北京交大吸力-应力耦合下非饱和红层泥岩蠕变与微观结构演化论文

北京交通大学教育部城市地下工程重点实验室课题组2026年初在岩土工程学术期刊《Engineering Geology》发表了题为“Creep behavior and microstructural evolution of unsaturated red-bed mudstone under coupled matric suction-stress effects基质吸力-应力耦合作用下非饱和红层泥岩的蠕变行为与微观结构演化”（渗流压力作用下红砂岩渐进破坏过程及渗透特性的试验研究）的学术论文。

本研究利用GDS双室非饱和三轴仪，对红层泥岩开展不同基质吸力（100/200/300 kPa）下的多级蠕变试验，建立吸力-应力耦合控制下的蠕变变形与微观结构演化关联模型，系统揭示基质吸力对岩石蠕变特性、孔隙结构及刚度退化的耦合控制机制，证实蠕变应变随基质吸力增大而显著降低且变形机制由压缩主导向剪切主导转变、孔隙结构随吸力升高呈现细化与均一化趋势、蠕变刚度退化速率随吸力增大而减缓，为地下工程渗流-应力耦合作用下非饱和红层泥岩长期稳定性评价提供直接依据。

https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2026.108558

*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

以下是对这项成果的简要介绍：

论文摘要

红层泥岩是中国西部广泛分布的沉积填筑材料，具有显著的湿敏性，在非饱和条件下易发生长期蠕变变形。为阐明其时间依赖性力学行为及微观结构控制机制，本研究采用GDS双室非饱和三轴仪，在100、200和300 kPa控制基质吸力条件下开展了一系列多级蠕变试验。通过扫描电镜（SEM）和压汞法（MIP）系统研究了蠕变前后的微观结构演化。

结果表明，红层泥岩在基质吸力-应力耦合作用下表现出强烈的非线性时间依赖性变形特征。在高蠕变荷载水平下，增大基质吸力显著抑制孔隙压密和压缩变形，导致蠕变机制由压缩主导向剪切主导逐渐转变。基质吸力主要通过增强结构稳定性来抑制蠕变变形，而较高应力水平则会加剧结构重排和压密。微观结构分析进一步揭示，增大吸力可降低孔隙连通性，促进片状矿物间的面-面接触，从而有效减缓蠕变速率。此外，基质吸力对蠕变刚度的调控效应表现出明显的应力水平依赖性，且蠕变刚度呈现特征性的时间依赖性软化行为。

这些发现为深入理解非饱和红层泥岩的长期蠕变变形机制提供了新见解，并为复杂地质条件下高填车站场路基的长期稳定性评价提供了有价值的参考信息。

试验设备

本研究使用了GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT。

相关图表

*图表为论文截图，版权归论文原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

Fig. 5: GDS双室非饱和三轴蠕变试验系统

Fig. 8: 不同基质吸力条件下三轴蠕变试验中使用的多阶段偏应力加载方案

Fig. 9: 基质吸力对不同蠕变载荷水平下时间-轴向应变曲线的影响：（a）q 0.2SL，q 0.4SL；（b）q 0.6SL，q 0.8SL

Fig. 10: 基质吸力对不同蠕变载荷水平下时间-体积应变曲线的影响：（a）q 0.2SL，q 0.4SL；（b）q 0.6SL，q 0.8SL

Fig. 12: 基质吸力对不同偏应力水平下轴向应变和体积应变等应变曲线的影响：（a）轴向应变曲线；（b）体积应变曲线

Fig. 14: 不同蠕变载荷水平下红层泥岩的轴向应变-体积应变关系：（a）q 0.2SL，q 0.4SL；（b）q 0.6SL，q 0.8SL

Fig. 19: 红层泥岩的汞侵入和挤出曲线：（a）松散状态；（b）固结后

Fig. 24: 基质吸力对不同轴向应力加载水平下时间-蠕变刚度关系的影响：（a）q 0.2SL，q 0.4SL；（b）q 0.6SL，q 0.8SL

研究结论

（1）蠕变变形受基质吸力与应力水平协同控制

相同加载水平下，吸力越低轴向蠕变应变与变形速率越大。吸力由100 kPa增至300 kPa，轴向应变降低约74%，体应变减少约67%，吸力通过增强结构稳定性抑制蠕变变形。

（2）变形机制随吸力由压缩主导向剪切主导转变

体应变贡献随吸力升高而降低（κ由0.337降至0.196）。低吸力+高应力下易出现孔隙塌陷与压缩主导的结构退化，高吸力条件下体变受抑、蠕变机制转向剪切主导。

（3）孔隙结构发生系统重构，呈现细化与均一化趋势

累计入汞量随吸力升高由0.07 mL/g降至0.06 mL/g，孔径主峰由2–20 μm向0.1–2 μm迁移。吸力增大降低孔隙连通性、增加片状颗粒面—面接触，宏观上减缓蠕变速率。

（4）蠕变刚度具有时间软化特征，吸力调控具应力依赖性

蠕变刚度随时间先快速降低后趋于稳定，高吸力条件下刚度退化更慢、更稳定，且在高应力水平下吸力对维持结构完整性作用更显著。

（5）非饱和红层泥岩呈强非线性时变变形

提高基质吸力可增强结构稳定、抑制蠕变应变累积；提高应力水平会强化颗粒重排与孔隙压密，加速蠕变。上述发现为高填车站场路基长期稳定性评价提供理论依据。

GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT

GDS非饱和土三轴试验系统（UNSAT）是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备*）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。

非饱和测试也可以运用到以下试验类型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三轴试验。

HKUST in B&W cell

非饱和土体变测量方法

• 方法A：通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量孔隙气体积和孔隙水的体积变化。

• 方法B：HKUST内压力室 — 用差压传感器测量内压力室中水的水位变化进而得到试样的总体积变化。

• 方法C：双压力室 — 试样的体变通过GDS压力体积控制器测量流进或流出内压力室的水体积来完成。由于外压力室加压，内压力室壁可视为是无限刚度的。

• 方法D：利用安装于试样上的局部应变传感器直接测量而得到试样的总体变。

GDS非饱和土三轴试验系统可升级局部应变测量和弯曲元测试测试等。