Identification of Dominant Factors Controlling Desiccation Cracking Development in Coarse-Grained Soils

Li Shanmei; Li Weiji; Huang Boyan; Guan Yunpeng; Meng Jianping

doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.025

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Identification of Dominant Factors Controlling Desiccation Cracking Development in Coarse-Grained Soils

Basic Research | 更新时间：2026-09-10

- Identification of Dominant Factors Controlling Desiccation Cracking Development in Coarse-Grained Soils
- Journal of Soil and Water Conservation Vol. 40, Issue 4, Pages: 216-226(2026)
- 作者机构：
  
  1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004
  2.内蒙古自治区自然资源保护与利用研究中心，呼和浩特 010041
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.025
  CLC： TU443.0
- CSTR：32310.14.stbcxb.2026.04.025
- Received：27 December 2025，
  
  Revised：2026-03-02，
  
  Accepted：31 March 2026，
  
  Online First：14 April 2026，
  
  Published：28 August 2026
- 稿件说明：
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李善梅，李维基，黄博彦，等.粗粒土干燥裂隙发育的主控因素辨识［J］.水土保持学报，2026，40（4）：216-226.

Li Shanmei， Li Weiji， Huang Boyan， et al. Identification of dominant factors controlling desiccation cracking development in coarse-grained soils［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2026， 40（4）：216-226.
李善梅，李维基，黄博彦，等.粗粒土干燥裂隙发育的主控因素辨识［J］.水土保持学报，2026，40（4）：216-226. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.025. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.04.025.

Li Shanmei， Li Weiji， Huang Boyan， et al. Identification of dominant factors controlling desiccation cracking development in coarse-grained soils［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2026， 40（4）：216-226. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.04.025. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.04.025.

摘要

目的

揭示界面粗糙度、颗粒级配及温度与厚度耦合作用对土体干缩裂隙发育的主控机制与相对重要性，为防范土体防渗失效与力学失稳等工程隐患提供理论依据。

方法

选取桂林青狮潭水库库泥为试验对象，设计并开展涵盖不同颗粒级配（内在组分）、底部界面粗糙度（边界条件）及干燥温度与土层初始厚度（环境与几何条件）的系列室内干燥模型试验。利用高精度成像设备记录土体水分蒸发与裂隙演化全过程，结合数字图像处理技术对裂隙网络进行二值化与骨架化处理，定量提取裂隙率、裂隙平均宽度及分形维数等特征参数。采用极差分析法系统计算并比较各因素对裂隙发育的贡献权重。

结果

1）界面粗糙度是主导裂隙网络发育及其形态演化的首要控制因素，其对裂隙率的贡献权重高达57.08%。粗糙度的增加显著提升裂隙网络的几何复杂性与拓扑连通性，并诱发土体边缘出现显著的“卷曲”现象。2）颗粒级配作为内在遗传因素，其贡献权重为26.98%。细颗粒含量的增加与裂隙率、裂隙宽度及分形维数均呈显著正相关，从根本上决定土体的体积收缩潜能与最终开裂模式。3）温度与厚度条件的综合贡献率约为16.00%。其中，初始层厚的贡献权重（9.18%）明显优于干燥温度（6.76%）。前者主要通过制约拉应力的释放范围主导裂隙的宏观分布格局，而后者的影响则呈较为复杂的非单调性变化特征。

结论

影响土体干缩裂隙发育的主导因素为界面粗糙度与颗粒级配，环境温度与初始厚度则起次要协同作用。研究结果可为实际岩土工程防渗土体的裂隙灾变防控、材料改良及施工工艺优化提供科学依据。

Abstract

Objective

This study reveals controlling mechanisms and relative importance of interface roughness， particle gradation， and coupling effects of temperature and thickness on the development of soil desiccation cracking， providing a theoretical basis for preventing engineering hazards such as anti-seepage failure and mechanical instability of soil masses.

Methods

Sediments from Qingshitan Reservoir in Guilin were selected as test materials， and a series of laboratory drying model tests were designed and conducted covering different particle gradations （intrinsic components）， bottom interface roughness （boundary conditions）， and drying temperatures and initial soil layer thicknesses （environmental and geometric conditions）. High-precision imaging equipment was used to record the whole process of water evaporation and crack evolution in soils. Digital image processing techniques were applied to perform binarization and skeletonization of crack networks to quantitatively extract characteristic parameters such as crack ratio， average crack width， and fractal dimension. Range analysis was employed to systematically calculate and compare the contribution weights of different factors to desiccation cracking development.

