3讨论

3.1干湿循环下温度对土壤收缩开裂的影响

温度作为主要的外部环境因素之一，对土壤的水分蒸发和收缩开裂有着重要影响。水分蒸发在宏观上是指液态水转化为气态水的过程，微观上则是指水分子在动能的作用下克服液体分子间的作用力，逃逸出液面的过程。而温度作为影响水分蒸发的主要因素，势必会对水分蒸发的过程产生一定影响。具体而言，在高温条件下，水分子的动能较高，分子运动激烈，从而使得水的黏滞性、表面张力以及土体的持水能力等性质发生改变，随着温度的升高而降低。高温条件时，土壤颗粒对水分子的约束力下降，导致水分子逃逸出液面所需要克服的阻力变小，加剧了蒸发。因此，土壤中的水分子高温较低温条件下更容易逸出，蒸发至空气中，相同时间内的蒸发速率随温度的增加而增加。

温度除了对水分的蒸发有直接影响，对土壤的收缩开裂也有重要的作用。土壤的收缩开裂主要受脱湿过程中土壤的吸力大小控制。初始饱和试样表面水分不断蒸发，土体由饱和状态变为非饱和状态过程中产生吸力，在表层土体中形成张拉应力场。当土壤颗粒之间的张拉应力超过土壤颗粒之间的抗拉强度时，出现裂隙。温度越高，蒸发速率的增加会使吸力增加的速率变快，土体出现裂隙的对应时间就会越短，从而解释了图2中同一试样的裂隙度随着温度的增加而增加的现象。图3的结果表明，裂隙形成后，裂隙度受温度的影响很明显。首先，在脱湿过程中，即使在相同的含水率条件下，高温（60℃）条件下试样的δ较大，说明裂隙的发育程度随着温度的增加而增加。这是因为高温度环境对应的吸力发展速率越高，表层土样中吸力的增加会驱使土壤颗粒排列更紧密，为裂隙发展提供了更多的空间。高温条件下的吸力快速发展增快了裂隙的发育程度。其次，在试样脱湿结束达到稳定后，试样的最终δ也随着温度的升高而增加。这主要是由于温度越高孔隙中水分蒸发的越多，孔隙中残余的水分越少（图3），土壤颗粒间距进一步缩小，为裂隙发育提供了更多的空间，裂隙的发育程度因此会更高。

3.2裂隙发育过程中气—液界面张力因素

试样的裂隙发育过程与环境温度密切相关，此外，气—液界面张力（表面张力）因素也会对裂隙发育有制约作用。从细观角度来看，土样基质吸力是导致裂隙产生、发育的重要因素之一，初始试样表层土体随着蒸发的开始，从饱和状态变为非饱和状态，从而产生基质吸力，并在表层土体中形成张力应力。当土壤颗粒间的张拉应力高于土壤颗粒间的抗拉强度时，就会有裂隙出现。土体裂隙产生、发育是一种基质吸力的内力作用结果，是一种张拉应力破坏的形式。在干湿循环条件下，基质吸力随干湿循环而产生周期性变化，从而导致土体张拉应力等产生周期性变化，促进了裂隙发育。因此，基质吸力是制约裂隙产生和发育的关键力学参数。而表面张力和基质吸力之间的关系满足毛细定理：

图4基底表面三种液滴的几何形态

由上式可以看出，基质吸力的大小与表面张力、接触角和曲率半径有关。其中，基质吸力的大小与表面张力成正比，与弯液面曲率半径成反比。因此，表面张力和曲率半径的变化均会导致基质吸力的改变。在环境温度为25℃时，通过JC2000型接触角测量仪对三种试样的孔隙液体进行接触角测量。得到三种不同表面张力液滴的几何形态图如图4所示，测量可得纯水、酒精溶液和肥皂水对应的接触角分别为85°、65°和42°，而在25℃环境下，纯水、20%酒精溶液、2 g L-1肥皂水的表面张力系数分别为:7.1×10-2N m-1、4.1×10-2N m-1、2.9×10-2N m-1。表面张力是决定弯液面形状的主要因素之一，会影响曲率半径和接触角的大小。很显然，表面张力大的液体接触角变大，曲率半径变小。图4中水滴表面张力大于酒精溶液，但形成的弯液面半径却要小于酒精溶液，同样的，酒精溶液形成的弯液面半径又小于肥皂水。曲率半径越小，土体中的基质吸力越大。孔隙水表面张力会对弯液面的曲率半径产生改变从而对基质吸力产生影响，最终影响土壤的收缩开裂。

由式2可以得到不同接触角下基质吸力随表面张力变化的曲线以及不同接触角下基质吸力随曲率半径变化的曲线（图5）。从图5可知，当表面张力变化时，接触角为85°、65°和42°的基质吸力变化幅度分别为0.009 Pa、0.014 Pa和0.016 Pa，显然表面张力变化幅度很大，基质吸力变化很小。从图5也可看出，在25℃时，三种不同表面张力液体对应的基质吸力大小顺序为：纯水＞酒精溶液＞肥皂水。图5可以明显看出，当曲率半径变化时，虽然曲率半径仅从0.01 m到0.001 m一个量级的变化，但基质吸力变化幅度大约为20 Pa，影响远较表面张力带来的基质吸力变化大。可得到结论：表面张力的变化间接影响基质吸力产生改变，首先，表面张力影响了弯液面的曲率半径，继而影响基质吸力，最终对土壤的收缩开裂造成了影响。

事实上，温度越高，表面张力越小，但表面张力Ts随温度变化幅度很小。就纯水而言，温度从25℃增加至60℃时，表面张力从72 mN m-1变化为65 mN m-1，变化甚微。因此，基质吸力大小主要取决于曲率半径Rs，表面张力越大，曲率半径越小，基质吸力越大。从图5可知，三种液体曲率半径Rs大小为：纯水＞酒精溶液＜肥皂水，基质吸力（ua-uw）和裂隙度δ的大小顺序则相反为：纯水＞酒精溶液＞肥皂水。

图5基质吸力随表面张力和曲率半径的变化曲线

4结论

本文在两种控制温度条件下，对三种孔隙水表面张力不同的土样开展了一系列的干湿循环试验，分析了温度和表面张力因素对土样裂隙发育过程及最终裂隙度的影响，得到如下结论：干湿循环对土样裂隙发育有一定影响，随着干湿循环次数的增加，试样的最终裂隙度有所增加，但增长幅度不大；干湿循环次数越多，相同含水率下对应的收缩开裂裂隙度越大；相同裂隙度对应的时间随循环次数增多而减小。温度对土壤的收缩开裂有直接影响。温度越高，土样出现裂隙的初始时间就越短，对应的初始临界含水率也越高，土样的收缩开裂发育程度越高，最终收缩开裂裂隙度δ也相应越高。在相同含水率的情况下，高温环境中脱湿的试样表面裂隙发育也明显增加。表面张力对土壤收缩开裂有明显的制约作用。表面张力增大，会使土样的曲率半径变小，从而增大基质吸力，间接对土样的裂隙发育产生影响。土样的表面张力越大，其裂隙发育程度越高，对应的最终δ也就越大；表面张力越小的试样其最终δ越小，但在土样表面裂隙发展过程中，相同含水率或者相同脱湿时间时，表面张力小的试样裂隙度有可能高于表面张力较大的试样。

干湿循环试验：不同表面张力下土壤裂隙的发展演化机理（一）

干湿循环试验：不同表面张力下土壤裂隙的发展演化机理（二）