高等土力學(xué)(李廣信)4.2_土中水形態(tài)及其對(duì)土性影響

1、4.2 土中水的形態(tài)及其對(duì)土性的影響 土中水固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)液態(tài)：結(jié)合水毛細(xì)水重力水 氣態(tài)4.2.1土與水間的物理化學(xué)作用粘土顆粒表面的雙電層 水分子之間，陽(yáng)離子、水分子與粘土顆粒之間的相互作用力雙電層圖圖47 水分子 1. 粘土顆粒表面帶負(fù)電，其上吸附有陽(yáng)離子云或水分子偶極子。水分子偶極子在粘土表面形成強(qiáng)結(jié)合水，其厚度約10（三個(gè)水分子層），強(qiáng)結(jié)合水比重大于1，冰點(diǎn)低于零度，不能象自由水那樣流動(dòng)。 2. 粘土顆粒對(duì)水的特性的影響，隨與粘粒表面距離的增加作用力按指數(shù)關(guān)系衰減，相互作用在大約100以內(nèi)是明顯的。一般講，達(dá)西定律基本上也適用于高塑性粘土。粘土中的結(jié)合水 3. 土的塑性是粘性土的主要

2、特性，顆粒間靠結(jié)合水連結(jié)，因而表現(xiàn)出塑性。粘土礦物的片狀結(jié)構(gòu)及礦物特性，使其具有較厚的擴(kuò)散層 4. 絮凝結(jié)構(gòu)或分散作用取決于懸液中離子的濃度和價(jià)數(shù)，從而決定了擴(kuò)散層的厚度 粘土中的結(jié)合水4.2.2 毛細(xì)水與土中毛細(xì)力 cw4 cos0Thdcw4 cosThdwcwuh 圖圖48 毛細(xì)水圖圖49 不同情況下毛細(xì)水上升高度土中的情況十分復(fù)雜，不能形成完全“毛細(xì)飽和”倒置于水中的土柱圖圖410 立于水中土柱的飽和度吸力 土中的吸力（Suction）包括基質(zhì)吸力和滲透吸力兩部分:基質(zhì)吸力（matric suction）主要是指土中毛細(xì)作用；而滲透吸力是指溶質(zhì)部分，它是由于土中水溶液中鹽分濃度不同引起

3、的。 一般基質(zhì)吸力占總吸力的主要部分。它通常用以上介紹的毛細(xì)管上升模型來(lái)解釋。在非飽和土中，基質(zhì)吸力不能簡(jiǎn)單地用這種毛細(xì)管上升模型來(lái)分析和解決問(wèn)題。非飽和土中基質(zhì)吸力可表示為： awsuu 吸力也可用毛細(xì)管折算的上升高度表示。當(dāng)氣壓ua=0時(shí)，為了方便，有時(shí)也用吸力指數(shù)pF表示：wlgpFhwwsh土-水特征曲線基質(zhì)吸力與土的飽和度有關(guān)，它與飽和度或含水量之間的關(guān)系曲線也稱為土土- -水特水特征曲線征曲線，或稱水分特征曲線。不同土的土-水特征曲線見圖4-11，可見它與土性有關(guān)，與吸水、脫水過(guò)程有關(guān)。 圖圖411 土-水特征曲線吸力的測(cè)定張力計(jì)法濾紙法熱電阻法壓力陶瓷板法4.2.3 土的凍脹和凍

4、融作用 圖圖412 冰的分子結(jié)構(gòu) 水冰：大約體脹9。 1 9 2 8 至 1 9 2 9 年 冬 季 ， 卡 薩 格 蘭 德（Casagrande）在美國(guó)新罕布什爾州的公路進(jìn)行了實(shí)地量測(cè)。當(dāng)?shù)厍锛緯r(shí)地下水位深2m，冬季當(dāng)凍層深度為45cm時(shí)，地表總凍脹量達(dá)13cm。凍層中凍結(jié)前含水量為812，凍結(jié)后含水量達(dá)到60110。開挖后發(fā)現(xiàn)凍層中分布大量的冰晶、冰透鏡體、冰夾層，平均冰厚度為13cm。 可見地基中水分的轉(zhuǎn)移才是地基凍脹的基本原因。圖圖413 凍脹過(guò)程中的水分轉(zhuǎn)移凍脹凍脹的機(jī)理與過(guò)程 土中冰晶與顆粒表面水的結(jié)凍溫度0度：土中水的離子，顆粒的表面力 冰晶與土顆粒表面存在未凍水，可比0度低幾度

5、。而在凍結(jié)鋒面存在吸附膜。隨著溫度降低，吸附膜水被結(jié)凍，離子濃度增加，產(chǎn)生吸力，它力圖保持膜厚度不變，吸力將下部土中水（毛細(xì)水）吸引上來(lái)，再結(jié)凍形成冰透鏡體，凍脹增加毛細(xì)力又吸引下部的地下水，源源不斷，形成開敞體系，使凍脹不斷增加。Ts為 地表面氣溫T0為多年平均氣溫ztkqtt當(dāng)水結(jié)凍時(shí)，釋放潛熱，向水下傳遞，隨著凍結(jié)鋒面下降，dT/dz減小，最后鋒面達(dá)到平衡。TsT0zT凍結(jié)鋒面下降圖圖414 地基土的凍結(jié)與溫度傳遞（散熱）熱流方程：吸力/100kPa粉土粉砂粘土圖圖415 比最優(yōu)含水量高3下壓實(shí)的幾種土滲透系數(shù)k/ cm/s隨著吸力增加滲透系數(shù)減少 不同土的凍脹性粉砂：孔隙多、大，土中水凍結(jié)溫度接近0度，潛熱多。在吸力下滲透系數(shù)急劇下降，無(wú)水供給非凍脹土。 粘土：滲透系數(shù)太小，隨吸力變化不大。無(wú)法供給水量形成透鏡體，只有在比自然界結(jié)凍速率慢得多時(shí)，可能有較大凍脹。 粉土：在4