堤坝溃决、滑坡、衡宇道路坍塌，这些灾难可能都与它有关 -

其实过去这些年，我们一直在做的一件事情，就是玩泥巴。

我想大家小时候应该，都有过玩泥巴的经历吧。

那大家有没有意识到，我们在玩泥巴的过程当中，这个泥巴会慢慢变干，慢慢变硬，甚至会出现开裂的现象。

这种泥土开裂的现象，在我们自然界中，可以说是非常常见，几乎是随处可见。

比如说我们现在到楼下去就能看到，我们把这种纵横交错的，由于干燥或者干旱气候引起的土体的开裂，叫做土体的龟裂。

所以过去这些年，我其中的一个研究课题就是关于土地的龟裂的。

土体龟裂的影响

刚才我讲到，土体的龟裂主要是跟干旱气侯有关，而我们国家又是干旱气候非常严重的国家。

为什么呢？

因为我们有60%的国土面积处于干旱或者半干旱地区，尤其是西北地区是常年干旱。

保守地估计，我们国家土体发生龟裂的面积，可能超过100万平方公里。

那大家可能会问一个问题，这么常见的现象，还有什么好研究的呢？对我们有什么意义，或者有什么价值呢？

可能大家能够首先想到的是，它对农业的影响。

因为龟裂产生以后，它会破坏我们农作物的根系，从而导致农作物的减产。

可能我作为一个研究地球科学的，我更关心的是从地学的角度，我们如何来看待这样一个问题。

尤其是在工程当中，它会产生什么样的影响。

大家应该知道，土体是工业当中，或者工程当中一个很重要的建筑材料，我们很多房屋都是由土来建造的。

同时，它也是很多基础设施的地基。

如果说土体出现开裂了，那么它的力学性质会极大地降低，它的渗透性会极大地增加。

因为这些变化，会破坏它的结构，从而导致一系列的工程地质问题和环境地质问题，甚至一些灾害。

比如导致堤坝的溃决，边坡的滑坡，还有一些楼房、道路等大面积基础设施的受损，甚至它还会为一些污染物的快速迁移、扩散提供快捷通道等。

举几个例子。

比如2003年，荷兰境内的第二大防洪堤坝发生溃决。

2016年，江西鄱阳防洪堤坝出现溃决。

还有我国南水北调中线工程，有大面积的膨胀土出现浅层的滑坡和坍塌。

这些问题都有一个共同的原因，就是前期遭遇了严重的干旱，导致土体内出现大面积的龟裂，从而弱化它们的工程性质。

我们也通过一些实地的走访调查发现，即使这些土体表面有植被覆盖，仍然可以发现大量的龟裂，甚至这些裂隙的尺度非常大，一只手都可以伸进去。

大家可以想象一下，当我们的土体结构当中出现这么大的裂隙的时候，它的稳定性会怎么样，会带来什么样灾难性的影响。

尤其是这些年，受全球气候变化的影响，极端干旱气候发生的频率和强度都呈增加的趋势。

在一些局部地区可能会发生百年一遇，甚至几百年一遇的严重的干旱。

可以说，土体的龟裂问题也会越来越突出，哪里有干旱，哪里就会有这样的龟裂问题。

课题研究的过程

我是如何接触到这样一个课题研究的呢？

说起来也挺有意思的。

我大概2003年开始上研究生，有一天我正在实验室做实验，我的导师，他可能在外边跟人家交流，或者参加一个会议回来，了解到了土体龟裂的问题。

他就回来跟我说，小唐，你去做一下实验看看，土体的龟裂到底是四边形还是六边形。

我当时也被这个问题问懵了，四边形还是六边形，这个很常见啊，但是我从来没有去思考过这个问题，也没有认认真真地去观察过这个问题。

所以我想应该很简单，我到实验室来做一下吧。

从此我就走上了玩泥巴的道路，一直玩到现在。

当时我就在实验室找来一个容器，配了些土样，放到房间里面让它干，然后看裂隙到底是什么样的。

当时在这个过程中，在没回答四边形还是六边形之前，我首先发现了一个问题。

从这个图上可以看到，裂隙的中间位置比较密，而在边缘的位置比较稀。

我说不应该啊，我是同样的土体配进去的，同样的条件，为什么会裂隙发育有这样的差异呢。

