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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)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(dǎo)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(nèi)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(chǎn)生吸力，在表層土體中形成張拉應(yīng)力場。當(dāng)土壤顆粒之間的張拉應(yīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)的吸力發(fā)展速率越高，表層土樣中吸力的增加會驅(qū)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(jié)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(guān)，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(xì)觀角度來看，土樣基質(zhì)吸力是導(dǎo)致裂隙產(chǎn)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(chǎn)生基質(zhì)吸力，并在表層土體中形成張力應(yīng)力。當(dāng)土壤顆粒間的張拉應(yīng)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(chǎn)生、發(fā)育是一種基質(zhì)吸力的內(nèi)力作用結(jié)果，是一種張拉應(yīng)力破壞的形式。在干濕循環(huán)條件下，基質(zhì)吸力隨干濕循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化，從而導(dǎo)致土體張拉應(yīng)力等產(chǎn)生周期性變化，促進了裂隙發(fā)育。因此，基質(zhì)吸力是制約裂隙產(chǎn)生和發(fā)育的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。而表面張力和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系滿足毛細(xì)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(zhì)吸力的大小與表面張力、接觸角和曲率半徑有關(guān)。其中，基質(zhì)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(dǎo)致基質(zhì)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(yīng)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(zhì)吸力越大。孔隙水表面張力會對彎液面的曲率半徑產(chǎn)生改變從而對基質(zhì)吸力產(chǎn)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(zhì)吸力隨表面張力變化的曲線以及不同接觸角下基質(zhì)吸力隨曲率半徑變化的曲線（圖5）。從圖5可知，當(dāng)表面張力變化時，接觸角為85°、65°和42°的基質(zhì)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(zhì)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(yīng)的基質(zhì)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(dāng)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(zhì)吸力變化幅度大約為20 Pa，影響遠(yuǎn)較表面張力帶來的基質(zhì)吸力變化大。可得到結(jié)論：表面張力的變化間接影響基質(zhì)吸力產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)吸力隨表面張力和曲率半徑的變化曲線

4結(jié)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(jié)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(yīng)的收縮開裂裂隙度越大；相同裂隙度對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhì)吸力，間接對土樣的裂隙發(fā)育產(chǎn)生影響。土樣的表面張力越大，其裂隙發(fā)育程度越高，對應(yīng)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）