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土壤裂隙发育过程中气—液界面张力因素

来源:土壤学报 浏览 488 次 发布时间:2023-10-09

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:

式中,(ua-uw)为基质吸力,Pa;Ts为水—气分界面的表面张力,N m-1;Rs为曲率半径,m;α为接触角,°。

图1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1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1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2)。从图2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2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2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2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2基质吸力随表面张力和曲率半径的变化曲线