于馬躍,馮哲源,徐 兵
(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224001)
土體由固體、液體、氣體三相組成,其中水分是土體的重要組成部分之一,直接影響土體的工程性質(zhì),引發(fā)各種問(wèn)題。在干燥環(huán)境下,土壤由于水分的蒸發(fā)導(dǎo)致含水量下降,表面產(chǎn)生裂縫,形成大量縱橫交錯(cuò)裂隙網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象非常多見(jiàn)[1]。
裂隙的產(chǎn)生改變了結(jié)構(gòu),破壞了完整性,土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角大大減小,降低了強(qiáng)度和承載力,增加地基的沉降變形,導(dǎo)致地表建筑和結(jié)構(gòu)因土體不均勻壓縮發(fā)生傾斜甚至開(kāi)裂[2~3],極易發(fā)生失穩(wěn)甚至崩塌,造成一系列社會(huì)問(wèn)題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)裂隙的不斷發(fā)育使得水分可以通過(guò)其內(nèi)表面迅速蒸發(fā),還會(huì)使得滲透性明顯增大[4~5]。裂隙也是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素,導(dǎo)致安全系數(shù)極速降低,增大了入滲深度和入滲面積,誘發(fā)滑坡和泥石流等災(zāi)害[6~7],加重水土流失,破壞生態(tài)環(huán)境[8],是許多工程地質(zhì)和巖土工程問(wèn)題的直接或間接誘因。
土中水分的蒸發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,受到多種因素的影響。在全球氣候變暖的背景之下,極端干旱性氣候近年來(lái)頻繁發(fā)生,土體干縮產(chǎn)生裂縫不僅破壞了土的連續(xù)性,而且造成土體性質(zhì)的改變,由此引發(fā)一系列工程地質(zhì)問(wèn)題,這引起了學(xué)科研究者的廣泛關(guān)注[9~12],最終所涉及的理論本質(zhì)上基本都是土在失水條件下的收縮變形以及由此所引發(fā)的開(kāi)裂。我們有必要了解水分蒸發(fā)的過(guò)程及影響因素,這對(duì)研究土體性質(zhì)起著重要的作用。因此,本文以河灘泥漿為研究對(duì)象,在控制變量的條件下,開(kāi)展了一系列干燥實(shí)驗(yàn),采用數(shù)據(jù)處理技術(shù),探討各個(gè)因素對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的影響,對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題有著重要的意義。
試驗(yàn)中采用的土樣取自鹽城境內(nèi)坍塌,將取回的土樣置于避光處陰干后粉碎,并用1 mm的細(xì)孔篩篩選后備用。測(cè)定液限為44.2%。稱(chēng)取適量土樣加水用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?,配制成不同含水率的泥漿,具體見(jiàn)表1。
表1 各個(gè)編號(hào)試件的參數(shù)
將配制好的泥漿放置在內(nèi)尺寸為40 cm×32 cm×3 cm的長(zhǎng)方形塑料盆中,將試樣置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)90 s后抹平,以排出泥漿中的氣泡,并記錄各盆泥漿的初始質(zhì)量。
將制備完成的試件編號(hào)后分別置于室內(nèi)陰干環(huán)境及室外環(huán)境。逐步開(kāi)始記錄試件質(zhì)量變化和表面特征變化情況。
圖1 試件的質(zhì)量隨時(shí)間的變化
圖2 試件的含水率隨時(shí)間的變化
在不同的條件下,試件的質(zhì)量隨干燥時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖1。由于這里的質(zhì)量指的是土樣和塑料盆的總重量,而試樣的初始參數(shù)不盡相同,圖1不便于進(jìn)行說(shuō)明和討論,因此繪制出試件的含水率隨時(shí)間的變化曲線,見(jiàn)圖2。在蒸發(fā)初期,含水率的降低和時(shí)間幾乎呈線性關(guān)系。隨著實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行,曲線的切線斜率逐漸降低,曲線趨于平緩,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3 不同初始含水率的條件下含水率隨時(shí)間的變化
