河滩泥浆水分蒸发过程试验研究

于马跃，冯哲源，徐 兵

（盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224001）

0 引言

土体由固体、液体、气体三相组成，其中水分是土体的重要组成部分之一，直接影响土体的工程性质，引发各种问题。在干燥环境下，土壤由于水分的蒸发导致含水量下降，表面产生裂缝，形成大量纵横交错裂隙网络的现象非常多见[1]。

裂隙的产生改变了结构，破坏了完整性，土体的黏聚力和内摩擦角大大减小，降低了强度和承载力，增加地基的沉降变形，导致地表建筑和结构因土体不均匀压缩发生倾斜甚至开裂[2～3]，极易发生失稳甚至崩塌，造成一系列社会问题和巨大的经济损失。同时裂隙的不断发育使得水分可以通过其内表面迅速蒸发，还会使得渗透性明显增大[4～5]。裂隙也是影响边坡稳定的重要因素，导致安全系数极速降低，增大了入渗深度和入渗面积，诱发滑坡和泥石流等灾害[6～7]，加重水土流失，破坏生态环境[8]，是许多工程地质和岩土工程问题的直接或间接诱因。

土中水分的蒸发是一个非常复杂的过程，受到多种因素的影响。在全球气候变暖的背景之下，极端干旱性气候近年来频繁发生，土体干缩产生裂缝不仅破坏了土的连续性，而且造成土体性质的改变，由此引发一系列工程地质问题，这引起了学科研究者的广泛关注[9～12]，最终所涉及的理论本质上基本都是土在失水条件下的收缩变形以及由此所引发的开裂。我们有必要了解水分蒸发的过程及影响因素，这对研究土体性质起着重要的作用。因此，本文以河滩泥浆为研究对象，在控制变量的条件下，开展了一系列干燥实验，采用数据处理技术，探讨各个因素对蒸发过程的影响，对解决实际问题有着重要的意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验中采用的土样取自盐城境内坍塌，将取回的土样置于避光处阴干后粉碎，并用1 mm的细孔筛筛选后备用。测定液限为44.2%。称取适量土样加水用搅拌机充分搅拌均匀，配制成不同含水率的泥浆，具体见表1。

表1 各个编号试件的参数

1.2 试验方法

将配制好的泥浆放置在内尺寸为40 cm×32 cm×3 cm的长方形塑料盆中，将试样置于振动台上振动90 s后抹平，以排出泥浆中的气泡，并记录各盆泥浆的初始质量。

将制备完成的试件编号后分别置于室内阴干环境及室外环境。逐步开始记录试件质量变化和表面特征变化情况。

2 试验结果

图1 试件的质量随时间的变化

图2 试件的含水率随时间的变化

在不同的条件下，试件的质量随干燥时间的变化曲线见图1。由于这里的质量指的是土样和塑料盆的总重量，而试样的初始参数不尽相同，图1不便于进行说明和讨论，因此绘制出试件的含水率随时间的变化曲线，见图2。在蒸发初期，含水率的降低和时间几乎呈线性关系。随着实验继续进行，曲线的切线斜率逐渐降低，曲线趋于平缓，最终达到稳定状态。

图3 不同初始含水率的条件下含水率随时间的变化

图4 不同环境下含水率随时间的变化

如图3所示，随着初始含水率的增加，蒸发曲线逐渐上移，并且接近平行，最终达到稳定状态所需要的时间也几乎相同，但残余含水率有所增加。

随着试样的试验环境由室内转变到室外，含水率变化曲线左移，前一部分曲线的斜率也相应增加，斜率的大小实际上代表着含水率变化的快慢程度。通过图4可以发现，室外环境下含水率减小得快，到达稳定状态所需要的时间较短，如转折点所对应的时间从260 h减少到50 h。实验结束之后，室外条件下的残余含水率比室内的小。

图5 不同初始质量的条件下含水率随时间的变化

由图5可以看出，随着试样质量的减小，含水率变化曲线发生左移，同时到达稳定状态也相对较快，如从图中的270 h减少到220 h。在相同的环境下经过相同的时间后，尽管他们的初始质量不相同，但是由于初始含水率相同，最终的残余含水率也相同。

3 讨论

3.1 蒸发对裂隙的影响

从含水率的角度来看，见图6，虽然初始含水率不同，但是所有的试样都来自于同一种土样，液塑限是相同的，在图中可以看出，产生裂缝时的含水率在40%上下浮动，这个数值和1倍液限比较接近，同时发生干缩时的含水率在20%左右，与0.5倍液限接近。因此，液限是衡量裂缝发展的一个重要指标。