Results

1） Interface roughness was the primary controlling factor of crack network development and morphological evolution， with a contribution weight of 57.08% to crack ratio. Increased interface roughness significantly enhanced geometric complexity and topological connectivity of crack networks and induced significant curling at soil edges. 2） Particle gradation， acting as an intrinsic factor， had a contribution weight of 26.98%. An increase in fine particle content showed significant positive correlations with crack ratio， crack width， and fractal dimension， fundamentally determining volumetric shrinkage potential and final cracking modes of soils. 3） The combined contribution rate of temperature and thickness was approximately 16.00%. Specifically， the contribution weight of initial layer thickness （9.18%） was significantly higher than that of the drying temperature （6.76%）. The former dominated macroscopic distribution patterns of cracks primarily by constraining the release range of tensile stress， while the latter exhibited relatively complex non-monotonic variation characteristics.

Conclusion

The dominant factors controlling soil desiccation cracking development are interface roughness and particle gradation， while environmental temperature and initial thickness play secondary synergistic roles. The results provide a scientific basis for the prevention and control of cracking hazards， material improvement， and construction process optimization of anti-seepage soil masses in practical geotechnical engineering.

关键词

Keywords

references

黎桉君，汪时机，李贤，等 . 三峡库区紫色土干缩裂隙形态几何尺寸效应［J］. 农业工程学报， 2023 ， 39 （ 24 ）： 117 - 126 .

Li Anjun ， Wang Shiji ， Li Xian ， et al . Geometrical size effect of desiccation cracks in purple soil in the Three Gorges Reservoir areas ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2023 ， 39 （ 24 ）： 117 - 126 .

冯浩轩，李敏，行嘉豪，等 . 盐分及干湿循环对壤土蒸发特性与裂隙发育影响的机理探究［J］. 农业工程学报， 2025 ， 41 （ 11 ）： 124 - 135 .

Feng Haoxuan ， Li Min ， Xing Jiahao ， et al . Mechanism explorations of salt and drying-wetting cycle affecting evaporation and crack development of loam soil ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2025 ， 41 （ 11 ）： 124 - 135 .

阿力曼，张杰，曾辉，等 . 华北平原农田裂缝对硝态氮淋溶的影响［J］. 中国生态农业学报（中英文）， 2021 ， 29 （ 1 ）： 76 - 84 .

A Liman ， Zhang Jie ， Zeng Hui ， et al . The effects of farmland cracks on nitrate leaching in the North China Plain ［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture ， 2021 ， 29 （ 1 ）： 76 - 84 .

Xu Jinjian ， Tang Chaosheng ， Yang Yaowen ， et al . Breathing phenomenon of soil desiccation cracking： Insights from novel geophysical observations ［J］. Journal of Geophysical Research： Earth Surface ， 2024 ， 129 （ 1 ）： e2023JF007318 .

Yue Jianwei ， Huang Xuanjia ， Zhao Limin ， et al . Study on the factors affecting cracking of earthen soil under dry shrinkage and freeze-thaw conditions ［J］. Scientific Reports ， 2022 ， 12 （ 1 ）： e1816 .

Yue Jianwei ， Li Peng ， Zhao Limin ， et al . Study on the expansion law of dry shrinkage cracks in silty clay ［J］. Materials ， 2022 ， 15 （ 11 ）： e3941 .

Wei Xin ， Gao Chongyang ， Liu Ke ， et al . A review of cracking behavior and mechanism in clayey soils related to desiccation ［J］. Advances in Civil Engineering ， 2020 ， 2020 （ 1 ）： e8880873 .

Zhao Ya ， Zhang Hongri ， Wang Guiyao ， et al . The infiltration characteristics of expansive soil considering fracture under wet-dry cycle conditions ［J］. Heliyon ， 2024 ， 10 （ 17 ）： e36840 .

Chen Lijie ， Ma Penghui ， Zhao Junyan ， et al . Effect of fracture distribution on the triaxial shear behavior of loess ［J］. Frontiers in Earth Science ， 2023 ， 10 ： e1087286 .

刘昌黎，唐朝生，孙凯强，等 . 土体龟裂力学机理及理论模型研究进展［J］. 工程地质学报， 2018 ， 26 （ 2 ）： 296 - 308 .

