3討論

3.1干濕循環(huán)下溫度對土壤收縮開裂的影響

溫度作為主要的外部環(huán)境因素之一，對土壤的水分蒸發(fā)和收縮開裂有著重要影響。水分蒸發(fā)在宏觀上是指液態(tài)水轉化為氣態(tài)水的過程，微觀上則是指水分子在動能的作用下克服液體分子間的作用力，逃逸出液面的過程。而溫度作為影響水分蒸發(fā)的主要因素，勢必會對水分蒸發(fā)的過程產生一定影響。具體而言，在高溫條件下，水分子的動能較高，分子運動激烈，從而使得水的黏滯性、表面張力以及土體的持水能力等性質發(fā)生改變，隨著溫度的升高而降低。高溫條件時，土壤顆粒對水分子的約束力下降，導致水分子逃逸出液面所需要克服的阻力變小，加劇了蒸發(fā)。因此，土壤中的水分子高溫較低溫條件下更容易逸出，蒸發(fā)至空氣中，相同時間內的蒸發(fā)速率隨溫度的增加而增加。

溫度除了對水分的蒸發(fā)有直接影響，對土壤的收縮開裂也有重要的作用。土壤的收縮開裂主要受脫濕過程中土壤的吸力大小控制。初始飽和試樣表面水分不斷蒸發(fā)，土體由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)過程中產生吸力，在表層土體中形成張拉應力場。當土壤顆粒之間的張拉應力超過土壤顆粒之間的抗拉強度時，出現(xiàn)裂隙。溫度越高，蒸發(fā)速率的增加會使吸力增加的速率變快，土體出現(xiàn)裂隙的對應時間就會越短，從而解釋了圖2中同一試樣的裂隙度隨著溫度的增加而增加的現(xiàn)象。圖3的結果表明，裂隙形成后，裂隙度受溫度的影響很明顯。首先，在脫濕過程中，即使在相同的含水率條件下，高溫（60℃）條件下試樣的δ較大，說明裂隙的發(fā)育程度隨著溫度的增加而增加。這是因為高溫度環(huán)境對應的吸力發(fā)展速率越高，表層土樣中吸力的增加會驅使土壤顆粒排列更緊密，為裂隙發(fā)展提供了更多的空間。高溫條件下的吸力快速發(fā)展增快了裂隙的發(fā)育程度。其次，在試樣脫濕結束達到穩(wěn)定后，試樣的最終δ也隨著溫度的升高而增加。這主要是由于溫度越高孔隙中水分蒸發(fā)的越多，孔隙中殘余的水分越少（圖3），土壤顆粒間距進一步縮小，為裂隙發(fā)育提供了更多的空間，裂隙的發(fā)育程度因此會更高。

3.2裂隙發(fā)育過程中氣—液界面張力因素

試樣的裂隙發(fā)育過程與環(huán)境溫度密切相關，此外，氣—液界面張力（表面張力）因素也會對裂隙發(fā)育有制約作用。從細觀角度來看，土樣基質吸力是導致裂隙產生、發(fā)育的重要因素之一，初始試樣表層土體隨著蒸發(fā)的開始，從飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，從而產生基質吸力，并在表層土體中形成張力應力。當土壤顆粒間的張拉應力高于土壤顆粒間的抗拉強度時，就會有裂隙出現(xiàn)。土體裂隙產生、發(fā)育是一種基質吸力的內力作用結果，是一種張拉應力破壞的形式。在干濕循環(huán)條件下，基質吸力隨干濕循環(huán)而產生周期性變化，從而導致土體張拉應力等產生周期性變化，促進了裂隙發(fā)育。因此，基質吸力是制約裂隙產生和發(fā)育的關鍵力學參數(shù)。而表面張力和基質吸力之間的關系滿足毛細定理：

圖4基底表面三種液滴的幾何形態(tài)

