隨著近年來土壤汙染的頻發，表麵活性劑作為一種常用淋洗劑，因其少量高效的修複效果，在汙染土壤淋洗修複技術中得到了越來越廣泛的應用。表麵活性劑的加入在顯著改善土體性質的同時，也使水的氣—液界麵張力（表麵張力）發生了明顯變化，在利用表麵活性劑對土壤進行改性時，少量的表麵活性劑就會大幅降低水的表麵張力。另一方麵，再生水灌溉在水資源緊缺的地區有普及的趨勢，它能很好地解決區域水資源短缺的問題，再生水中的多種元素還能提高農業產量。但再生水中會含有汙水中未被處理完淨的有機物質，有研究發現，有機化合物加入水中也會改變水的表麵張力。再生水灌溉後土壤中混入的有機物會改變土壤的力學性質，對土壤的物理性質造成影響。由此可見，表麵活性劑和有機化合物的加入會使孔隙水的表麵張力發生明顯變化，而界麵特性的三大方程，即Young方程、Laplace方程和Kelvin方程均與表麵張力有關,表麵張力改變會使得表層土壤的力學性質發生變化，而表層土壤最顯著的特性就是收縮開裂，因此，表麵張力的變化勢必會對土壤的收縮開裂造成影響。

考慮到自然環境的複雜多變性，土體一般要經曆多次幹濕循環。幹濕循環會引起土—水特征曲線的滯回效應，在相同的含水率條件下，吸濕和脫濕所對應的基質吸力不盡相同，而導致幹濕循環滯回效應的一個最重要因素就是接觸角的改變。欒茂田等在球體顆粒模型基礎上提出了張力吸力的概念，分析了基質吸力與張力吸力隨接觸角變化規律，並從理論上合理地解釋了“隨著土變幹，飽和度對土的強度作用減弱”的試驗現象；賀煒等對吸濕與脫濕過程中引起非飽和土的土—水特征曲線滯後性質進行機製分析，認為接觸角的差異是造成土—水特征曲線滯後效應的主要原因，而接觸角與表麵張力又是密不可分的。土壤在脫濕過程中，含水率不斷降低，連接土壤顆粒的液橋體積減少，基質吸力變大，當達到土壤開裂的臨界基質吸力時，土壤顆粒間的液橋將破裂，從而土壤產生裂隙。從細觀的角度來看，土壤中的基質吸力是由液橋的表麵張力所引起的，表麵張力的改變會影響液橋斷裂的程度和時間點，從而影響幹濕循環條件下的土壤收縮開裂特性。土壤收縮開裂破壞了土壤原有的結構，會引發優先流，而裂隙則會成為灌溉水和雨水的優先路徑；收縮開裂還會改變土壤中水分和養分的正常運移，嚴重則會造成地下水汙染、阻礙農業灌溉、影響農業產量等問題。隨著全球環境變化的影響，土壤和水汙染問題會越來越多，越來越典型。表麵張力對水—氣界麵的影響明顯，可以肯定對土壤開裂的性質也有重要影響，因此，有必要從表麵張力的角度對幹濕循環下的土壤收縮開裂特性進行深入研究，對農業灌溉和環境保護方麵也將具有重要的理論和實際指導意義。

為了探究水中表麵活性劑和有機化合物的加入對土壤裂隙發育的影響，本文通過在水中加入少量乙醇或肥皂（表麵活性劑）來改變水的表麵張力，對幹濕循環條件下不同氣—液界麵張力的土壤收縮開裂特性展開研究，對比分析了不同表麵張力下土壤裂隙的發展演化過程，最後對其機理進行了探討。

1材料與方法

1.1供試材料

供試土壤選用有明顯脹縮變形的灰白色膨脹黏土，土樣取自雲南農業大學附近的某風化土邊坡，土樣的基本性質如表1所示。取回的土樣經過風幹、碾碎後過2 mm篩備用。

表1供試土樣的基本性質

1.2試樣製備

將篩好的土樣放入105℃烘箱內烘幹至恒重。在保證試樣無初始裂縫的前提下，合理控製含液率和擊實次數，采用輕型擊實儀（NX.6-04，寧曦，南京）製作幹密度為1.5 g cm-3的圓柱試樣，試樣直徑為102 mm，高40 mm。由製樣前的初步嚐試結果可知，拌合料含水率過低時，拌合料偏幹，試樣不易壓實，有裂隙；含水率太高則不易控製幹密度［25］。反複測試後，將拌合料多次攪拌使水和土充分混合，確定拌合料含水率為17%左右，擊實次數初步定為12次，從而控製試樣幹密度在1.5 g cm-3。將擊實後的試樣表麵刮平，然後放入真空缸內進行抽氣飽和，抽氣時間為6 h，試樣在真空下的浸泡時間不少於12 h，以保證試樣充分飽和，使內外含水率均勻分布。

