Research Progress on Evolution Law of Clay Pore Structure under Hydro‑mechanical Effect

NIU Geng; GUO Xiaoxia; CHEN Fanxiiu; KONG Liang; LU Youqian; LI Kai

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230104004

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Research Progress on Evolution Law of Clay Pore Structure under Hydro‑mechanical Effect

更新时间：2025-09-25

- Research Progress on Evolution Law of Clay Pore Structure under Hydro‑mechanical Effect
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 43, Issue 4, Pages: 905-916(2023)
- 作者机构：
  
  1.青岛理工大学理学院，山东青岛 266520
  2.青岛理工大学海洋环境混凝土技术教育部工程研究中心，山东青岛 266520
  3.大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连 116024
  4.广西交科集团有限公司，广西南宁，530007
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230104004
  CLC： TU451
- Received：04 January 2023，
  
  Revised：2023-03-24，
  
  Published：28 August 2023
- 稿件说明：
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牛庚,郭晓霞,陈凡秀等.水‑力作用下黏土孔隙结构演化规律研究进展[J].防灾减灾工程学报,2023,43(04):905-916.

NIU Geng,GUO Xiaoxia,CHEN Fanxiiu,et al.Research Progress on Evolution Law of Clay Pore Structure under Hydro‑mechanical Effect[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2023,43(04):905-916.
牛庚,郭晓霞,陈凡秀等.水‑力作用下黏土孔隙结构演化规律研究进展[J].防灾减灾工程学报,2023,43(04):905-916. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230104004.

NIU Geng,GUO Xiaoxia,CHEN Fanxiiu,et al.Research Progress on Evolution Law of Clay Pore Structure under Hydro‑mechanical Effect[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2023,43(04):905-916. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230104004.

摘要

黏土的微结构直接决定宏观水‑力学特性，然而现阶段绝大多数模型都是基于宏观参数所建立，由于缺乏微观机制的支撑，己经难以满足科研和工程需求。因此开展孔隙结构演化研究可以加深对非饱和土复杂水‑力学特性的认识。在详细阐述黏土的孔径分布特征及双孔模型的基础上，全面回顾和总结了近年来水‑力作用下黏土孔隙结构演化规律的研究成果与最新进展，并进行了相关讨论。结果表明：考虑颗粒集聚体的双孔模型（集聚体间孔隙与集聚体内孔隙）可以更好地解释黏土复杂的水‑力学特性。水‑力作用对黏土孔隙结构的影响机制不同，根据文献试验数据和理论分析初步总结出水‑力作用下土孔隙结构的演化规律。外力荷载只显著影响集聚体间孔隙，对集聚体内孔隙基本不影响；含水率变化会改变土颗粒相对位置，继而影响这两类孔隙结构，但是土水相互作用复杂，导致含水率变化对土孔隙结构影响机制仍不清晰，并且没有统一认识。鉴于此，在研究土水相互作用对微观孔隙影响时应充分考虑物理‑化学作用，并构建微观孔隙结构演化与宏观变形的定量关系，这也是今后需要深入研究的方向。

Abstract

Macroscopic hydro-mechanical properties of clay are directly determined by the microstructure. However， at present， most of the models are established based on macro-parameters， which are difficult to meet the needs of scientific research and engineering due to the lack of micro-mechanisms support. The study of pore structure evolution can deepen the understanding of the complex hydro-mechanical properties of unsaturated soil. Based on the detailed description of pore size distribution characteristics and the dual pore model of clay， the research results and latest progress of pore structure evolution law of clay under hydro-mechanical action in recent years are comprehensively reviewed and summarized， and relevant discussions are carried out. The results show that the dual pore model （inter-aggregate pores and intra-aggregate pores） considering particle aggregates can better explain the complex hydro-mechanical properties of clay. Under the hydro-mechanical action， the evolution laws of the pore structure are different. Based on test data and theoretical analysis in literature， the evolution laws of pore structure under hydro-mechanical effect are preliminarily summarized. External loading only significantly affects inter-aggregate pore space， and basically has no effect on intra-aggregate pore space. Changes in water content will alter the relative position of soil particles， which then affects the two types of pore structure， but the complexity of soil-water interactions leads to unclear mechanisms and a lack of unified understanding of the impact of moisture content changes on soil pore structures. In view of the above， the physical-chemical interaction should be fully considered when studying the effect of soil-water interaction on micro-pores， and the quantitative relationship between the evolution of micro-pore structure and macro-deformation should be established， which is also the direction for further research in the future.

