土中水(液相)

土中水即为土的液相,其含量对土(尤其是黏性土)的性质影响较大。土中水除了一部分以结晶水的形式紧紧吸附于固体颗粒的晶格内部外,还存在结合水和自由水两大类。

1.结合水

黏土颗粒表面通常带负电荷,在土粒电场范围内,极性分子的水和水溶液中的阳离子,在静电引力的作用下,被牢牢吸附在土颗粒周围,形成一层不能自由移动的水膜,这种水称为结合水。在土粒形成的电场范围内,随着距离土颗粒表面的远近不同,水分子和水化离子的活动状态及表现性质也不相同。根据水分子受到静电引力作用的大小,结合水分为强结合水和弱结合水,如图2-2所示。

(1)强结合水。强结合水是受到土颗粒表面强大的吸引力而牢固地结合在土颗粒表面的结合水。其性质接近于固体,不能传递静水压力,没有溶解盐类的能力,冰点为－78℃,密度为1.2～2.4g/cm3,在温度达到105℃以上时,才能被蒸发,具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度。黏性土中只含有强结合水时,呈固体状态,磨碎后则呈粉末状态,砂土中的强结合水很少,仅含强结合水时呈散粒状。

(2)弱结合水。弱结合水是强结合水以外,电场作用范围以内的水。它也受颗粒表面电荷所吸引而定向排列于颗粒四周,但电场作用力随远离颗粒而减弱。它是一种黏滞水膜,仍不能传递静水压力,但较厚的弱结合水膜能向邻近较薄的水膜缓慢转移。弱结合水的存在是黏性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。弱结合水离土粒表面越远,其受到的电分子吸引力越弱,并逐渐过渡到自由水。

2.自由水

自由水是指存在于土粒形成的电场范围以外能自由移动的水。自由水和普通水相同,有溶解能力,冰点为0℃,能传递静水压力。按自由水移动时所受作用力的不同,自由水可分为重力水和毛细水。

图2-2　黏粒表面的水

(1)重力水。重力水是指在重力或压力差的作用下,能在土中自由流动的水。一般指地下水位以下的透水土层中的地下水,对于土粒和结构物的水下部分起浮力作用。重力水在土孔隙中流动时,对所流经的土体施加动水压力。施工时,重力水对基坑开挖、排水等方面均有很大影响。

(2)毛细水。土体内部存在着相互贯通的弯曲孔道,可以看成许多形状不一、大小不同、彼此连通的毛细管。由于受到水与空气界面的表面张力的作用,地下水将沿着这些毛细管逐渐上升,从而在地下水位以上形成一定高度的毛细水。毛细水的上升高度和速度与土中孔隙的大小和形状、颗粒尺寸以及水的表面张力等有关。在工程中,毛细水的上升高度和速度对于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻胀等有重要影响。当土孔隙中局部存在毛细水时,使土粒之间由于毛细压力互相靠近而压紧,如图2-3所示,土因此会表现出微弱的凝聚力,称为毛细凝聚力。这种凝聚力的存在,使潮湿砂土能开挖一定的高度,但干燥以后,毛细凝聚力消失,就会松散坍塌。

图2-3　毛细水压力示意图