土体在蒸发失水过程中会产生收缩变形及龟裂现象,即在土体中形成干缩裂隙网络。龟裂的发育会极大破坏土体的结构,改变土体的物理力学性质,降低土体的强度,增加土体的渗透性,是许多工程地质和环境地质问题的直接/间接诱因。自然界中的土体受沉积环境的影响,不同土层在厚度及物质成分上往往具有显著差异,其收缩变形行为及龟裂发育过程亦会展现不同的特性。因此,深入研究土体在蒸发过程中的收缩变形特性及力学机理,并分析土体在不同边界条件下的龟裂发育过程,对进一步掌握干旱气候作用下土体工程性质,指导工程地质防灾减灾具有重要意义。本文以南京地区下蜀土和浦口膨胀土为研究对象,在控制温度和相对湿度的条件下开展了干燥试验,探究了相对湿度和土体厚度对土体蒸发特性的影响,测试了土体收缩应力随时间和含水率的变化规律。此外,结合数字图像处理技术,通过对试样进行定时拍照和称量记录,得到了土体裂隙总长度、平均宽度、节点个数、收缩率以及裂隙条数等随时间以及含水率的变化规律。阐述了不同土体厚度和界面粗糙度对土体龟裂特性的影响,并对土体龟裂发育过程的边界效应进行了解释。论文是在导师唐朝生教授的国家优秀青年科学基金(41322019)和国家自然科学基金面上项目(41572246,41772280)的资助下完成的,取得的主要成果如下:(1)土体厚度和环境相对湿度对土体蒸发速率、蒸发阶段所持续的时间以及稳定后残余含水率有重要影响。厚度对土体蒸发特性的影响呈明显的阶段性现象,在常速率阶段对土体蒸发速率无明显影响,但对每一阶段的持续时间有影响,在相同的蒸发时间段内,试样厚度越小,含水率越低,且到达残余蒸发阶段所需的时间越少。在不同相对湿度环境下,土体蒸发过程具有较大的差异。随着相对湿度的减小,土体蒸发速率逐渐增大,处在常速率蒸发阶段的时间越短,并且在蒸发结束后,土体残余含水率也越低。(2)土体收缩过程中能够产生收缩应力,且收缩应力随着时间不断增加,但最终趋于稳定。收缩应力随含水率的减小而增加,在不同的蒸发阶段其变化趋势有一定的差异。在蒸发的前期,土体含水率较高时,土体颗粒间排列松散,颗粒间孔隙充满孔隙水,收缩应力呈缓慢增加趋势。随着蒸发的进行,颗粒间逐渐靠拢,土体收缩应力开始快速增加,并在快速增加阶段,存在临界含水率,当土体含水率低于临界含水率时,颗粒间发生挤压,导致收缩应力急速增加。此外,土体所处环境相对湿度越小,临界含水率ws越低,其蒸发稳定时的最终收缩应力越大。(3)土体龟裂的形成过程受土质条件以及界面接触条件的共同制约,裂隙既可以从表面生成也可以从底面生成。通常情况下,当土体表面存在瑕疵时,裂隙会在表面瑕疵处率先生成,并向下扩展。若土质相对均匀,对于薄层土体而言,裂隙的发育则会受界面摩擦条件的影响,并率先从土体底部生成,向上扩展。从底部向上扩展的裂隙中,根据其产生机理可分为张拉裂隙和剪切裂隙。此外,发现土体收缩时呈现向心收缩,存在明显的收缩核现象。(4)土体龟裂发育过程存在明显的尺寸效应和边界效应。在干燥的过程中,界面粗糙度越大,龟裂发育速度越快;土体厚度越大,龟裂发育速度越慢,且土体整体收缩效应越明显。干燥结束后,界面粗糙度越大,龟裂发育的程度越高,土体厚度越大,龟裂发育程度越低,增加土体厚度可以削弱界面粗糙度对龟裂发育程度的影响,且增加土体厚度或者减小界面粗糙度,都能减小裂隙的产生。裂隙条数、裂隙总长度、节点个数和土块个数随界面粗糙度的增加而增加,随土体厚度的增加而减小。收缩率、土块平均面积和裂隙平均宽度随界面粗糙度的增加而减小,随土体厚度增加而增加。