圖9為不同表面張力下試樣收縮開(kāi)裂裂隙度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，土樣收縮裂隙發(fā)展基本分為3個(gè)階段，第一階段為土體收縮開(kāi)裂醞釀階段，此時(shí)試樣剛開(kāi)始蒸發(fā)失水，失去的水分主要為土體表面的孔隙水，此階段中土體表面沒(méi)有產(chǎn)生收縮開(kāi)裂。第二階段為收縮開(kāi)裂迅速發(fā)展階段，此階段土體表面收縮開(kāi)裂迅速發(fā)展直到進(jìn)入第三階段：收縮開(kāi)裂穩(wěn)定階段，此時(shí)隨著試樣脫濕時(shí)間的增加，收縮開(kāi)裂裂隙度基本不再發(fā)生變化。SZ2樣最先進(jìn)入收縮開(kāi)裂穩(wěn)定階段，穩(wěn)定時(shí)的收縮開(kāi)裂裂隙度為6.7%，SZ1樣最后進(jìn)入收縮開(kāi)裂穩(wěn)定階段，其最終收縮開(kāi)裂裂隙度為7.9%，S1樣進(jìn)入收縮開(kāi)裂穩(wěn)定階段的時(shí)間則介于二者之間，試樣的最終收縮開(kāi)裂裂隙度為10.3%。很顯然，孔隙液體表面張力越小的試樣，試樣最終收縮開(kāi)裂裂隙度越小，但在土體表面裂隙發(fā)展階段，相同的脫濕時(shí)間，孔隙水表面張力小的試樣其收縮開(kāi)裂裂隙度有可能大于表面張力較大的土樣。

圖9不同表面張力試樣收縮開(kāi)裂裂隙度隨時(shí)間變化曲線

圖10為不同接觸角試樣收縮開(kāi)裂裂隙度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，接觸角變化后，土體收縮開(kāi)裂的3個(gè)階段并不會(huì)發(fā)生改變，但土顆粒的接觸角越大，試樣經(jīng)歷第一階段，即收縮開(kāi)裂醞釀階段的時(shí)間越長(zhǎng)，相同的脫濕時(shí)間，接觸角越大的土樣所對(duì)應(yīng)的收縮開(kāi)裂裂隙度越小。試驗(yàn)結(jié)束后，SJ1樣和SJ2樣的最終收縮開(kāi)裂裂隙度分別為5.2%和4.3%，是所有試樣中收縮開(kāi)裂裂隙度最小的兩個(gè)，其中接觸角最大的SJ2樣的試樣最終收縮開(kāi)裂裂隙度又比SJ1樣小。由此可見(jiàn)，增大土顆粒與孔隙水間的接觸角可以很好的抑制土體的收縮開(kāi)裂。

圖10不同接觸角試樣收縮開(kāi)裂裂隙度隨時(shí)間變化曲線

3討論

3.1接觸角和表面張力抑制膨脹土裂隙發(fā)育的機(jī)理分析從前面的試驗(yàn)可知，減小孔隙水表面張力或增大土顆粒與孔隙水間的接觸角都可以抑制膨脹土的干縮開(kāi)裂，然而，增大接觸角對(duì)膨脹土收縮開(kāi)裂的抑制效果明顯好于減小孔隙水表面張力。結(jié)合圖11的顆粒模型和毛細(xì)管模型對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。當(dāng)土顆粒間由液橋連接時(shí)（對(duì)應(yīng)于非飽和土中的水封閉狀態(tài)），其基質(zhì)吸力?為1 21 1r r??????????。(3)式中?為液體的表面張力，r1和r2是任意一對(duì)相互垂直的平面在液面上所截取曲線的曲率半徑，當(dāng)曲率中心在液體側(cè)時(shí)其值為“負(fù)”，反之為“正”。設(shè)?為“正”時(shí)表示吸引，?為“負(fù)”時(shí)表示排斥。傳統(tǒng)的非飽和土力學(xué)中，基質(zhì)吸力都大于零，不會(huì)是負(fù)值。這是因?yàn)椋涸趲r土工程領(lǐng)域中，通常把巖土體都視為完全親水性材料，即孔隙水與土顆粒的接觸角為0，即使在模型計(jì)算時(shí)所涉及的接觸角也是比較小的，這種情況下基質(zhì)吸力只可能為正，即：非飽和土中只存在負(fù)的孔隙水壓力。

然而，接觸角增大后，基質(zhì)吸力就可能由“正”變?yōu)椤柏?fù)”，接觸角較大的土體具有斥水性，即土中不存在基質(zhì)吸力。含水率越小的土體其斥水性越大，隨著含水率的增大，土體的斥水性有可能隨之消失。當(dāng)r1=r2=r時(shí)，用毛細(xì)管模型來(lái)反映土體中的孔隙（對(duì)應(yīng)于非飽和土中的雙開(kāi)敞狀態(tài)），由于此時(shí)彎液面的曲率中心只有一個(gè)，因此，r1和r2只能同號(hào)，即要么一直親水要么一直斥水，則式（3）變?yōu)?r???，(4)自然界中大部分土顆粒的親水性都比較好，其接觸角也比較小甚至為0，脫濕開(kāi)始后飽和土樣中的孔隙水開(kāi)始蒸發(fā)，有些孔隙中出現(xiàn)彎液面，基質(zhì)吸力因此產(chǎn)生，在基質(zhì)吸力作用下裂隙開(kāi)始發(fā)育。隨著產(chǎn)生彎液面的孔隙越來(lái)越多，土體中的基質(zhì)吸力不斷增大，土顆粒間產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，有些土顆粒間的距離相對(duì)增大，在宏觀上表現(xiàn)為土體開(kāi)裂；有些土顆粒間的距離相對(duì)減小，在宏觀上就表現(xiàn)為土體收縮，此過(guò)程一直持續(xù)到土體中的孔隙水由雙開(kāi)敞變?yōu)樗忾]，由式（3）可知，此時(shí)由于彎液面出現(xiàn)曲率中心在液體側(cè)的曲線，使基質(zhì)吸力降低，但相應(yīng)的張力吸力增加，土體中毛細(xì)力基本不變，收縮開(kāi)裂也趨于穩(wěn)定。