采用體積百分數為20%酒精溶液和含量為2 g L-1的肥皂水作為不同表麵張力的孔隙液體，忽略酒精溶液和肥皂水與純水間的密度差，兩種溶液製作試樣時的含水率仍為17%，孔隙液體為肥皂水的試樣仍然采用抽氣飽和法，孔隙液體為酒精的試樣為了防止酒精溶液揮發，采用毛細飽和法，將酒精溶液樣放入密封容器內浸泡靜置24 h達到飽和。

1.3試驗過程

待試樣飽和後，分別進行烘幹和自然風幹兩種不同溫控下的脫濕，為避免酒精揮發導致的試驗誤差，脫濕溫度控製在低於酒精沸點的60℃，自然風幹則放置在室內保持室溫（25℃）。整個試驗共進行4次幹濕循環，並對每個試樣設置平行樣。在試驗過程中設置多個觀測節點，前6 h每隔30 min測量一次，6 h以後每隔1 h測量一次。在每個觀測節點上，對待測土樣進行拍照、稱重，拍照時保證土樣及相機位置固定不變，當試樣前後兩次質量變化不超過0.5 g，脫濕過程結束。然後再進行增濕飽和，如此反複循環四次。

1.4圖像處理

采集的試樣表麵裂隙圖通常是高度不規則的、難以衡量的，用傳統的手工測量技術無法消除計算誤差。而數字圖像處理技術的出現改變了這一現狀，它能對土壤收縮開裂圖像進行無損分析且有較高的準確性和靈活性，因此，數字圖像處理技術得到越來越多的應用，日趨成熟。在參考範留明和李寧以及尹小濤等的研究後，得到以下處理思路：

（1）將得到的彩色原圖像（圖1a）轉換為灰度圖像。

（2）將灰度圖像二值化，如圖1b，其中黑色區域代表裂隙麵積，白色區域代表土塊。

（3）將二值化後的圖轉換為矢量圖（圖1c），用CAD（管理軟件計算機輔助設計）麵積提取命令得到試驗收縮和開裂麵積，計算得到試驗的收縮開裂裂隙度：

圖1數字圖像處理過程

2結果

2.1幹濕循環下裂隙發育隨時間變化

圖2給出了三種不同表麵張力試樣在兩種溫控狀態下幹濕循環的土壤裂隙發育過程。從圖2可以看出，無論在25℃還是在60℃條件下，不同表麵張力的土樣收縮開裂裂隙度δ隨時間t變化曲線在形態上較為一致，呈現明顯的階梯型。土樣δ隨脫濕時間t的變化過程要經曆兩個階段：常速率階段和減速率穩定階段。常速率階段主要發生在脫濕的前中期，此階段土樣從飽和狀態進入非飽和狀態，含水率隨著蒸發速率的加快迅速減少，δ隨時間的增加呈線性增長的趨勢。而隨著時間的推移，試樣的水分蒸發變慢，試樣進入脫濕的中後期，此時δ隨脫濕時間增長變緩，最終趨於穩定。但從裂隙度隨時間變化曲線來看，同一試樣的四次脫濕裂隙度基本相近，當脫濕時間相同時，循環次數越多土樣的δ越大，最終δ也越大，但最終δ增加幅度不大。

在整個脫濕過程中，表麵張力變化對土樣δ隨時間變化的過程有明顯的影響。在同一溫度環境時，純水樣、酒精溶液樣和肥皂水樣的初次開裂時間基本一致。如在25℃的環境溫度下，經曆大約1.5 h脫濕後試樣表麵出現初始裂隙，而在60℃環境中，大約0.5 h後就可以從試樣表麵觀測到首條裂隙的產生，可見表麵張力的變化對脫濕時初始δ的出現時間影響並不大。溫度的升高會使“δ—t曲線”的常速率階段時間變短。如25℃時大約持續8.5（1.5～10）h，60℃時則約為7（0.5～7.5）h。但在同一環境溫度時，隨著脫濕的進行，試樣裂隙的發育速率卻大為不同。在60℃烘幹條件下，純水、酒精溶液和肥皂水樣在達到4%收縮開裂裂隙度所需時間分別為3 h、5 h和8 h；同樣在25℃風幹時，前10 h純水、酒精溶液和肥皂水δ分別達到9%、5.5%和3.5%。可以看出，表麵張力的降低，對試樣出現初始裂隙的時間影響不大，但抑製了裂隙的發育程度並影響了試樣的最終δ大小。