Liu Changli ， Tang Chaosheng ， Sun Kaiqiang ， et al . Review on the mechanism and theoretical model of desiccation cracking in clay soil ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2018 ， 26 （ 2 ）： 296 - 308 .

Zeng Hao ， Tang Chaosheng ， Cheng Qing ， et al . Drought-induced soil desiccation cracking behavior with consideration of basal friction and layer thickness ［J］. Water Resources Research ， 2020 ， 56 （ 7 ）： e2019WR026948 .

曾浩，唐朝生，刘昌黎，等 . 控制厚度条件下土体干缩开裂的界面摩擦效应［J］. 岩土工程学报， 2019 ， 41 （ 3 ）： 544 - 553 .

Zeng Hao ， Tang Chaosheng ， Liu Changli ， et al . Effects of boundary friction and layer thickness on desiccation cracking behaviors of soils ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2019 ， 41 （ 3 ）： 544 - 553 .

Guo Jianhua ， Ding Gang ， Wang Hanhui . Dynamic development law of expansive soil cracks under environmental influence ［J］. International Journal of Civil Engineering ， 2024 ， 22 （ 5 ）： 787 - 800 .

Tang Chaosheng ， Cui Yujun ， Tang Anhminh ， et al . Experiment evidence on the temperature dependence of desiccation cracking behavior of clayey soils ［J］. Engineering Geology ， 2010 ， 114 （ 3-4 ）： 261 - 266 .

巩学鹏，唐朝生，施斌，等 . 黏性土干/湿过程中土结构演化特征研究进展［J］. 工程地质学报， 2019 ， 27 （ 4 ）： 775 - 788 .

Gong Xuepeng ， Tang Chaosheng ， Shi Bin ， et al . Evolution of soil microstructure during drying and wetting ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 775 - 788 .

Wang Dongwei ， Zhu Cheng ， Tang Chaosheng ， et al . Experimental study on shrinkage characteristics of compacted bentonite-sand mixtures ［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment ， 2024 ， 83 （ 1 ）： e43 .

Jiang Xiangang ， Huang Qin ， Zhang Zongliang ， et al . Influence of clay content on crack evolution of clay-sand mixture ［J］. Frontiers in Earth Science ， 2022 ， 10 ： e915478 .

徐浩，陈建林，桂良英，等 . 青狮潭水库主要鱼类的空间生态位［J］. 南方农业学报， 2022 ， 53 （ 12 ）： 3558 - 3567 .

Xu Hao ， Chen Jianlin ， Gui Liangying ， et al . Spatial niche of major fishes in Qingshitan Reservoir ［J］. Journal of Southern Agriculture ， 2022 ， 53 （ 12 ）： 3558 - 3567 .

中华人民共和国住房和城乡建设部 . GB/T 50123—2019 土工试验方法标准［S］. 北京：中国计划出版社， 2019 .

Ministry of housing and urban-rural development of the People′s Republic of China . GB/T 50123—2019 standard for geotechnical testing method ［S］. Beijing ： China Planning Press ， 2019 .

Huang Zhen ， Wei Bingxu ， Zhang Lujun ， et al . Surface crack development rules and shear strength of compacted expansive soil due to dry-wet cycles ［J］. Geotechnical and Geological Engineering ， 2018 ， 37 （ 4 ）： 2647 - 2657 .

何岱洵，张家明，陈茂，等 . 粒度组成对红黏土干缩裂隙影响［J］. 水土保持研究， 2022 ， 29 （ 5 ）： 185 - 191 .

He Daixun ， Zhang Jiaming ， Chen Mao ， et al . Influence of particle size composition on desiccation cracks of red clay ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2022 ， 29 （ 5 ）： 185 - 191 .

Tang Chaosheng ， Zhu Cheng ， Cheng Qing ， et al . Desiccation cracking of soils： A review of investigation approaches， underlying mechanisms， and influencing factors ［J］. Earth-Science Reviews ， 2021 ， 216 ： e103586 .

Gong Lei ， Fu Xiaofei ， Gao Shuai ， et al . Characterization and prediction of complex natural fractures in the tight conglomerate reservoirs： A fractal method ［J］. Energies ， 2018 ， 11 （ 9 ）： e2311 .