关键词

Keywords

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Mašín D . Double structure hydromechanical coupling formalism and a model for unsaturated expansive clays ［J］. Engineering Geology ， 2013 ， 165 ： 73 - 88 .

蔡国庆，王亚南，周安楠，等 . 考虑微观孔隙结构的非饱和土水-力耦合本构模型［J］. 岩土工程学报， 2018 ， 40 （ 4 ）： 618 - 624 .

Cai G Q ， Wang Y N ， Zhou A N ， et al . A microstructure-dependent hydro-mechanical coupled constitutive model for unsaturated soils ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2018 ， 40 （ 4 ）： 618 - 624 . （in Chinese）

Romero E . A microstructural insight into compacted clayey soils and their hydraulic properties ［J］. Engineering Geology ， 2013 ， 165 ： 3 - 19 .

陈正汉，郭楠 . 非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展［J］. 岩土力学， 2019 ， 40 （ 1 ）： 1 - 54 .

Chen Z H ， Guo N . New developments of mechanics and application for unsaturated soils and special soils ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2019 ， 40 （ 1 ）： 1 - 54 . （in Chinese）

蒋明镜 . 现代土力学研究的新视野--宏微观土力学［J］. 岩土工程学报， 2019 ， 41 （ 2 ）： 195 - 254 .

Jiang M J . New paradigm for modern soil mechanics： Geomechanics from micro to macro ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2019 ， 41 （ 2 ）： 195 - 254 . （in Chinese）

Li T C ， Shao M A ， Jia Y H . Application of X-ray tomography to quantify macropore characteristics of loess soil under two perennial plants ［J］. European Journal of Soil Science ， 2016 ， 67 （ 3 ）： 266 - 275 .

Ma T T ， Wei C F ， Yao C M ， et al . Microstructural evolution of expansive clay during drying-wetting cycle ［J］. Acta Geotechnica ， 2020 ， 15 ： 2355 - 2366 .

Zhang F ， Cui Y J ， Zeng L L ， et al . Effect of degree of saturation on the unconfined compressive strength of natural stiff clays with consideration of air entry value ［J］. Engineering Geology ， 2018 ， 237 ： 140 - 148 .

Sasanian S ， Newson T A . Use of mercury intrusion porosimetry for microstructural investigation of reconstituted clays at high water contents ［J］. Engineering Geology ， 2013 ， 158 ： 15 - 22 .

Romero E ， Della Vecchia G ， Jommi C . An insight into the water retention properties of compacted clayey soils ［J］. Géotechnique ， 2011 ， 61 （ 4 ）： 313 - 328 .

Alonso E E ， Pereira J M ， Vaunat J ， et al . A microstructurally based effective stress for unsaturated soils ［J］. Géotechnique ， 2010 ， 60 （ 12 ）： 913 - 925 .

Sun H ， Mašín D ， Najser J ， et al . Bentonite microstructure and saturation evolution in wetting-drying cycles evaluated using ESEM， MIP and WRC measurements ［J］. Géotechnique ， 2019 ， 69 （ 8 ）： 713 - 726 .

Alonso E E ， Vaunat J ， Gens A . Modelling the mechanical behaviour of expansive clays ［J］. Engineering geology ， 1999 ， 54 （ 1-2 ）： 173 - 183 .

Monroy R ， Zdravkovic L ， Ridley A . Evolution of microstructure in compacted London Clay during wetting and loading ［J］. Géotechnique ， 2010 ， 60 （ 2 ）： 105 - 119 .

Zhang Z ， Ye W M ， Liu Z R ， et al . Mechanical behavior of GMZ bentonite pellet mixtures over a wide suction range ［J］. Engineering Geology ， 2020 ， 264 ： 105383 .

Collins K ， McGown A . The form and function of microfabric features in a variety of natural soils ［J］. Géotechnique ， 1974 ， 24 （ 2 ）： 223 - 254 .

Burton G J ， Sheng D C ， Airey D . Experimental study on the effect of degree of saturation on volumetric behaviour of Maryland Clay ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2014 ， 51 （ 12 ）： 1449 - 1455 .