圖4 不同環(huán)境下含水率隨時(shí)間的變化
如圖3所示,隨著初始含水率的增加,蒸發(fā)曲線逐漸上移,并且接近平行,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間也幾乎相同,但殘余含水率有所增加。
隨著試樣的試驗(yàn)環(huán)境由室內(nèi)轉(zhuǎn)變到室外,含水率變化曲線左移,前一部分曲線的斜率也相應(yīng)增加,斜率的大小實(shí)際上代表著含水率變化的快慢程度。通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn),室外環(huán)境下含水率減小得快,到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間較短,如轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間從260 h減少到50 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后,室外條件下的殘余含水率比室內(nèi)的小。
圖5 不同初始質(zhì)量的條件下含水率隨時(shí)間的變化
由圖5可以看出,隨著試樣質(zhì)量的減小,含水率變化曲線發(fā)生左移,同時(shí)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)也相對(duì)較快,如從圖中的270 h減少到220 h。在相同的環(huán)境下經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間后,盡管他們的初始質(zhì)量不相同,但是由于初始含水率相同,最終的殘余含水率也相同。
從含水率的角度來(lái)看,見(jiàn)圖6,雖然初始含水率不同,但是所有的試樣都來(lái)自于同一種土樣,液塑限是相同的,在圖中可以看出,產(chǎn)生裂縫時(shí)的含水率在40%上下浮動(dòng),這個(gè)數(shù)值和1倍液限比較接近,同時(shí)發(fā)生干縮時(shí)的含水率在20%左右,與0.5倍液限接近。因此,液限是衡量裂縫發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)。
從時(shí)間的角度來(lái)看,將圖6和圖7對(duì)照起來(lái),同樣的環(huán)境下,產(chǎn)生裂縫和發(fā)生干縮的時(shí)間和含水率基本上成正比關(guān)系,相同的含水率,質(zhì)量越小的,發(fā)生干縮越早。同時(shí),室外的試樣產(chǎn)生裂縫和發(fā)生干縮都比室內(nèi)要早得多。因此,環(huán)境對(duì)裂隙的發(fā)展有著重要的影響。
圖6 含水率定量分析結(jié)果
圖7 時(shí)間定量分析結(jié)果
水分蒸發(fā),從宏觀上來(lái)看,是水從液態(tài)通過(guò)吸熱轉(zhuǎn)變成氣態(tài);微觀上,是水分子克服分子間引力及氫鍵作用,脫離表面到空氣中。對(duì)于最初的試樣,在外界環(huán)境的條件下,能量會(huì)傳遞到試樣表面,而隨著空氣的流動(dòng),表面的水分更容易散失,因此水分的蒸發(fā)通常情況下是先從表面開(kāi)始的。由圖8、圖9的蒸發(fā)曲線可知,水分蒸發(fā)大致可分為3個(gè)階段:(1)快速階段(2)減速階段(3)殘余階段。
圖8 室內(nèi)環(huán)境蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化
圖9 室外環(huán)境蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化
3.2.1 快速階段
該階段發(fā)生在實(shí)驗(yàn)初期,此時(shí)的含水率較高,土中自由水的蒸發(fā)占主導(dǎo)地位,外界提供的能量基本上用于蒸發(fā)土中的自由水??梢酝茢喑觯焖匐A段的蒸發(fā)速率主要受外界環(huán)境的影響,圖4表明,室外條件下的蒸發(fā)速率比室內(nèi)大。
