圖9為不同表麵張力下試樣收縮開裂裂隙度隨時間的變化關係曲線，從圖中可以看出，土樣收縮裂隙發展基本分為3個階段，第一階段為土體收縮開裂醞釀階段，此時試樣剛開始蒸發失水，失去的水分主要為土體表麵的孔隙水，此階段中土體表麵沒有產生收縮開裂。第二階段為收縮開裂迅速發展階段，此階段土體表麵收縮開裂迅速發展直到進入第三階段：收縮開裂穩定階段，此時隨著試樣脫濕時間的增加，收縮開裂裂隙度基本不再發生變化。SZ2樣最先進入收縮開裂穩定階段，穩定時的收縮開裂裂隙度為6.7%，SZ1樣最後進入收縮開裂穩定階段，其最終收縮開裂裂隙度為7.9%，S1樣進入收縮開裂穩定階段的時間則介於二者之間，試樣的最終收縮開裂裂隙度為10.3%。很顯然，孔隙液體表麵張力越小的試樣，試樣最終收縮開裂裂隙度越小，但在土體表麵裂隙發展階段，相同的脫濕時間，孔隙水表麵張力小的試樣其收縮開裂裂隙度有可能大於表麵張力較大的土樣。

圖9不同表麵張力試樣收縮開裂裂隙度隨時間變化曲線

圖10為不同接觸角試樣收縮開裂裂隙度隨時間的變化關係曲線，接觸角變化後，土體收縮開裂的3個階段並不會發生改變，但土顆粒的接觸角越大，試樣經曆第一階段，即收縮開裂醞釀階段的時間越長，相同的脫濕時間，接觸角越大的土樣所對應的收縮開裂裂隙度越小。試驗結束後，SJ1樣和SJ2樣的最終收縮開裂裂隙度分別為5.2%和4.3%，是所有試樣中收縮開裂裂隙度最小的兩個，其中接觸角最大的SJ2樣的試樣最終收縮開裂裂隙度又比SJ1樣小。由此可見，增大土顆粒與孔隙水間的接觸角可以很好的抑製土體的收縮開裂。

圖10不同接觸角試樣收縮開裂裂隙度隨時間變化曲線

3討論

3.1接觸角和表麵張力抑製膨脹土裂隙發育的機理分析從前麵的試驗可知，減小孔隙水表麵張力或增大土顆粒與孔隙水間的接觸角都可以抑製膨脹土的幹縮開裂，然而，增大接觸角對膨脹土收縮開裂的抑製效果明顯好於減小孔隙水表麵張力。結合圖11的顆粒模型和毛細管模型對其機理進行分析。當土顆粒間由液橋連接時（對應於非飽和土中的水封閉狀態），其基質吸力為1 21 1r r。(3)式中為液體的表麵張力，r1和r2是任意一對相互垂直的平麵在液麵上所截取曲線的曲率半徑，當曲率中心在液體側時其值為“負”，反之為“正”。設為“正”時表示吸引，為“負”時表示排斥。傳統的非飽和土力學中，基質吸力都大於零，不會是負值。這是因為：在岩土工程領域中，通常把岩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，即使在模型計算時所涉及的接觸角也是比較小的，這種情況下基質吸力隻可能為正，即：非飽和土中隻存在負的孔隙水壓力。

然而，接觸角增大後，基質吸力就可能由“正”變為“負”，接觸角較大的土體具有斥水性，即土中不存在基質吸力。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r1=r2=r時，用毛細管模型來反映土體中的孔隙（對應於非飽和土中的雙開敞狀態），由於此時彎液麵的曲率中心隻有一個，因此，r1和r2隻能同號，即要麽一直親水要麽一直斥水，則式（3）變為2r，(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，脫濕開始後飽和土樣中的孔隙水開始蒸發，有些孔隙中出現彎液麵，基質吸力因此產生，在基質吸力作用下裂隙開始發育。隨著產生彎液麵的孔隙越來越多，土體中的基質吸力不斷增大，土顆粒間產生了相對移動，有些土顆粒間的距離相對增大，在宏觀上表現為土體開裂；有些土顆粒間的距離相對減小，在宏觀上就表現為土體收縮，此過程一直持續到土體中的孔隙水由雙開敞變為水封閉，由式（3）可知，此時由於彎液麵出現曲率中心在液體側的曲線，使基質吸力降低，但相應的張力吸力增加，土體中毛細力基本不變，收縮開裂也趨於穩定。

