非饱和黄土的接触角与孔隙特征试验_井彦林.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. China JIKAN Research Institute of Engineering Investigations and Design Co. Ltd., Xi’an 710043, China Abstract Contact angle and pore size are important factors affecting soil wettability, permeability and capillarity. In order to further understand the capillary characteristics and permeability of unsaturated loess, the contact angle test and mercury intrusion test of unsaturated loess were carried out. The relationship between pore size and contact angle was analyzed in details. Moreover, the variation of pore and contact angle with depth was discussed. It is found that the contact angle of loess in the dry state is higher than the contact angle of loess in the natural state; as the depth of the ation increases, the contact angle increases; the contact angle is negatively correlated with the large and medium pore volume, whereas is positively correlated with the micropore volume. Additionally, in the shallow part of the stratum, the contact angle is positively correlated with the small pore volume, while for the deep stratum, the contact angle is negatively correlated with the small pore volume. In unsaturated loess, the content of small pores and micropores is relatively large, while the content of large and medium pores is relatively small. Keywords unsaturated loess; pore feature; contact angle; capillarity 土壤接触角及孔隙直径是计算其毛细水上升高 度的重要参数[1-3]， 毛细水的上升会导致很多不良地质 现象及工程事故， 如使地基变形增大， 地基强度下降， 加重地基冻胀，产生路基翻浆等[4-5]。在其他领域，如 农业方面，毛细作用作为一种自然地质现象，有其特 殊的作用，可改变土壤湿度，对农作物生长有很大影 响[6]。因此，研究土体接触角及孔隙特性，从而进一 步认识毛细水的上升规律具有重要的理论意义[7-9]。 国 内外众多学者在此方面做了大量研究，袁玉卿等[10]提 出改变颗粒级配可改变粉砂土的毛细水上升高度，不 同的压实度和孔隙直径， 毛细水上升高度不同； R. Hird 等[11]利用 Jurin 准则，根据孔隙性及接触角分析了毛 细水上升作用；杨松等[12]采用化学的方法通过提高土 体的表观接触角来研究接触角对非饱和土中基质吸力 ChaoXing 158 煤田地质与勘探 第 47 卷 的影响， 发现土中接触角随着外界环境的变化而改变。 在相同含水率下的土体中基质吸力随接触角的增大而 减小，当含水率超过某一临界值后，接触角的变化对 基质吸力无影响；H. P. Greenspan[13]则通过润湿方程 和动态接触角建立了黏性液滴浸润模型，并基于该模 型分析得到了液滴的扩散收缩在圆形接触线随时间的 变化上是稳定的过程，液滴在固体表面上展铺保持了 空间上的均匀性但依赖于时间的平均曲率，以及就 液滴的蠕变和变形等问题进行了详尽的分析；还有 其他一些学者通过粗糙度对影响毛细水上升的重要 参数即接触角进行了深入研究，并探讨了接触角的 滞后性[14-18]。通过已发表的文献分析看出，前人多是 针对改良土进行研究，对不扰动土的研究较少，尤其 是围绕非饱和黄土孔径、接触角等特征的研究成果更 少。本文以非饱和黄土为研究对象，进行黄土的孔隙 性、接触角等测试及理论分析，进一步加深和提高对 非饱和黄土毛细特性、渗透性的认识，对黄土地区地 质灾害防治等有一定的积极作用。 1 试验原理及方法 本实验所需不扰动非饱和黄土试样均取自陕西 省西安市北郊地铁项目空港新城站，取土深度 1.010.0 m。土样的地质时代及基本物理指标如表 1 所示，各土样粒径级配分析如表 2 所示。 