河灘泥漿水分蒸發過程試驗研究

于馬躍，馮哲源，徐 兵

（鹽城工學院土木工程學院，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，引發各種問題。在干燥環境下，土壤由于水分的蒸發導致含水量下降，表面產生裂縫，形成大量縱橫交錯裂隙網絡的現象非常多見[1]。

裂隙的產生改變了結構，破壞了完整性，土體的黏聚力和內摩擦角大大減小，降低了強度和承載力，增加地基的沉降變形，導致地表建筑和結構因土體不均勻壓縮發生傾斜甚至開裂[2～3]，極易發生失穩甚至崩塌，造成一系列社會問題和巨大的經濟損失。同時裂隙的不斷發育使得水分可以通過其內表面迅速蒸發，還會使得滲透性明顯增大[4～5]。裂隙也是影響邊坡穩定的重要因素，導致安全系數極速降低，增大了入滲深度和入滲面積，誘發滑坡和泥石流等災害[6～7]，加重水土流失，破壞生態環境[8]，是許多工程地質和巖土工程問題的直接或間接誘因。

土中水分的蒸發是一個非常復雜的過程，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生，土體干縮產生裂縫不僅破壞了土的連續性，而且造成土體性質的改變，由此引發一系列工程地質問題，這引起了學科研究者的廣泛關注[9～12]，最終所涉及的理論本質上基本都是土在失水條件下的收縮變形以及由此所引發的開裂。我們有必要了解水分蒸發的過程及影響因素，這對研究土體性質起著重要的作用。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，采用數據處理技術，探討各個因素對蒸發過程的影響，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坍塌，將取回的土樣置于避光處陰干后粉碎，并用1 mm的細孔篩篩選后備用。測定液限為44.2%。稱取適量土樣加水用攪拌機充分攪拌均勻，配制成不同含水率的泥漿，具體見表1。

表1 各個編號試件的參數

1.2 試驗方法

將配制好的泥漿放置在內尺寸為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量。

將制備完成的試件編號后分別置于室內陰干環境及室外環境。逐步開始記錄試件質量變化和表面特征變化情況。

2 試驗結果

圖1 試件的質量隨時間的變化

圖2 試件的含水率隨時間的變化

在不同的條件下，試件的質量隨干燥時間的變化曲線見圖1。由于這里的質量指的是土樣和塑料盆的總重量，而試樣的初始參數不盡相同，圖1不便于進行說明和討論，因此繪制出試件的含水率隨時間的變化曲線，見圖2。在蒸發初期，含水率的降低和時間幾乎呈線性關系。隨著實驗繼續進行，曲線的切線斜率逐漸降低，曲線趨于平緩，最終達到穩定狀態。

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，蒸發曲線逐漸上移，并且接近平行，最終達到穩定狀態所需要的時間也幾乎相同，但殘余含水率有所增加。

隨著試樣的試驗環境由室內轉變到室外，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可以發現，室外環境下含水率減小得快，到達穩定狀態所需要的時間較短，如轉折點所對應的時間從260 h減少到50 h。實驗結束之后，室外條件下的殘余含水率比室內的小。

圖5 不同初始質量的條件下含水率隨時間的變化

由圖5可以看出，隨著試樣質量的減小，含水率變化曲線發生左移，同時到達穩定狀態也相對較快，如從圖中的270 h減少到220 h。在相同的環境下經過相同的時間后，盡管他們的初始質量不相同，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，產生裂縫時的含水率在40%上下浮動，這個數值和1倍液限比較接近，同時發生干縮時的含水率在20%左右，與0.5倍液限接近。因此，液限是衡量裂縫發展的一個重要指標。

從時間的角度來看，將圖6和圖7對照起來，同樣的環境下，產生裂縫和發生干縮的時間和含水率基本上成正比關系，相同的含水率，質量越小的，發生干縮越早。同時，室外的試樣產生裂縫和發生干縮都比室內要早得多。因此，環境對裂隙的發展有著重要的影響。

圖6 含水率定量分析結果

圖7 時間定量分析結果

3.2 水分蒸發的過程

水分蒸發，從宏觀上來看，是水從液態通過吸熱轉變成氣態；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，因此水分的蒸發通常情況下是先從表面開始的。由圖8、圖9的蒸發曲線可知，水分蒸發大致可分為3個階段：（1）快速階段（2）減速階段（3）殘余階段。

圖8 室內環境蒸發速率隨時間的變化

圖9 室外環境蒸發速率隨時間的變化

3.2.1 快速階段

該階段發生在實驗初期，此時的含水率較高，土中自由水的蒸發占主導地位，外界提供的能量基本上用于蒸發土中的自由水。可以推斷出，快速階段的蒸發速率主要受外界環境的影響，圖4表明，室外條件下的蒸發速率比室內大。

從圖8可以觀察到，剛開始的速率相對較大，之后下降出現轉折點后在一段時間內保持穩定，原因在于，在制樣的過程中，將試樣放置在振動臺上進行振動，使其內部均勻的同時，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，也就率先蒸發這一部分水，所以出現了剛開始蒸發速率較大的現象。隨著蒸發的進行，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而變得不再平整。到達轉折點時土體產生第一個裂縫，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，開始蒸發弱結合水。之后裂縫繼續發展，接觸面積變得更大，弱結合水替代自由水成為主要蒸發對象，因此速率在這段時間趨于穩定。

圖9中在快速階段內沒有發現明顯的轉折點，是因為室外環境下外界提供的能量較多，蒸發速率較大，弱結合水的蒸發能夠較好的補充自由水的減少，因此轉折點不容易發現。

3.2.2 減速階段

隨著時間的延長，弱結合水數量逐漸減少。土顆粒對強結合水的約束力相比于弱結合水肯定要來的強，當外界條件不變的條件下，單位時間所提供的能量也不變，強結合水的蒸發量不足以抵消弱結合水的減少量，蒸發速率必定降低。在弱結合水幾乎蒸發完畢時，這種現象格外明顯，因此圖8、圖9中出現速率明顯下降的一段曲線，并且持續時間不算很長。此階段試樣內部的內力分布和應力狀態都比上階段復雜得多，容易誘發各種問題，所以在實際的生產和工程中應當多多重視這種情況。

3.2.3 殘余階段

該階段試樣的裂隙基本不繼續開展，土體結構趨于穩定，進入干縮階段，剩余的水分受到的約束力極強，蒸發極其緩慢。從蒸發速率曲線中不難發現，殘余階段的速率非常小，幾乎為0，從圖3、圖5看，少數某些微小的孔隙中仍殘留一小部分強結合水。

4 結論

通過對河灘泥漿進行不同條件下的試驗，研究了水分蒸發的過程以及對裂隙的影響，我們得出以下結論：

（1）蒸發前期，平均含水率和時間呈現出較好的線性關系，之后含水率趨于平緩，最終達到殘余含水率。

（2）水分蒸發的過程大致由3個階段組成：快速階段、減速階段、殘余階段。在快速階段，自由水數量充足，蒸發速率主要取決于外界環境提供的能量。隨著實驗的進行，弱結合水量的減少是逐漸過渡到減速階段的主要原因。此階段已經產生了裂縫，隨著時間的推移，裂隙趨于穩定，試樣開始干縮，水分受到的約束增強，難以蒸發，也就進入了殘余階段。

（3）初始含水率較大的，殘余含水率也相應較大，但對蒸發速率幾乎無影響。室外環境下的蒸發速率明顯增大，質量小的試樣較早的進入減速階段。

（4）液限是衡量裂隙發展的重要指標，在1倍液限左右產生裂縫，在0.5倍時發生干縮。