土力学——土中的水和气

一、土中的水

液相可分为矿物内部结合水、结合水和自由水。

1、矿物内部结合水：存在于晶体构架内部或参与矿物构造的水；只有在比较高的温度下才能化为气态水，与土粒分离；一般将矿物内部结合水作为矿物颗粒的一部分，不算到土的含水量中；

2、结合水（吸附水）：以液态形式存在土中。受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水；这种吸引力高达几千-几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。由于土粒表面一般带有负电荷，因此在土粒周围形成电场。土粒电场范围内的水分子，和水溶液中的阳离子，将会一起吸附在土粒表面。由于水分子是极性分子，其氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷，所以将被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列。

土粒周围的阳离子，一方面受到土粒所形成电场的静电引力作用，另一方面又受到布朗运动，即热运动的扩散力作用，在最靠近土粒表面处，静电引力最强。将水化离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面上形成固定层。在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和极性水分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层。固定层和扩散层中所含的阳离子，与土粒表面负电荷一起即构成双电层结构。可利用这一性质改善土质，使扩散层变薄，增加土的稳定性、提高土的强度。如果使扩散层变厚，则会大大降低土的透水性。

反离子层中的结合水分子和交换离子，越靠近土粒表面，则排列得越紧密和整齐，活动性也越小。因而结合水又可以分为强结合水和弱结合水两种。强结合水相当于反离子层的内层，即固定层中的水，而弱结合水相当于扩散层中的水。

1）强结合水：紧靠土粒表面的水，即特征是没有溶解盐类的能力；不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽后才能移动；这种水极其牢固地附着在固体颗粒上，性质接近于固体，具有极大的粘滞度（great viscosity)、弹性和抗剪强度。

最大吸着度：土颗粒越细，最大吸着度越大。砂土：1%，黏土：17%

黏土中含强结合水时呈固定状态，磨碎后则呈粉末状态。

2）弱结合水：紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。不能传递静水压力；水膜较厚的弱结合水能够向临近的薄水膜转移；当土中含较多弱结合水时，土具有可塑性。

砂土比表面积较小，几乎不具可塑性。而黏性土的比表面较大，其可塑性范围较大。逐渐过渡到自由水。弱结合水是黏性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。

3、自由水：以液态形式存在土中。存在于土粒表面电场影响范围以外的水，性质与普通水一样，能传递静水压力；冰点为0℃，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，分为重力水和毛细水。

1）重力水：存在于地下水位以下，透水土层中的地下水；是在重力或压力差作用下的自由水。对土粒有浮力作用，可影响土的应力状态。

2）毛细水：存在于地下水位以上，透水土层中的地下水；分布在土粒间相互贯通的孔隙，可以看成是形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水，由于水分子与土粒分子之间的附着力，以及水气界面上的表面张力，地下水将沿着这些孔道被吸引上来。在地下水位以上形成一定高度的毛细水带，这一高度称为毛细水上升高度。它与土中孔隙的大小形状、土粒矿物组成以及水的性质有关。

在毛细水带内，只有靠近地下水位的一部分土，才被认为是饱和的，这一部分被称为毛细水饱和带。毛细水带内，由于水气界面上弯液面和表面张力的存在，使水内的压力小于大气压力，即水压力为负值，于是引起使相邻土颗粒挤紧的压力，这个压力称为毛细压力。毛细压力增加了粒间错动的摩擦阻力，犹如给予砂土以某些凝聚力，所以在潮湿的砂土中，能够开挖一定高度直立坑壁。而在被水浸没的砂土中，弯液面消失，毛细压力变为0，凝聚力不再存在，因此也称为假凝聚力（apparent cohesion)。

 二、土中的气

1、存在于土孔隙中未被水占据的部位：对土的力学性质影响不大；

2、大气隔绝的封闭气泡：土在外力作用下的弹性增加，透水性减小，如有机质土。