圖2幹濕循環下不同試樣裂隙度隨時間的變化

2.2幹濕循環下裂隙發育隨含水率變化

圖3給出了三種試樣四次脫濕循環在不同溫度條件下裂隙度隨脫濕含水率的變化。同一土樣，相同含水率情況下，裂隙度隨著幹濕循環次數的增加而增大，而相同裂隙度對應的含水率也隨循環次數

的增多而增大。由於溫度的作用，60℃時當含水率降至41%時，土樣出現初始裂隙，而25℃環境下，土樣含水率要降至38%才會出現初始裂隙，可以看出，試樣出現初始裂隙的含水率隨溫度的降低而增加，影響明顯。裂隙出現後的初始階段，土樣δ隨含水率的減少緩慢增加，隨後δ進入快速發育階段，δ不斷增加。隨著脫濕的進行，當土樣的含水率低於一定值時(25℃和60℃條件下的臨界含水率分別為28%和25%），δ增幅減慢並趨於穩定。當脫濕結束時，60℃下土樣的最終平均殘餘含水率為0.5%，而25℃為4%，大約是60℃的八倍多。

圖3幹濕循環下不同試樣裂隙度隨含水率的變化

從圖3同時可以看出，土樣δ受表麵張力的影響也非常明顯。在環境溫度一致時，隨著表麵張力的降低，在同一含水率時，土樣δ低於表麵張力較大試樣的δ。如在60℃條件下第四次脫濕時，試樣在含水率降至20%時，純水δ（11%）＞酒精溶液δ（7%）＞肥皂水δ（4%）。在達到同一δ時，表麵張力大的試樣對應的含水率大於表麵張力小的試樣含水率。此外，無論60℃條件下還是25℃條件下，脫濕結束時，孔隙液體為水的試樣最終裂隙度均較孔隙液體為酒精溶液和肥皂水試樣的要高。以上結果表明，在土壤中加入酒精溶液和肥皂水降低了孔隙水的表麵張力，抑製了土壤裂隙發育過程，減小最終收縮開裂裂隙度，其中，肥皂水的抑製效果較酒精溶液更佳。

2.3幹濕循環下不同試樣最終收縮開裂裂隙度

表2為三種試樣最終收縮開裂裂隙度的相關研究結果。從表2可以看出，同組試驗各平行樣的最終收縮開裂裂隙度基本一致，說明該試驗具有良好的可重複性。60℃條件下純水（S樣）的四次幹濕循環最終平均δ分別為11.8%、12.4%、13.2%、14.1%，酒精溶液（J樣）分別為7.7%、7.9%、8.0%、8.1%，肥皂水（F樣）分別為4.5%、4.6%、4.7%、4.8%；25℃條件下S樣的四次幹濕循環最終平均δ則分別為9.5%、9.6%、9.9%、10.1%,J樣分別為5.8%、5.9%、6.1%、6.4%，F樣分別為3.2%、3.4%、3.5%、3.7%。可見，在同種溫度條件下，同組試樣的最終δ隨著幹濕循環次數的增加而增大；而在不同溫度條件下，同組試樣的最終δ同樣隨溫度的增加而增加，取第四次循環來看，60℃條件下的純水、酒精溶液和肥皂水試樣的最終δ分別較25℃條件下的高4.0%、1.7%和1.1%。將25℃和60℃條件下的最終δ進行對比，不論何種溫度條件下，純水樣的最終δ大於酒精溶液樣和肥皂水樣的最終δ；其中，酒精溶液樣的最終δ大於肥皂水。

60℃條件下純水試樣的最終δ穩定在14%左右，較酒精試樣高6%，是肥皂水試樣的3倍；由於環境溫度降低的影響，25℃條件下的最終裂隙度均相對低於60℃情況下，純水樣為10%，但仍然高於酒精樣的6.0%和肥皂水樣的3.8%。參考液體表麵張力係數與濃度關係的相關資料可知，在25℃時，純淨水、20%酒精溶液、2 g L-1肥皂水的表麵張力係數分別為:7.1×10-2N m-1、4.1×10-2N m-1、2.9×10-2N m-1;相應的60℃則分別分：6.5×10-2N m-1、3.8×10-2N m-1、2.7×10-2N m-1。由表麵張力和表麵張力係數的正比關係可知，無論何種溫度條件下均表現為：水的表麵張力＞20%酒精溶液的表麵張力＞2 g L-1肥皂水的表麵張力。對照表2可以得到結論：表麵張力對土樣的最終收縮開裂裂隙度有著重要影響。表麵張力越小，對應的土樣最終收縮開裂裂隙度越小，表麵張力的減小會阻礙土樣裂隙的發展。

表2不同表麵張力下土壤收縮開裂裂隙度

幹濕循環試驗：不同表麵張力下土壤裂隙的發展演化機理（一）

幹濕循環試驗：不同表麵張力下土壤裂隙的發展演化機理（二）