從圖8可以觀察到,剛開(kāi)始的速率相對(duì)較大,之后下降出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,原因在于,在制樣的過(guò)程中,將試樣放置在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng),使其內(nèi)部均勻的同時(shí),也將部分自由水振到了土體表面,形成了薄薄的水層。這些水暴露在表面,更容易蒸發(fā),也就率先蒸發(fā)這一部分水,所以出現(xiàn)了剛開(kāi)始蒸發(fā)速率較大的現(xiàn)象。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,表面水分逐漸減少,速率降低,試樣的表面也隨著水分的蒸發(fā)而變得不再平整。到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)土體產(chǎn)生第一個(gè)裂縫,兩者時(shí)間幾乎吻合,在80 h左右。此時(shí)試樣與空氣的接觸面積變大,隨著自由水的減少,開(kāi)始蒸發(fā)弱結(jié)合水。之后裂縫繼續(xù)發(fā)展,接觸面積變得更大,弱結(jié)合水替代自由水成為主要蒸發(fā)對(duì)象,因此速率在這段時(shí)間趨于穩(wěn)定。
圖9中在快速階段內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),是因?yàn)槭彝猸h(huán)境下外界提供的能量較多,蒸發(fā)速率較大,弱結(jié)合水的蒸發(fā)能夠較好的補(bǔ)充自由水的減少,因此轉(zhuǎn)折點(diǎn)不容易發(fā)現(xiàn)。
3.2.2 減速階段
隨著時(shí)間的延長(zhǎng),弱結(jié)合水?dāng)?shù)量逐漸減少。土顆粒對(duì)強(qiáng)結(jié)合水的約束力相比于弱結(jié)合水肯定要來(lái)的強(qiáng),當(dāng)外界條件不變的條件下,單位時(shí)間所提供的能量也不變,強(qiáng)結(jié)合水的蒸發(fā)量不足以抵消弱結(jié)合水的減少量,蒸發(fā)速率必定降低。在弱結(jié)合水幾乎蒸發(fā)完畢時(shí),這種現(xiàn)象格外明顯,因此圖8、圖9中出現(xiàn)速率明顯下降的一段曲線,并且持續(xù)時(shí)間不算很長(zhǎng)。此階段試樣內(nèi)部的內(nèi)力分布和應(yīng)力狀態(tài)都比上階段復(fù)雜得多,容易誘發(fā)各種問(wèn)題,所以在實(shí)際的生產(chǎn)和工程中應(yīng)當(dāng)多多重視這種情況。
3.2.3 殘余階段
該階段試樣的裂隙基本不繼續(xù)開(kāi)展,土體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,進(jìn)入干縮階段,剩余的水分受到的約束力極強(qiáng),蒸發(fā)極其緩慢。從蒸發(fā)速率曲線中不難發(fā)現(xiàn),殘余階段的速率非常小,幾乎為0,從圖3、圖5看,少數(shù)某些微小的孔隙中仍殘留一小部分強(qiáng)結(jié)合水。
通過(guò)對(duì)河灘泥漿進(jìn)行不同條件下的試驗(yàn),研究了水分蒸發(fā)的過(guò)程以及對(duì)裂隙的影響,我們得出以下結(jié)論:
(1)蒸發(fā)前期,平均含水率和時(shí)間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,之后含水率趨于平緩,最終達(dá)到殘余含水率。
(2)水分蒸發(fā)的過(guò)程大致由3個(gè)階段組成:快速階段、減速階段、殘余階段。在快速階段,自由水?dāng)?shù)量充足,蒸發(fā)速率主要取決于外界環(huán)境提供的能量。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,弱結(jié)合水量的減少是逐漸過(guò)渡到減速階段的主要原因。此階段已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫,隨著時(shí)間的推移,裂隙趨于穩(wěn)定,試樣開(kāi)始干縮,水分受到的約束增強(qiáng),難以蒸發(fā),也就進(jìn)入了殘余階段。
(3)初始含水率較大的,殘余含水率也相應(yīng)較大,但對(duì)蒸發(fā)速率幾乎無(wú)影響。室外環(huán)境下的蒸發(fā)速率明顯增大,質(zhì)量小的試樣較早的進(jìn)入減速階段。
(4)液限是衡量裂隙發(fā)展的重要指標(biāo),在1倍液限左右產(chǎn)生裂縫,在0.5倍時(shí)發(fā)生干縮。