表 1 不同深度土样基本物理指标[19] Table 1 Basic physical indicators of soil samples at different depths 深度/m 土性名称 密度/gcm–3 含水率/ 干密度/gcm–3 塑限/ 液限/ 孔隙率/ 1.00 Q41古土壤 1.40 11.98 1.25 18.51 27.91 42.24 2.00 Q3黄土 1.51 12.93 1.34 20.16 25.53 42.48 3.00 Q3黄土 1.48 18.35 1.25 20.64 26.87 44.28 9.00 Q3黄土 1.61 22.02 1.32 21.33 27.78 43.83 10.00 Q3古土壤 1.69 23.95 1.37 18.61 30.58 39.63 表 2 非饱和黄土试样粒径级配分析[19] Table 2 Particle size grading analysis 各粒径颗粒所占百分比/ 深度/m ≥2 mm 21 mm 10.5 mm 0.50.25 mm 0.250.075 mm 0.075 mm 1.00 2.06 7.40 17.62 20.49 16.45 35.98 2.00 3.21 7.60 15.74 17.40 13.18 42.87 3.00 0.03 0.50 8.74 16.64 12.70 61.39 9.00 0.04 1.12 11.92 20.08 15.02 51.83 10.00 0.09 3.41 17.60 21.26 14.55 43.09 1.1 接触角测试 1.1.1 测试原理 接触角，即在固、液、气三相接触平衡处，由 液–气界面的切线与固体界面形成包含液体的夹 角。根据测定的物理参数不同其测定方法也互有差 异，主要有角度测量法、力测量法、透过测量法和 量高法[17]，本文采取量高法进行测量[20]。 量高法是基于液滴截面圆形的假设，认为液滴 足够小体积小于 6 L时，并且忽略引力对液滴形 状的影响，则液滴正截面可视为标准圆的一部分， 具体如图 1 所示，h 为液滴顶端到固、液接触界面 的高度即 O’C，D 为接触界面的直径即 AB，则 可利用图 1 中的几何关系计算接触角， 即为量高法， 具体计算公式推导如下 在直角三角形 ACO’中，αβ90，故  902    根据tan h r ，有 2 arctanarctan hh rD ， 所以 2 2arctan h D 。 式中 θ 为接触角；r 为固、液接触界面的半径。对于 θ＞90和 θ＜90的情况，该式都适用。 图 1 量高法计算接触角 Fig.1 Height measurement to calculate contact angle ChaoXing 第 5 期 井彦林等 非饱和黄土的接触角与孔隙特征试验 159 1.1.2 试样制备 a. 取不同的不扰动土样， 深度分别为 1 m、 2 m、 3 m、9 m、10 m，考虑到水从上到下沿着竖向毛细 管流动，因此每个土样从侧面进行切取标准环刀试 样，在测定试样密度后脱取下来，用保鲜膜封存。 b. 在每个深度试样中取 2 个环刀，一个环刀保 持原有含水率，另一个环刀置于烘箱中，将水分充 分烘干后取出晾至室温，置于干燥器中保存。两者 分别用于天然及干燥状态下试样的接触角测试。 1.1.3 试验步骤 测试中采用设备为 XG-CAMB3 型接触角测定 仪长安大学先进土木工程材料实验室，测定步骤 如下 ① 首先对仪器进行调试， 确保加样器在屏幕中 央区域以及放样台、 摄像机和镜头处于同一水平面。 ② 加样器吸入蒸馏水后固定好，将待测土样置 于放样台上， 上下调节加样器的位置， 调整至加样器 尖端滴出的液滴与试样表面即将接触的适宜位置。 ③ 设置参数， 采用高频连续拍摄模式抓拍水滴 滴落在土样上的全过程图像；之后点击开始，仪器 自动加水并记录拍摄的图像。 ④ 从记录的图像中选取合适的图片求取接触 角，如图 2 所示，采用量高法，结合图 1 选取图像 中液滴的几个相关端点， 若所取点的计算误差较大， 则重新选点测量。 图 2 量高法测定接触角 Fig.2 Height measurement to measure contact angle ⑤ 按照上述方法， 在试样表面随机选取 5 个测 点，测量天然含水率环刀试样的接触角，取平均值 作为最终结果。 ⑥ 按照上述步骤， 对烘干环刀试样的接触角进 行测量。 1.2 孔隙测试 孔隙直径及孔隙体积测试采用长安大学先进土 木工程材料实验室 Auto PoreⅣ9510 型全自动压汞仪。 2 试验结果及分析 2.1 接触角测试结果分析 试样在天然含水率和烘干条件下测试获得的接 触角如表 3 所示。 表 3 非饱和黄土试样干湿对比条件下的接触角[19] Table 3 Contact angle under dry and wet contrast conditions 不同测试点的接触角/ 深度/m 土样状态 1 2 3 4 5 接触角平均值/ 天然含水率试样 10.16 10.83 10.30 10.50 11.22 10.60 1.00 干燥试样 18.83 18.55 17.91 19.00 18.53 18.56 天然含水率试样 11.80 10.38 11.73 10.97 10.64 11.10 2.00 干燥试样 21.25 20.13 21.82 21.03 20.75 21.00 天然含水率试样 12.13 12.66 12.87 13.30 11.91 12.57 3.00 干燥试样 22.21 23.05 21.93 22.87 22.79 22.57 天然含水率试样 17.21 17.35 16.88 17.02 17.49 17.20 9.00 干燥试样 25.45 26.33 25.37 25.33 24.73 25.44 天然含水率试样 20.45 20.57 20.40 20.09 20.47 20.40 10.00 干燥试样 28.38 27.64 26.93 27.86 26.26 27.41 由表 3 可见，试样接触角在干湿不同条件下差 异性较大，天然含水率下接触角普遍要比烘干试样 接触角小，这一现象表明了黄土表面润湿性对含水 率变化的敏感性。