Delage P ， Lefebvre G . Study of the structure of a sensitive Champlain clay and of its evolution during consolidation ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1984 ， 21 （ 1 ）： 21 - 35 .

Al-Mukhtar M ， Belanteur N ， Tessier D ， et al . The fabric of a clay soil under controlled mechanical and hydraulic stress states ［J］. Applied Clay Science ， 1996 ， 11 （ 2-4 ）： 99 - 115 .

Simms P H ， Yanful E K . A pore-network model for hydromechanical coupling in unsaturated compacted clayey soils ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2005 ， 42 （ 2 ）： 499 - 514 .

Cuisinier O ， Laloui L . Fabric evolution during hydromechanical loading of a compacted silt ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2004 ， 28 （ 6 ）： 483 - 499 .

Romero E ， Simms P H . Microstructure investigation in unsaturated soils： a review with special attention to contribution of mercury intrusion porosimetry and environmental scanning electron microscopy ［J］. Geotechnical and Geological Engineering ， 2008 ， 26 （ 6 ）： 705 - 727 .

Casini F ， Vaunat J ， Romero E ， et al . Consequences on water retention properties of double-porosity features in a compacted silt ［J］. Acta Geotechnica ， 2012 ， 7 （ 2 ）： 139 - 150 .

Gens A ， Alonso E E . A framework for the behaviour of unsaturated expansive clays ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1992 ， 29 （ 6 ）： 1013 - 1032 .

Sánchez M ， Gens A ， do Nascimento Guimarães L ， et al . A double structure generalized plasticity model for expansive materials ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2005 ， 29 （ 8 ）： 751 - 787 .

Thomas H R ， Cleall P J . Inclusion of expansive clay behaviour in coupled thermo hydraulic mechanical models ［J］. Engineering Geology ， 1999 ， 54 （ 1-2 ）： 93 - 108 .

Delage P ， Audiguier M ， Cui Y J ， et al . Microstructure of a compacted silt ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1996 ， 33 （ 1 ）： 150 - 158 .

Sun W J ， Cui Y J . Investigating the microstructure changes for silty soil during drying ［J］. Géotechnique ， 2018 ， 68 （ 4 ）： 370 - 373 .

Wang Q ， Cui Y J ， Tang A M ， et al . Hydraulic conductivity and microstructure changes of compacted bentonite/sand mixture during hydration ［J］. Engineering Geology ， 2013 ， 164 ： 67 - 76 .

Olsen H W . Darcy's law in saturated kaolinite ［J］. Water Resources Research ， 1966 ， 2 （ 2 ）： 287 - 295 .

Collins K ， McGown A . The form and function of microfabric features in a variety of natural soils ［J］. Géotechnique ， 1974 ， 24 （ 2 ）： 223 - 254 .

Diamond S . Pore size distributions in clays ［J］. Clays and Clay Minerals ， 1970 ， 18 （ 1 ）： 7 - 23 .

Pusch R . Mineral‑water interactions and their influence on the physical behavior of highly compacted Na bentonite ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1982 ， 19 （ 3 ）： 381 - 387 .

Lloret A ， Villar M V ， Sanchez M ， et al . Mechanical behaviour of heavily compacted bentonite under high suction changes ［J］. Géotechnique ， 2003 ， 53 （ 1 ）： 27 - 40 .

Simms P H ， Yanful E K . Measurement and estimation of pore shrinkage and pore distribution in a clayey till during soil-water characteristic curve tests ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2001 ， 38 （ 4 ）： 741 - 754 .

Burton G J ， Pineda J A ， Sheng D ， et al . Microstructural changes of an undisturbed， reconstituted and compacted high plasticity clay subjected to wetting and drying ［J］. Engineering Geology ， 2015 ， 193 ： 363 - 373 .

万敏 . 温控条件下高压实膨润土土水特征与渗透特性研究［D］. 上海：同济大学， 2010 .

Wan M . Study on soil-water characteristics and permeability of highly compacted GMZ bentonite with temperature control ［D］. Shanghai ： Tongji University ， 2010 . （in Chinese）

Garcia-Bengochea I ， Altschaeffl A G ， Lovell C W . Pore distribution and permeability of silty clays ［J］. Journal of the Geotechnical Engineering Division ， 1979 ， 105 （ 7 ）： 839 - 856 .

