气-液界面张力作用下土颗粒移动的力学机理及其宏观反映

In the process of drying, the soil particles may start moving under the gas-liquid surface tension. It is presented as shrinkage and cracking macroscopically. Soil shrinkage and cracking will give rise to a host of geological and environmental problems. From the micro-perspective, the study of movement rule of soil particles caused by gas-liquid surface tension will be carried out through developing ideal physical model which reflect contact angle hysteresis, microcosmic observation tests and surface properties tests. Based on the microscopic study, soil shrinkage and cracking tests with different drying patterns will be carried out on the muddy soil samples and compacted soil samples from macro-perspective, the effects of contact angle and gas-liquid surface tension should be concerned. In order to associate microcosmic properties of particles with soil shrinkage curve model and soil initial cracking behavior due to evaporation, the microscopic parameters which have important effect on soil shrinkage and cracking should be confirmed. The project may increase the knowledge on the nature of soil shrinkage and cracking, which may also offer a certain theory basis for preventing cracking and cracking control in soils.

土体退湿过程中，土颗粒在气-液界面张力作用下会产生移动，宏观上表现为土体的干缩开裂，并可能因此导致一系列的地质问题和环境问题。本项目拟从微观角度出发，开展模型土颗粒、矿物颗粒和天然土颗粒退湿过程中的微观观测试验及表面性质测试试验，并结合反映接触角滞后效应的理想物理模型对气-液界面张力作用下土颗粒的移动规律展开研究。在此基础上从宏观角度出发，对泥状样和击实样进行不同退湿方式下的收缩开裂试验，并考察接触角和孔隙水表面张力对土体干缩开裂的影响，确定对土体干缩开裂有重要影响的微观参数，据此建立考虑微观参数的土体收缩特性曲线模型和蒸发失水初始开裂模型。本项目的研究将增加人们对土体干缩开裂本质的认识，同时，也为预防土体开裂和治理裂隙土提供相应的理论基础。

从细观角度对气-液界面张力作用下土颗粒移动的力学机理进行研究，在此基础上展开土壤开裂等宏观性质的研究，主要得到以下结论: 增湿（脱湿）历史对土壤表面的接触角有重要影响，亲水或斥水土壤脱湿过程中土颗粒间接触角变化规律并无明显差别，但斥水土颗粒的增湿与亲水土颗粒增湿过程中的接触角变化规律区别很大。土颗粒在增湿或脱湿过程中接触角变化规律可以归纳为5种模式，分别为：常规模式、差异模式、突变模式、波动模式和斥水土增湿模式，这5种模式与颗粒相对位置、孔隙结构及颗粒表面缺陷密切相关。砂土颗粒与孔隙水间的接触角增大会使表层土壤中水封闭土层厚度减小，但接触角增大到一定值后，水封闭层的厚度不再发生变化。随着接触角的增大，气封闭层的厚度是不断减小的。孔隙水表面张力和接触角对膨胀土的收缩开裂有重要影响。表面张力越小的试样，其最终收缩开裂裂隙度越小，但在裂隙发展阶段，脱湿时间相同时，孔隙水表面张力小的土样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以很好的抑制膨胀土的收缩开裂，接触角越大，相同的脱湿时间下土体的收缩开裂裂隙度越小。减小孔隙水表面张力或增大接触角都会使土体中的弯液面曲率半径增大，从而减小土体中的基质吸力。接触角的增大还有可能使弯液面由凹变凸，基质吸力会因此消失，从而很好的抑制膨胀土开裂。采用变湿应力来研究土体的应力状态和胀缩变形，据此建立了考虑变湿的膨胀土初始开裂模型，获得了蒸发条件下膨胀土的初始开裂深度、初始裂隙间距和裂隙宽度。