因为天然湿度下，土颗粒表面有 水分存在，使得土颗粒的吸附力减小。同时土体中 气体体积减小，水流动阻力减小，水滴更容易向四 周移动和铺展，故接触角小。由于干燥状态下接触 角更能代表骨架颗粒的性质，本文主要采用干燥状 态的接触角进行分析。由表 3 中数据看出，不论是 天然状态或是干燥状态，接触角均随深度的增大而 增大，呈正相关。 接触角也与土的密实程度有关，土样干密度与 ChaoXing 160 煤田地质与勘探 第 47 卷 接触角之间的关系如图 3 所示。 由图 3 可见，干密度与接触角呈显著的正相关 关系，复相关系数达 0.8 以上。随深度增大，干密 度有增大的趋势，因此随深度的增大，黄土润湿性 减弱，这与随深度增大土的渗透性减弱这一规律相 一致。所测得的黄土接触角在 30以内，均较小， 这说明黄土的亲水性及润湿性均较强。 图 3 接触角与干密度之间的变化关系 Fig.3 Relationship between contact angle and dry density 2.2 压汞试验结果分析 孔隙测试采用压汞法进行，压汞试验试样为尺 寸 0.7 cm0.7 cm0.7 cm 的小土块，试样总质量控 制在 2 g 左右。 试验前将所取土样在 110℃条件下烘 干 2 h 以上，去除土中多余水分。用精度 0.000 1 g 的天平称量土样重量，并记录数据。将做好的试样 放入膨胀计，然后置入压汞仪进行试验。试验步骤 详见文献[19]。 试样中含有不同类型孔隙，依据文献[21]将黄 土孔隙按孔径大小分为 4 类 大孔隙孔隙半径大于 0.016 mm； 中孔隙孔隙半径为 0.0160.004 mm； 小孔隙孔隙半径为 0.0040.001 mm； 微孔隙孔隙半径小于 0.001 mm。 压汞试验的累计进汞量及进汞增量与孔径关系 曲线见图 4、图 5。 由压汞仪的测试原理可知，测试过程中，在一 定压力下汞先进入大孔隙，即压汞仪先测量出来的 是大孔隙，随着压力的增大，较小孔径的孔隙依次 显现出来。由图 4 可知，在孔径较大的范围，即孔 径在 10 m 以上时，压力较低，累计进汞量较小， 说明这一孔径范围内孔隙分布量较少； 在100.01 m 孔径范围内，进汞量明显增加，曲线斜率较大，说 明这一区段孔隙分布量剧增，孔隙含量大；当孔径 小于 0.01 m 时，曲线近于水平，进汞量增加不显 著，说明这一孔径范围内孔隙分布量较少试验中采 用的压汞仪可测得的最小孔径为 3.29 nm。 由图 4 看出，10 m 试样土性为古土壤曲线位 于所有曲线最下部， 这说明不仅是其平均孔径最小， 其最大孔径最小，其各类孔隙即大、中、小及微孔 的孔径也均最小；小于 0.01 m 后，孔隙体积不变。 图 4 累计进汞量与孔径关系图 Fig.4 Cumulative mercury influx and pore size relationship 由图 5 看出，曲线呈波浪式分布，即各尺寸孔 径不是均匀分布的，而是在某几个区段较为集中， 如在 32 m，24 m，12 m，⋯⋯等孔径附近，孔 隙分布较密集，同时也说明颗粒粒径分布也是在某 几个区段较为集中，并且在 10 m 范围内各深度规 律相近。这一规律必然导致其力学性质及渗透性等 的不连续性、突变性及不均匀性。黄土的湿陷变形 量较大，但不是渐变而是突变，这也许就是其重要 原因。 图 5 进汞增量与孔径关系图 Fig.5 Increment of mercury and pore size 2.3 试验结果综合分析 孔隙性与接触角是影响毛细水上升高度的重要 因素，为了分析两者之间的关系，绘制了各类孔隙 与接触角的变化关系曲线，如图 6 所示。 由图 6a、图 6b 可以看出接触角与大、中孔隙 体积为负相关，接触角随大、中孔隙体积的增大而 减小，这是由于大、中孔隙体积的增大，土体的密 实度减小，在平面上单位面积固体颗粒所占比例减 小，利于水滴的铺展，导致接触角减小。 从图 6c 可以看出， 接触角与小孔隙体积的关系 曲线比较特殊， 接触角先随小孔隙体积增大而增大， 然后随小孔隙体积减小而增大。对于浅部地层，随 着深度的增加，自重应力增大，所产生的固结首先 作用大、中孔隙的骨架，会使大、中孔隙体积减小 从而补充小孔隙及微孔，即小孔隙体积增加伴随 着大、中孔隙体积的减小，故此时接触角增大；而随 ChaoXing 第 5 期 井彦林等 非饱和黄土的接触角与孔隙特征试验 161 图 6 各类孔隙与接触角变化关系 Fig.6 Relationship between various types of pores and contact angle 着深度的进一步增大，大、中孔隙体积变得比较少， 而自重应力开始对小孔隙的骨架作用， 小孔隙体积减 小补充微孔，土的密实度增大，接触角增大。 微孔体积增加，意味着大、中、小孔隙体积减 小，伴随着密实度的增加，故接触角增大图 6d。 综上所述，大、中孔隙体积与接触角为负相关， 微孔隙体积与接触角为正相关，而小孔隙体积与接触 角在 010 m 范围内的关系曲线近似为一转置抛物线。 随着深度的增加，土的自重应力及密实程度相 应地增加。为了进一步探讨小孔隙体积分布规律， 更深入地了解随密实程度增加，接触角与小孔隙的 变化关系，对取土场地 1 m 处黄土在不同击实功下 的孔隙进行了测定，其方法是制备击数分别为 10、 20、25、30、40、50、75 击下的击实土样，击实采 用轻型击实仪击实实验方法依据文献[22]，对击实 后的试样取环刀，然后烘干，试样制作方法同不扰 动试样。