授权发明专利7项。以项目研究为依托，毕业硕士研究生3名，相应成果多次参加学术交流，作学术报告2次。获得2018年河南省教育厅科技成果壹等奖1项；获河南省科技进步奖壹等奖和叁等奖各1项。研究成果已在国道310三门峡西至豫陕界段南移新建工程、南水北调中线工程、前坪水库高边坡工程等工程中成功运用，取得了显著的经济、社会和环境效益。
图1 膨润土干化到不同含水率时裂隙的二值化结果
(a) ×500
(b) ×5000
图2 不同吸力状态下膨润土的SEM照片
图3 膨胀土的孔径分布密度曲线
(a) s=3.29MPa
(b) s=149MPa
图 4 不同吸力试样的劈裂破坏裂隙扩展情况及位移矢量场
图5 非饱和土桩周土体的位移场
图 6 考虑K0初始应力修正剑桥模型的屈服面
图7 圆柱孔收缩的示意图