然后我又重复去做，发现都是这样的问题。

后来通过仔细的观察，仔细的分析，发现是我用的容器有问题。

因为这个容器底部有一点不平，中间有一点隆起，这就会导致我配的土样，虽然表面上平了，但它的厚度实际上是存在差异的。

也就是越薄的地方，它的裂隙发育得是越致密的。

我想不行啊，这个会对我的研究结果认识有影响。

我需要解决的一个问题是，找到一个底面非常平，尤其是四周又是垂直角度一个容器。

这样我配出来土样，它就能够保持非常好的均匀的厚度。

但看起来这是个小小的问题，在当时来说，却给我造成了很大的困扰。

因为我几乎跑遍了很多的超市、卖场甚至路边摊，我想去买一个这样垂直下来的容器，几乎没有。

我所能找到的全部是这种旁边有倒角的，圆弧形角度的容器，比如说盒子、盘子。

但是这种圆弧形角度的地方，也会带来厚度均匀的差异性，所以没办法满足我的要求。

正在我一筹莫展的时候，突然看到一个鱼缸，给我了很大的启示。

大家看一下，这个鱼缸是不是四四方方，底面也很平，垂直下来的，非常漂亮的一个容器。

我就想，我找到一个能够做鱼缸的，帮我来做几个容器不就可以了吗。

从此，我就开始去追寻，看谁能够来做这个东西。

因为那时候信息也不发达，我也没有电话号码，也不知道谁能做这个东西。

所以我骑着自行车，跑遍了南京的大街小巷，去找哪个地方可以加工玻璃，找了很多家，当然也碰到很多鼻子。

为什么呢？

因为人家觉得我的要求太高，要的量又太少，我也付不起钱，人家也没这个时间，没这个精力，人家都做大窗户、大工程，我做一个小东西，看不上。

后来有一个好心的老板，在我的苦苦哀求下，他也觉得我确实可怜，搞科研不容易，所以同意帮我做几个，用玻璃做成这种模具，然后让我来做实验。

这就是我的第一代产品，用做窗户划下来的一些玻璃废料，做成了几个小的模型槽子。

大家看到，这个做出来的结果非常漂亮，裂隙发育得非常均匀。

为了加速干燥的过程，我通常会同时做好几组样，把它放到烘箱里面去干，来模拟干燥的环境。

但是在这个烘箱中干燥的时候，我们又发现了另外一个问题。

比如我同样配置的平行样品，放到烘箱里面去，发现总是有些样品干得很快，有些样品干得很慢，有些样品裂隙发育得很早，有些样品裂隙发育得很晚。

这又造成我的困扰，我做的是平行样，初始条件、温度条件都是一样的，为什么会发生这么大的差别呢？

后来发现原来是烘箱的问题，因为烘箱基本上是单一面热源，靠近电热丝的位置，它的温度会比其他地方高很多，所以导致烘箱里面温度不均匀，它的蒸发速率是不均匀的。

这又是另外摆在我面前，需要我去解决的一个问题。

为了找到一个能够均匀控温，精度很高，又能满足我要求的试验箱，也是费了我很大的劲。

因为我去调研，发现所有控温的设备，基本上都是单面热源，也就是它一个面有热源，其他面都是不锈钢的，这都会带来热不均匀的问题。

买是买不到，所以只能靠自己来设计，自己去找人给我加工，把我的需求告诉加工方，来设计制作仪器设备。

所以我当时为了找到一家能够真正能够达到我要求的，也是到处打电话，到处网上去找信息。

还要到实地去，到厂子里面去调研，看它具不具备这个能力，把我的仪器做出来。

别我钱花了，但是达不到我的要求，我的时间和都搭进去了，这对我的科研会带来很大的阻碍。

所以这是通过一遍一遍地修改图纸，一遍一遍地电话交流，终于我们研制了第一套控温控湿的龟裂模型试验箱。

这里面是五面热源，通过水浴加热，它的温度控制非常稳定，还能够控制相对湿度并且可以实时监测土样表面的龟裂过程。

还可以对土样重量的变化也就是水分的变化进行监测。

所以这是第一代产品，费了很多时间，但是很遗憾的是，后来我在研究生期间用这个模型箱来做实验的时候，由于他的疏忽，或者是没有小心去好好地维护，结果把整个仪器都给烧掉了，欲哭无泪。