试样制备、烘干后，同前述的测试方法， 用接触角测试仪测定每个试样的接触角，用压汞试 验测定其相应的孔隙。击实黄土的接触角与小孔隙 体积关系曲线如图 7 所示。 由图 7 看出，击实土接触角与小孔隙体积的变 化规律与不扰动黄土一致，先随密实程度击数增 加，接触角随小孔隙体积增大而增大，超过某一击 数30 击之后，接触角随小孔隙体积减小而增大， 其关系曲线亦近似为一转置抛物线。 图 8 为孔隙体积与深度关系图。由图 8 看出， 各类孔隙与深度的关系，类似于与接触角的关系， 即大、中孔隙随深度减小，小孔隙随深度先增后减， 微孔随深度增大， 这是由于深度与接触角为正相关， 在此不再赘述。 图 7 击实黄土接触角与小孔隙体积变化规律 Fig.7 Variation of contact angle of compacted loess as a function of small pore volume 图 8 各类孔隙体积比例分布图 Fig.8 Various pore volume ratio distribution 3 结 论 a. 对第四系晚更新统及全新统底部非饱和黄 土进行了接触角试验。接触角的数值较稳定，其值 ChaoXing 162 煤田地质与勘探 第 47 卷 在一个较小的范围内变化。干燥及天然条件下，黄 土的接触角分别为 18.5627.41及 10.6020.40； 干燥黄土的接触角高于天然状态黄土；干密度、埋 深较大的黄土，其接触角较大。 b. 黄土的接触角与其微孔隙体积为线性正相 关，与大、中孔隙体积呈线性负相关，相关系数均 达 0.80；接触角与小孔隙体积的关系曲线近似为转 置的抛物线。 c. 非饱和黄土孔径不是均匀分布的， 而是在某几个 范围集中分布。试样孔径主要分布在 100.01 m 区段 上， 即主要分布小孔隙及微孔隙， 大、 中孔隙分布较少。 参考文献 [1] KIM Myeongsoo，KIM Gunhwi，KIM Jinyoung，et al. New continuous process developed for synthesizing sponge-type polyimide membrane and its pore size control via non-solvent induced phase separationNIPS[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2017，242166–172. [2] 赵明华. 土力学与基础工程[M]. 武汉 武汉理工大学出版社， 2009. [3] SCHELLBACH S L，MONTEIRO S N，JAROSLAW W D. A novel for contact angle measurements on natural fibers[J]. Materials Letters，2016，164599–604. [4] LOURENCO S D N，SAULICK Y，ZHENG S，et al. Soil wettability in ground engineeringFundamentals，s，and applications[J]. Acta Geotechnica，2018，1311–14. [5] MOSCARIELLO M， CUOMO S， SALAGER S， et al. Capillary collapse of loose pyroclastic unsaturated sands characterized at grain scale[J]. Acta Geotechnica，2018，131117–133. [6] 邓石桥，任露泉，韩志武. 土壤–犁壁界面毛细负压的形成和 作用[J]. 吉林大学学报工学版，2004，343517–520. DENG Shiqiao，REN Luquan，HAN Zhiwu. ation of cap- illary negative air pressure on interface of soil-moldboard and its function[J]. Journal of Jilin UniversityEngineering Science， 2004，343517–520. [7] 栗现文，周金龙，周念清，等. 潜水高矿化度对粉质粘土毛细 水上升的影响[J]. 干旱区资源与环境，2016，307192–196. LI Xianwen， ZHOU Jinlong， ZHOU Nianqing， et al. Effects of high TDS on capillary rise of phreatic water in silty clay soil[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment，2016，307192–196. [8] 魏样，王益权，蔡苗，等. 石油污染对土壤毛细水上升特性的 影响[J]. 灌溉排水学报，2017，36950–56 WEI Yang，WANG Yiquan，CAI Miao，et al. Impact of soil contamination with oil on capillary water rise[J]. Journal of Irri- gation and Drainage，2017，36950–56. [9] LIU Sai，LI Shanpeng，LIU Jianlin. Jurin’s law revisitedExact meniscus shape and column height[J]. the European Physical Journal E，2018，41 46. doi 10.1140/epje/i2018-11648-1. [10] 袁玉卿， 李伟， 赵丽敏. 