Zhuo Zhuang ， Cai Weiling ， Zhu Cheng ， et al . Morphology characterization of unsaturated soils under drying-wetting cycles： Crack opening and closure ［J］. Acta Geotechnica ， 2024 ， 19 （ 11 ）： 7287 - 7306 .

李玮，孙文峰，唐鹏，等 . 基于拓扑结构的岩石裂缝网络表征方法［J］. 天然气工业， 2017 ， 37 （ 6 ）： 22 - 27 .

Li Wei ， Sun Wenfeng ， Tang Peng ， et al . A method for rock fracture network characterization based on topological structure ［J］. Natural Gas Industry ， 2017 ， 37 （ 6 ）： 22 - 27 .

Zeng Hao ， Tang Chaosheng ， Cheng Qiang ， et al . Coupling effects of interfacial friction and layer thickness on soil desiccation cracking behavior ［J］. Engineering Geology ， 2019 ， 260 ： e105220 .

Luo Zhaogang ， Wang Shiji ， Ou Qiang ， et al . Multi-effect investigation on desiccation crack evolution and mechanical behavior of swelling clay ［J］. Acta Geotechnica ， 2023 ， 18 （ 10 ）： 5503 - 5518 .

刘昌黎，唐朝生，李昊达，等 . 界面粗糙度对土体龟裂影响的试验研究［J］. 工程地质学报， 2017 ， 25 （ 5 ）： 1314 - 1321 .

Liu Changli ， Tang Chaosheng ， Li Haoda ， et al . Experimental study on effect of interfacial roughness on desiccation cracking behavior of soil ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2017 ， 25 （ 5 ）： 1314 - 1321 .

唐朝生，施斌，崔玉军 . 土体干缩裂隙的形成发育过程及机理［J］. 岩土工程学报， 2018 ， 40 （ 8 ）： 1415 - 1423 .

Tang Chaosheng ， Shibin ， Cui Yujun . Behaviors and mechanisms of desiccation cracking of soils ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2018 ， 40 （ 8 ）： 1415 - 1423 .

Wang Tao ， Tang Chaosheng ， Liu Weijie ， et al . Insight into the initiation and propagation mechanism of desiccation cracking in clayey soil from DEM simulations ［J］. Computers and Geotechnics ， 2024 ， 175 ： e106694 .

Zhang Shaohua ， Yue Jianwei ， Huang Xuanjia ， et al . Study on cracking law of earthen soil under dry shrinkage condition ［J］. Materials ， 2022 ， 15 （ 23 ）： e8281 .

焦少通，王家鼎，张登飞，等 . 干湿循环作用下黄土厚度对其裂隙发育的影响［J］. 西北大学学报（自然科学版）， 2024 ， 54 （ 1 ）： 1 - 10 .

Jiao Shaotong ， Wang Jiading ， Zhang Dengfei ， et al . Study on the effect of thickness of loess on its crack development under the action of dry-wet cycles ［J］. Journal of Northwest University （Natural Science Edition）， 2024 ， 54 （ 1 ）： 1 - 10 .

Bag Ramakrishna ， Rabbani Ahsan . Effect of temperature on swelling pressure and compressibility characteristics of soil ［J］. Applied Clay Science ， 2017 ， 136 ： 1 - 7 .

骆赵刚，汪时机，杨振北 . 膨胀土湿干胀缩裂隙演化及其定量分析［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 7 ）： 2313 - 2323 .

Luo Zhaogang ， Wang Shiji ， Yang Zhengbei . Quantitative analysis of fracture evolution of expansive soils under wetting-drying cycles ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 7 ）： 2313 - 2323 .

Zeng Hao ， Tang Chaosheng ， Zhu Cheng ， et al . Investigating soil desiccation cracking using an infrared thermal imaging technique ［J］. Water Resources Research ， 2021 ， 58 （ 1 ）： e2021WR030916 .

Xiao Guiyuan ， Ye Ziming ， Xu Guangli ， et al . Temperature effect on crack evolution of red clay in Guilin ［J］. Water ， 2021 ， 13 （ 21 ）： e3025 .

Jabbarzadeh Milad ， Sadeghi Hamed ， Tourchi Saeed ， et al . Thermo-hydraulic analysis of desiccation cracked soil strata considering ground temperature and moisture dynamics under the influence of soil-atmosphere interactions ［J］. Geomechanics for Energy and the Environment ， 2024 ， 38 ： e100558 .

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