土体龟裂实验系统

经过很多年的积累，慢慢地发展，我们现在用的这个设备，或者开发的这个研究方法，已经越来越先进了。

现在给大家展示的，是我们自行研制的，目前是国际上尺度最大的，基于人工气候箱的土体龟裂模型实验系统。

它不仅仅尺度最大，而且它的功能也是目前我们所知道最强大的。

它里面含有100多个传感器，有5个控制系统，可以分别控制大气的一些参数，可以全面地监测土体各种参数的变化，还可以模拟地下水位的变化等。

我光标定这100多个传感器，就花了差不多大半年的时间，然后我把这个模箱再组装起来，又花了大半年时间，然后再开始实验。

我的第一个实验，基于这样一个系统，做了3年时间。

虽然投入了很多时间，很多精力，也投入了很多经费，但是可喜的是，结果是非常漂亮的。

通过这样一个实验，我们发现了一些很有意思的现象。

首先，以前我们都习惯性地认为，裂隙应该是随机产生的，或者说它应该是在土体变得很干的时候才会产生的。

但通过我们的研究表明，这些都是不对的。

首先裂隙是分几个阶段，有序地产生的。

比如，它首先是主干裂隙的发育，然后是支干裂隙的发育，而且支干裂隙一般是垂直主干裂隙。

所以它形成的结点是T形和+形，最后这个裂隙慢慢趋于稳定。

而且裂隙产生时，土样几乎是非常潮湿的，用手一摸，手上都能粘上泥巴。

非常潮湿，它就会开裂，从这个图上，我们看到这种垂直相交形成的土块，基本上都是四边形的。

那我在想，我是不是可以告诉我的导师，这个问题我解决了，它是四边形的。

大家别急，然后我又做了一些干湿循环实验，发现裂隙变了。

原来是四边形，或者垂直相交的裂隙节点，现在变成Y形，变成120度相交了，而且这个裂隙由四边形，慢慢过渡到五边形，甚至到六边形。

这跟我们在野外看到的土体龟裂的现象非常一致，野外我们看到大部分的裂隙，都是Y形相交，几乎呈六边形的。

也就是说野外的土体，为什么呈六边形，是因为经过了大气的作用，经历了若干次干湿循环的处理，才能达到这样一个效果。

现在困扰我的就是，裂隙到底是四边形还是六边形，看来它是有条件的，它有时候是四边形，有时候是六边形。

比如我们发现这个裂隙，它如果有序发育，先是主干裂隙，然后是支干裂隙，这样分层级 、分级序地去发育的话，形成的裂隙基本上都是四边形的。

而如果土样表面是一个无序发育的裂隙，比如同时产生很多条裂隙的时候，它基本上形成120度角，也就是Y形的节点，向六边形过渡的。

这主要是跟土体结构的差异性，还有它在裂隙发育过程中，能量释放过程密切相关的。

可能大家会问，你研究土体的龟裂，那你能不能预测裂隙到底在哪个地方会产生，它会怎么发育呢？

前些年你问我这个问题，我可能解决不了，但是现在我可以告诉大家，我们已经可以了。

我们利用计算机图像相关技术，对土样表面的应变场，或者它的应力集中，进行监测和分析。

因为裂隙的发育实际上都是应变能的释放过程，大多是应力集中引起的。

通过分析它表面应变场的演化规律，我们就可以对裂隙在哪个地方会率先发育，以及它会怎样拐弯，怎样相交，进行提前预测。

我们在实验室当中或者在野外，看到这个裂隙，几乎从来看不到两条，或者两片一样的这种裂隙图像。

这都是有差异的，就像世界上找不到两片一样的树叶一样，裂隙网络也是如此。