豫东黄泛区粉砂土毛细水上升研究[J]. 公路交通科技，2016，33233–38. YUAN Yuqing，LI Wei，ZHAO Limin. Research of silty soil capillary water rising in Yellow river flooded area of eastern He- nan[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2016，33233–38. [11] HIRD R，BOLTON M D. Clarification of capillary rise in dry sand[J]. Engineering Geology，2017，23077–83. [12] 珺杨松，龚爱民，吴华，等. 接触角对非饱和土中基质吸力的 影响[J]. 岩土力学，2015，363674–678. YANG Song， GONG Aimin， WU Yuhua， et al. Effect of contact angle on matric suction of unsaturated soil[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，363674–678. [13] GREENSPAN H P. On the motion of a small viscous droplet that wets a surface[J]. Journal of Fluid Mechanics， 1978， 841 125– 143. [14] 王晓东，彭晓峰，陆建峰，等. 接触角测试技术及粗糙表面上 接触角的滞后性Ⅰ接触角测试技术[J]. 应用基础与工程科 学学报，2003，112174–184. WANG Xiaodong， PENG Xiaofeng， LU Jianfeng， et al. Contact angle test technology and hysteresis of contact angle on rough surface IContact angle test technology[J]. Journal of Basic Science and Engineering，2003，112174–184. [15] 王晓东，彭晓峰，陆建峰，等. 接触角测试技术及粗糙表面上 接触角的滞后性Ⅱ粗糙不锈钢表面接触角的滞后性[J]. 应 用基础与工程科学学报，2003，113296–303. WANG Xiaodong， PENG Xiaofeng， LU Jianfeng， et al. Contact angle testing technology and hysteresis of contact angle on rough surface IIHysteresis of contact angle of rough stainless steel surface[J]. Journal of Basic Science and Engineering，2003， 113296–303. [16] 刘培生. 多孔材料比表面积和孔隙形貌的测定方法[J]. 稀有 金属材料与工程，2006，35增刊 225–29. LIU Peisheng. Determination of specific surface area and pore morphology of porous materials[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2006，35S225–29. [17] SMEDLEY G T， COLES D E. A refractive tilting-plate technique for measurement of dynamic contact angles[J]. Journal of Col- loid and Interface Science，2005，2861310–318. [18] 曹晓平，蒋亦民. 浸润接触线的摩擦性质与固体表面张力的 Wenzel 行为[J]. 物理学报，2005，5452202–2206. CAO Xiaoping，JIANG Yimin. Frictional properties of wetting contact line and Wenzel’s behavior of solid surface tension[J]. Chinese Journal of Physics，2005，5452202–2206. [19] 刘建维. 面向润湿作用的黄土结构性及吸附特性试验研究[D]. 西安长安大学，2017. [20] 滕新荣. 表面物理化学[M]. 北京化学工业出版社，2009. [21] 雷祥义. 中国黄土的孔隙类型与湿陷性[J]. 中国科学B 辑， 1987，17121309–1318. LEI Xiangyi. Pore types and collapsible loess in China， China[J]. Science in ChinaSeries B，1987，17121309–1318. [22] 中华人民共和国建设部. GB/T 501231999 土工试验方法标 准[S]. 北京中国计划出版社，1999. 责任编辑 周建军 ChaoXing