由上式可以看出，基質吸力的大小與表面張力、接觸角和曲率半徑有關。其中，基質吸力的大小與表面張力成正比，與彎液面曲率半徑成反比。因此，表面張力和曲率半徑的變化均會導致基質吸力的改變。在環(huán)境溫度為25℃時，通過JC2000型接觸角測量儀對三種試樣的孔隙液體進行接觸角測量。得到三種不同表面張力液滴的幾何形態(tài)圖如圖4所示，測量可得純水、酒精溶液和肥皂水對應的接觸角分別為85°、65°和42°，而在25℃環(huán)境下，純水、20%酒精溶液、2 g L-1肥皂水的表面張力系數(shù)分別為:7.1×10-2N m-1、4.1×10-2N m-1、2.9×10-2N m-1。表面張力是決定彎液面形狀的主要因素之一，會影響曲率半徑和接觸角的大小。很顯然，表面張力大的液體接觸角變大，曲率半徑變小。圖4中水滴表面張力大于酒精溶液，但形成的彎液面半徑卻要小于酒精溶液，同樣的，酒精溶液形成的彎液面半徑又小于肥皂水。曲率半徑越小，土體中的基質吸力越大。孔隙水表面張力會對彎液面的曲率半徑產生改變從而對基質吸力產生影響，最終影響土壤的收縮開裂。

由式2可以得到不同接觸角下基質吸力隨表面張力變化的曲線以及不同接觸角下基質吸力隨曲率半徑變化的曲線（圖5）。從圖5可知，當表面張力變化時，接觸角為85°、65°和42°的基質吸力變化幅度分別為0.009 Pa、0.014 Pa和0.016 Pa，顯然表面張力變化幅度很大，基質吸力變化很小。從圖5也可看出，在25℃時，三種不同表面張力液體對應的基質吸力大小順序為：純水＞酒精溶液＞肥皂水。圖5可以明顯看出，當曲率半徑變化時，雖然曲率半徑僅從0.01 m到0.001 m一個量級的變化，但基質吸力變化幅度大約為20 Pa，影響遠較表面張力帶來的基質吸力變化大。可得到結論：表面張力的變化間接影響基質吸力產生改變，首先，表面張力影響了彎液面的曲率半徑，繼而影響基質吸力，最終對土壤的收縮開裂造成了影響。

事實上，溫度越高，表面張力越小，但表面張力Ts隨溫度變化幅度很小。就純水而言，溫度從25℃增加至60℃時，表面張力從72 mN m-1變化為65 mN m-1，變化甚微。因此，基質吸力大小主要取決于曲率半徑Rs，表面張力越大，曲率半徑越小，基質吸力越大。從圖5可知，三種液體曲率半徑Rs大小為：純水＞酒精溶液＜肥皂水，基質吸力（ua-uw）和裂隙度δ的大小順序則相反為：純水＞酒精溶液＞肥皂水。

圖5基質吸力隨表面張力和曲率半徑的變化曲線

4結論

本文在兩種控制溫度條件下，對三種孔隙水表面張力不同的土樣開展了一系列的干濕循環(huán)試驗，分析了溫度和表面張力因素對土樣裂隙發(fā)育過程及最終裂隙度的影響，得到如下結論：干濕循環(huán)對土樣裂隙發(fā)育有一定影響，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的最終裂隙度有所增加，但增長幅度不大；干濕循環(huán)次數(shù)越多，相同含水率下對應的收縮開裂裂隙度越大；相同裂隙度對應的時間隨循環(huán)次數(shù)增多而減小。溫度對土壤的收縮開裂有直接影響。溫度越高，土樣出現(xiàn)裂隙的初始時間就越短，對應的初始臨界含水率也越高，土樣的收縮開裂發(fā)育程度越高，最終收縮開裂裂隙度δ也相應越高。在相同含水率的情況下，高溫環(huán)境中脫濕的試樣表面裂隙發(fā)育也明顯增加。表面張力對土壤收縮開裂有明顯的制約作用。表面張力增大，會使土樣的曲率半徑變小，從而增大基質吸力，間接對土樣的裂隙發(fā)育產生影響。土樣的表面張力越大，其裂隙發(fā)育程度越高，對應的最終δ也就越大；表面張力越小的試樣其最終δ越小，但在土樣表面裂隙發(fā)展過程中，相同含水率或者相同脫濕時間時，表面張力小的試樣裂隙度有可能高于表面張力較大的試樣。

干濕循環(huán)試驗：不同表面張力下土壤裂隙的發(fā)展演化機理（一）

干濕循環(huán)試驗：不同表面張力下土壤裂隙的發(fā)展演化機理（二）