所以这些裂隙不一样，尤其在我们实验当中，发现不同的土对应的裂隙差别非常大。

我们就想怎样去量化这些差异，怎样去分析，去找到它们的规律，所以我们就需要提取裂隙网络里面这些几何形态参数。

以前可能大家都是用尺子去量宽度、长度等，这耗时费力。

所以我们基于计算机图像处理技术，自主研发了一套专门针对这种裂隙网络的图像分析系统，叫CIAS。

它能够全自动地对裂隙进行识别，全自动地去提取裂隙里面几何形的参数，比如宽度、长度、节点、个数、裂隙率等。

目前我们所建立这些研究方法，以及我们所开发的一些针对土体龟裂的分析手段，已经被国际上上百家科研机构所应用和借鉴，取得了些良好的效果，也得到了一些很好的评价。

基于开发的这些系统，我们最近做的一个工作就是火星上的裂隙。

左边这幅图上是一个来自火星上的卫星的照片，大家看到这上面的裂隙网络，是不是似曾相识？

没错，跟我们在地面上，和我们在实验当中，用土体做出的裂隙在形态上几乎是非常相似的。

为了验证这样一个观点，我们也对它进行了量化分析。

比如裂隙的分割比例，以及裂隙里面这些角度的分布，跟我们土体的龟裂，几乎没有什么太大差别，几乎是一致的。

所以我们希望通过这样一个研究，来为火星上曾经的液态水活动，或者说它曾经的古气候环境，提供一些指示，当然这个工作现在还正在进行当中。

裂隙产生的本质

可能大家最关心的问题是，裂隙到底是怎么产生的。

我们都知道它是由于干旱产生的，因为我通常跟大家交流的时候，很多人问我，这个裂隙还不简单，它就是太阳一晒，一干，不就产生了吗？

是的，没错，这都是前提条件，但是我们真正要解决这个现象背后的一些本质。

假如说土体是个材料，那么开裂一定是一种破坏的形式，这种破坏一定是由力学的因素引起的。

但是在自然界中的土体，我们并没有给它施加任何的外力，那它的力是哪里来的呢？

其实土体的龟裂是一种张拉破坏。

它就像我们拉一根橡皮筋一样，当我们手给予的拉力达到了橡皮筋的抗拉强度的时候，断裂就会发生，对土体来说也是这样的。

但问题是，土体开裂过程中，它的力是哪来的。

其实这是跟孔隙当中水分的表面张力有关。

在干燥过程当中，由于孔隙水的表面张力，会在表面产生一层张拉应力场，当张拉应力超过土体自身抗拉强度的时候，裂隙就会产生。

基于一些非饱和土力学理论，我们构建了一套土体龟裂的临界力学模型。

这为我们后面开展的如何来控制土体的龟裂、如何来防止土体的龟裂奠定了很好的理论基础。

最后，我想说的是，科学无处不在。

虽然我这些年主要是围绕这一个看似简单的龟裂问题在开展研究，但是它里面蕴含的科学问题，却是非常复杂的，而且它跟很多问题都是相通的。

经过这些年的研究，对我自己来说，我觉得也有一种强迫症了。

当我在外面看到各种有纹路的，或者有这种网状结构的裂隙，我都会跟我研究的土体的龟裂联系起来。

比如蒙娜丽莎，这个油画表面实际上有很多裂纹，这是它的颜料发生了干裂，还有树皮，甚至人皮肤的纹路，包括陶瓷等。

在科学上，这些现象所表现出来的最终的机理实际上都是相通的，我们都可以用力学、数学、物理、化学知识来进行解释。

我们需要开启我们的好奇心，然后用心去发现我们身边的科学。

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