从时间的角度来看，将图6和图7对照起来，同样的环境下，产生裂缝和发生干缩的时间和含水率基本上成正比关系，相同的含水率，质量越小的，发生干缩越早。同时，室外的试样产生裂缝和发生干缩都比室内要早得多。因此，环境对裂隙的发展有着重要的影响。

图6 含水率定量分析结果

图7 时间定量分析结果

3.2 水分蒸发的过程

水分蒸发，从宏观上来看，是水从液态通过吸热转变成气态；微观上，是水分子克服分子间引力及氢键作用，脱离表面到空气中。对于最初的试样，在外界环境的条件下，能量会传递到试样表面，而随着空气的流动，表面的水分更容易散失，因此水分的蒸发通常情况下是先从表面开始的。由图8、图9的蒸发曲线可知，水分蒸发大致可分为3个阶段：（1）快速阶段（2）减速阶段（3）残余阶段。

图8 室内环境蒸发速率随时间的变化

图9 室外环境蒸发速率随时间的变化

3.2.1 快速阶段

该阶段发生在实验初期，此时的含水率较高，土中自由水的蒸发占主导地位，外界提供的能量基本上用于蒸发土中的自由水。可以推断出，快速阶段的蒸发速率主要受外界环境的影响，图4表明，室外条件下的蒸发速率比室内大。

从图8可以观察到，刚开始的速率相对较大，之后下降出现转折点后在一段时间内保持稳定，原因在于，在制样的过程中，将试样放置在振动台上进行振动，使其内部均匀的同时，也将部分自由水振到了土体表面，形成了薄薄的水层。这些水暴露在表面，更容易蒸发，也就率先蒸发这一部分水，所以出现了刚开始蒸发速率较大的现象。随着蒸发的进行，表面水分逐渐减少，速率降低，试样的表面也随着水分的蒸发而变得不再平整。到达转折点时土体产生第一个裂缝，两者时间几乎吻合，在80 h左右。此时试样与空气的接触面积变大，随着自由水的减少，开始蒸发弱结合水。之后裂缝继续发展，接触面积变得更大，弱结合水替代自由水成为主要蒸发对象，因此速率在这段时间趋于稳定。

图9中在快速阶段内没有发现明显的转折点，是因为室外环境下外界提供的能量较多，蒸发速率较大，弱结合水的蒸发能够较好的补充自由水的减少，因此转折点不容易发现。

3.2.2 减速阶段

随着时间的延长，弱结合水数量逐渐减少。土颗粒对强结合水的约束力相比于弱结合水肯定要来的强，当外界条件不变的条件下，单位时间所提供的能量也不变，强结合水的蒸发量不足以抵消弱结合水的减少量，蒸发速率必定降低。在弱结合水几乎蒸发完毕时，这种现象格外明显，因此图8、图9中出现速率明显下降的一段曲线，并且持续时间不算很长。此阶段试样内部的内力分布和应力状态都比上阶段复杂得多，容易诱发各种问题，所以在实际的生产和工程中应当多多重视这种情况。

3.2.3 残余阶段

该阶段试样的裂隙基本不继续开展，土体结构趋于稳定，进入干缩阶段，剩余的水分受到的约束力极强，蒸发极其缓慢。从蒸发速率曲线中不难发现，残余阶段的速率非常小，几乎为0，从图3、图5看，少数某些微小的孔隙中仍残留一小部分强结合水。

4 结论

通过对河滩泥浆进行不同条件下的试验，研究了水分蒸发的过程以及对裂隙的影响，我们得出以下结论：

（1）蒸发前期，平均含水率和时间呈现出较好的线性关系，之后含水率趋于平缓，最终达到残余含水率。

（2）水分蒸发的过程大致由3个阶段组成：快速阶段、减速阶段、残余阶段。在快速阶段，自由水数量充足，蒸发速率主要取决于外界环境提供的能量。随着实验的进行，弱结合水量的减少是逐渐过渡到减速阶段的主要原因。此阶段已经产生了裂缝，随着时间的推移，裂隙趋于稳定，试样开始干缩，水分受到的约束增强，难以蒸发，也就进入了残余阶段。

（3）初始含水率较大的，残余含水率也相应较大，但对蒸发速率几乎无影响。室外环境下的蒸发速率明显增大，质量小的试样较早的进入减速阶段。

（4）液限是衡量裂隙发展的重要指标，在1倍液限左右产生裂缝，在0.5倍时发生干缩。