減小土體中孔隙水的表面張力（如圖11（c）所示）會(huì)使彎液面曲率半徑增大，由式（3）和式（4）可知，?減小，r增大，基質(zhì)吸力?也會(huì)隨之減小，且?越小，?也越小，因此土樣的最終收縮開(kāi)裂裂隙度SZ2最小，SZ1次之，S1最大。增大土顆粒與孔隙水間的接觸角可以增大彎液面的曲率半徑，甚至使彎液面由凹變凸，此時(shí)土體中的基質(zhì)吸力將消失（圖11（a））。通常情況下，當(dāng)接觸角大于90°為斥水，小于90°為親水，然而土顆粒出現(xiàn)斥水時(shí)的接觸角卻可以小于90°，且含水率越小土體的斥水性越明顯，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，斥水性會(huì)消失。另一方面，土顆粒的斥水性還和顆粒形狀、干密度等諸多因素有關(guān)。斥水性土體在干燥收縮過(guò)程中，彎液面曲率半徑增大，一部分土顆粒間甚至由于凸液面的出現(xiàn)導(dǎo)致基質(zhì)吸力消失（式（3）和式（4）），接觸角越大，凹液面的曲率半徑越大，土體中出現(xiàn)的凸液面越多，基質(zhì)吸力很小或消失必然導(dǎo)致土體的收縮開(kāi)裂減少，這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖11不同表面張力與接觸角的毛細(xì)作用示意圖

3.2試驗(yàn)結(jié)果與膨脹土改性

實(shí)際工程中可以通過(guò)不同方式對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，在膨脹土中加入砂、礦渣等低比表面積顆粒物質(zhì)，改變了膨脹土中的孔隙結(jié)構(gòu)，增大了孔隙水彎液面曲率半徑，減小了基質(zhì)吸力，自然能使膨脹土的收縮開(kāi)裂程度降低，這類(lèi)方法原理簡(jiǎn)單，但摻合物用量較大，張?chǎng)蔚韧ㄟ^(guò)摻綠砂對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，并用試驗(yàn)確定綠砂改性膨脹土的最佳摻合比為20%。孫樹(shù)林等則通過(guò)在膨脹土中摻入高爐水渣對(duì)其進(jìn)行改良，試驗(yàn)確定的最佳摻合比為15%。另外一種常用的改良膨脹土的方法是在膨脹土中加入各種改性劑，這類(lèi)改性劑主要以陽(yáng)離子表面活性劑為主，表面活性劑能以較低的濃度而顯著改變界面性質(zhì)。一般情況下黏土表面是帶負(fù)電的，當(dāng)陽(yáng)離子型表面活性劑吸附到土顆粒表面時(shí)，以其帶正電荷的頭基朝向土顆粒表面，而疏水基則脫離表面呈定向排列，使土顆粒表面變得疏水，即：增大了土顆粒與孔隙水間的接觸角，膨脹土收縮開(kāi)裂的性質(zhì)自然得到了改善。本文試驗(yàn)中采用膨脹土混合少量斥水劑也同樣達(dá)到了增大土顆粒接觸角的效果，這也為改良膨脹土提供了一個(gè)新思路。

4結(jié)論

（1）土體蒸發(fā)失水存在兩個(gè)明顯的變化階段：常速率階段和減速率階段，這兩個(gè)階段并不會(huì)因?yàn)榭紫端砻鎻埩蚪佑|角的改變而發(fā)生變化。減小孔隙水表面張力并不能使土體出現(xiàn)初始裂隙的時(shí)間增長(zhǎng)，而增大孔隙水與土顆粒間的接觸角則可以延長(zhǎng)土體出現(xiàn)初始裂隙的時(shí)間。

（2）孔隙水表面張力對(duì)膨脹土的干縮開(kāi)裂有重要影響。表面張力越小的試樣，其最終收縮開(kāi)裂裂隙度越小，但在土體表面裂隙發(fā)展階段，相同的脫濕時(shí)間，孔隙水表面張力小的試樣其收縮開(kāi)裂裂隙度有可能大于表面張力較大的土樣。

（3）增大土顆粒與孔隙水間的接觸角可以很好的抑制膨脹土的收縮開(kāi)裂，接觸角越大，相同的脫濕時(shí)間下土體的收縮開(kāi)裂裂隙度越小。

（4）土體的干縮開(kāi)裂是一個(gè)物理過(guò)程，是受到基質(zhì)吸力和孔隙水表面張力共同作用產(chǎn)生的。基質(zhì)吸力和表面張力會(huì)使土顆粒間發(fā)生相互移動(dòng)，表面張力和接觸角的改變直接導(dǎo)致彎液面曲率半徑發(fā)生變化，從而對(duì)土體的干縮開(kāi)裂產(chǎn)生影響，其原理為改良膨脹土提供了一個(gè)新思路。