河灘泥漿水分蒸發(fā)過程試驗研究

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）

0 引言

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，形成大量縱橫交錯裂隙網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象非常多見[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)生傾斜甚至開裂[2～3]，極易發(fā)生失穩(wěn)甚至崩塌，造成一系列社會問題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時裂隙的不斷發(fā)育使得水分可以通過其內(nèi)表面迅速蒸發(fā)，還會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)和巖土工程問題的直接或間接誘因。

土中水分的蒸發(fā)是一個非常復(fù)雜的過程，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)的開裂。我們有必要了解水分蒸發(fā)的過程及影響因素，這對研究土體性質(zhì)起著重要的作用。因此，本文以河灘泥漿為研究對象，在控制變量的條件下，開展了一系列干燥實驗，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，探討各個因素對蒸發(fā)過程的影響，對解決實際問題有著重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗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。測定液限為44.2%。稱取適量土樣加水用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆颍渲瞥刹煌实哪酀{，具體見表1。

表1 各個編號試件的參數(shù)

1.2 試驗方法

將配制好的泥漿放置在內(nèi)尺寸為40 cm×32 cm×3 cm的長方形塑料盆中，將試樣置于振動臺上振動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后分別置于室內(nèi)陰干環(huán)境及室外環(huán)境。逐步開始記錄試件質(zhì)量變化和表面特征變化情況。

2 試驗結(jié)果

圖1 試件的質(zhì)量隨時間的變化

圖2 試件的含水率隨時間的變化

在不同的條件下，試件的質(zhì)量隨干燥時間的變化曲線見圖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)行說明和討論，因此繪制出試件的含水率隨時間的變化曲線，見圖2。在蒸發(fā)初期，含水率的降低和時間幾乎呈線性關(guān)系。隨著實驗繼續(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間的變化

圖4 不同環(huán)境下含水率隨時間的變化

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)所需要的時間也幾乎相同，但殘余含水率有所增加。

隨著試樣的試驗環(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，斜率的大小實際上代表著含水率變化的快慢程度。通過圖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)所需要的時間較短，如轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的時間從260 h減少到50 h。實驗結(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，同時到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)也相對較快，如從圖中的270 h減少到220 h。在相同的環(huán)境下經(jīng)過相同的時間后，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。

3 討論

3.1 蒸發(fā)對裂隙的影響

從含水率的角度來看，見圖6，雖然初始含水率不同，但是所有的試樣都來自于同一種土樣，液塑限是相同的，在圖中可以看出，產(chǎn)生裂縫時的含水率在40%上下浮動，這個數(shù)值和1倍液限比較接近，同時發(fā)生干縮時的含水率在20%左右，與0.5倍液限接近。因此，液限是衡量裂縫發(fā)展的一個重要指標(biāo)。

從時間的角度來看，將圖6和圖7對照起來，同樣的環(huán)境下，產(chǎn)生裂縫和發(fā)生干縮的時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，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 時間定量分析結(jié)果

3.2 水分蒸發(fā)的過程

水分蒸發(fā)，從宏觀上來看，是水從液態(tài)通過吸熱轉(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。對于最初的試樣，在外界環(huán)境的條件下，能量會傳遞到試樣表面，而隨著空氣的流動，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)速率隨時間的變化

圖9 室外環(huán)境蒸發(fā)速率隨時間的變化

3.2.1 快速階段

該階段發(fā)生在實驗初期，此時的含水率較高，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。可以推斷出，快速階段的蒸發(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，剛開始的速率相對較大，之后下降出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點后在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，原因在于，在制樣的過程中，將試樣放置在振動臺上進(jìn)行振動，使其內(nèi)部均勻的同時，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)折點時土體產(chǎn)生第一個裂縫，兩者時間幾乎吻合，在80 h左右。此時試樣與空氣的接觸面積變大，隨著自由水的減少，開始蒸發(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)對象，因此速率在這段時間趨于穩(wěn)定。

圖9中在快速階段內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點，是因為室外環(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)折點不容易發(fā)現(xiàn)。

3.2.2 減速階段

隨著時間的延長，弱結(jié)合水?dāng)?shù)量逐漸減少。土顆粒對強(qiáng)結(jié)合水的約束力相比于弱結(jié)合水肯定要來的強(qiáng)，當(dāng)外界條件不變的條件下，單位時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，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)時間不算很長。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)各種問題，所以在實際的生產(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。

4 結(jié)論

通過對河灘泥漿進(jìn)行不同條件下的試驗，研究了水分蒸發(fā)的過程以及對裂隙的影響，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)的過程大致由3個階段組成：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。隨著實驗的進(jìn)行，弱結(jié)合水量的減少是逐漸過渡到減速階段的主要原因。此階段已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫，隨著時間的推移，裂隙趨于穩(wěn)定，試樣開始干縮，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，但對蒸發(fā)速率幾乎無影響。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倍時發(fā)生干縮。