Delage P ， Lefebvre G . Study of the structure of a sensitive Champlain clay and of its evolution during consolidation ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1984 ， 21 （ 1 ）： 21 - 35 .

谈云志，喻波，刘晓玲，等 . 压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律［J］. 岩土力学， 2015 ， 36 （ 2 ）： 369 - 375 .

Tan Y Z ， Yu B ， Liu X L ， et al . Pore sizeevolution of compacted laterite under desiccation shrinkage process effects ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2015 ， 36 （ 2 ）： 369 - 375 . （in Chinese）

Lloret A ， Villar M V . Advances on the knowledge of the thermo-hydro-mechanical behaviour of heavily compacted “FEBEX” bentonite ［J］. Physics and Chemistry of the Earth， Parts A/B/C ， 2007 ， 32 （ 8-14 ）： 701 - 715 .

Miao L ， Houston S L ， Cui Y ， et al . Relationship between soil structure and mechanical behavior for an expansive unsaturated clay ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2007 ， 44 （ 2 ）： 126 - 137 .

Gao Y ， Sun D A ， Zhu Z C ， et al . Hydromechanical behavior of unsaturated soil with different initial densities over a wide suction range ［J］. Acta Geotechnica ， 2019 ， 14 （ 2 ）： 417 - 428 .

蔡国庆，吴天驰，王亚南，等 . 双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 11 ）： 3583 - 3590 .

Cai G Q ， Wu T C ， Wang Y N ， et al . Model of the microstructure evolution of unsaturated compacted soils with double-pore structure ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 11 ）： 3583 - 3590 . （in Chinese）

谈云志，孔令伟，郭爱国，等 . 压实过程对红黏土的孔隙分布影响研究［J］. 岩土力学， 2010 ， 31 （ 5 ）： 1427 - 1430 .

Tan Y Z ， Kong L W ， Guo A G ， et al . Research on effect of compaction on pore size distribution of laterite soil ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2010 ， 31 （ 5 ）： 1427 - 1430 . （in Chinese）

张俊然，孙德安，姜彤，等 . 宽广吸力范围内弱膨胀土的抗剪强度及其预测［J］. 岩土工程学报， 2016 ， 38 （ 6 ）： 1064 - 1070 .

Zhang J R ， Sun D A ， Jiang T ， et al . Shear strength of weakly expansive soils and its prediction in a wide range of suction ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2016 ， 38 （ 6 ）： 1064 - 1070 . （in Chinese）

Merchán V . Small strain stiffness and residual strength of unsaturated Boom clay： a microstructural insight ［D］. Spain ： Universitat Politécnica de Catalunya ， 2011 .

牛庚，邵龙潭，孙德安，等 . 土水特征曲线测量过程中孔隙分布的演化规律探讨［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 4 ）： 1195 - 1202 .

Niu G ， Shao L T ， Sun D A ， et al . Discussion on the evolution law of pore distribution during the measurement of soil water characteristic curve ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 4 ）： 1195 - 1202 . （in Chinese）

Koliji A ， Laloui L ， Vulliet L . Constitutive modeling of unsaturated aggregated soils ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2010 ， 34 （ 17 ）： 1846 - 1876 .

Vecchia G D ， Romero E . A fully coupled elastic–plastic hydromechanical model for compacted soils accounting for clay activity ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2013 ， 37 （ 5 ）： 503 - 535 .

牛庚 . 基于双孔模型的非饱和土水-力特性研究［D］. 大连：大连理工大学， 2021 .

Niu G . Study on hydro-mechanical behavior of unsaturated soil based on double pore structure model ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2021 .

Ye W M ， Wang Y ， Wang Q ， et al . Stress-dependent temperature effect on the swelling behavior of compacted GMZ bentonite ［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment ， 2020 ， 79 （ 7 ）： 3897 - 3907 .

Tomioka S ， Kozaki T ， Takamatsu H ， et al . Analysis of microstructural images of dry and water-saturated compacted bentonite samples observed with X-ray micro CT ［J］. Applied Clay Science ， 2010 ， 47 （ 1‑2 ）： 65 - 71 .

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