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土壤裂隙發(fā)育過程中氣—液界面張力因素

來源:土壤學(xué)報(bào) 瀏覽 1205 次 發(fā)布時(shí)間:2023-10-09

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(huì)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(qiáng)度時(shí),就會(huì)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(jìn)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:

式中,(ua-uw)為基質(zhì)吸力,Pa;Ts為水—?dú)夥纸缑娴谋砻鎻埩Γ琋 m-1;Rs為曲率半徑,m;α為接觸角,°。

圖1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(huì)導(dǎo)致基質(zhì)吸力的改變。在環(huán)境溫度為25℃時(shí),通過JC2000型接觸角測量儀對三種試樣的孔隙液體進(jìn)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1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(huì)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1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(huì)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2)。從圖2可知,當(dāng)表面張力變化時(shí),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2也可看出,在25℃時(shí),三種不同表面張力液體對應(yīng)的基質(zhì)吸力大小順序?yàn)椋杭兯揪凭芤海痉试硭D2可以明顯看出,當(dāng)曲率半徑變化時(shí),雖然曲率半徑僅從0.01 m到0.001 m一個(gè)量級(jí)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(shí)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(shí),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2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2基質(zhì)吸力隨表面張力和曲率半徑的變化曲線


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