減小土體中孔隙水的表麵張力（如圖11（c）所示）會使彎液麵曲率半徑增大，由式（3）和式（4）可知，減小，r增大，基質吸力也會隨之減小，且越小，也越小，因此土樣的最終收縮開裂裂隙度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麵的曲率半徑，甚至使彎液麵由凹變凸，此時土體中的基質吸力將消失（圖11（a））。通常情況下，當接觸角大於90°為斥水，小於90°為親水，然而土顆粒出現斥水時的接觸角卻可以小於90°，且含水率越小土體的斥水性越明顯，當含水率增加到一定值時，斥水性會消失。另一方麵，土顆粒的斥水性還和顆粒形狀、幹密度等諸多因素有關。斥水性土體在幹燥收縮過程中，彎液麵曲率半徑增大，一部分土顆粒間甚至由於凸液麵的出現導致基質吸力消失（式（3）和式（4）），接觸角越大，凹液麵的曲率半徑越大，土體中出現的凸液麵越多，基質吸力很小或消失必然導致土體的收縮開裂減少，這與試驗結果是一致的。

圖11不同表麵張力與接觸角的毛細作用示意圖

3.2試驗結果與膨脹土改性

實際工程中可以通過不同方式對膨脹土進行改性，在膨脹土中加入砂、礦渣等低比表麵積顆粒物質，改變了膨脹土中的孔隙結構，增大了孔隙水彎液麵曲率半徑，減小了基質吸力，自然能使膨脹土的收縮開裂程度降低，這類方法原理簡單，但摻合物用量較大，張鑫等通過摻綠砂對膨脹土進行改良，並用試驗確定綠砂改性膨脹土的最佳摻合比為20%。孫樹林等則通過在膨脹土中摻入高爐水渣對其進行改良，試驗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，這類改性劑主要以陽離子表麵活性劑為主，表麵活性劑能以較低的濃度而顯著改變界麵性質。一般情況下黏土表麵是帶負電的，當陽離子型表麵活性劑吸附到土顆粒表麵時，以其帶正電荷的頭基朝向土顆粒表麵，而疏水基則脫離表麵呈定向排列，使土顆粒表麵變得疏水，即：增大了土顆粒與孔隙水間的接觸角，膨脹土收縮開裂的性質自然得到了改善。本文試驗中采用膨脹土混合少量斥水劑也同樣達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新思路。

4結論

（1）土體蒸發失水存在兩個明顯的變化階段：常速率階段和減速率階段，這兩個階段並不會因為孔隙水表麵張力或接觸角的改變而發生變化。減小孔隙水表麵張力並不能使土體出現初始裂隙的時間增長，而增大孔隙水與土顆粒間的接觸角則可以延長土體出現初始裂隙的時間。

（2）孔隙水表麵張力對膨脹土的幹縮開裂有重要影響。表麵張力越小的試樣，其最終收縮開裂裂隙度越小，但在土體表麵裂隙發展階段，相同的脫濕時間，孔隙水表麵張力小的試樣其收縮開裂裂隙度有可能大於表麵張力較大的土樣。

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

（4）土體的幹縮開裂是一個物理過程，是受到基質吸力和孔隙水表麵張力共同作用產生的。基質吸力和表麵張力會使土顆粒間發生相互移動，表麵張力和接觸角的改變直接導致彎液麵曲率半徑發生變化，從而對土體的幹縮開裂產生影響，其原理為改良膨脹土提供了一個新思路。