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2.土中的水和气在自然条件下,土中总是含水的。土中的水存在于带电颗粒之间。 因此,土中水的存在状态及其与土粒相互作用,会导致土的物理力学性质的变化。
水分子是一种极性分子。氢原子一端显示正电荷,氧原子一端显 示负电荷。黏粒表面带有负电荷,因此在土粒形成的电场范围内,水分子会发生定向排列 而且和水溶液中的阳离子形成水化离子被动土颗粒所吸附。
水溶液中的阳离子本身有一个小电场吸引水分子以水化离子的形式存在水溶液中。因 此水分子和水化离子的活动状态与离开黏粒表面的距离有关。根据受到吸引力的大小,土 中的水可以分成结合水和自由水两大类。
(1)结合水 结合水是指在土颗粒表面静电引力作用范围内的水。结合水又可分成强结合水和弱结合水。
1)强结合水紧靠土颗粒表面静电引力最强,把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,这部分水称为强结合水,它的特征是没有溶解能力,不能传递静水压力,接近于固体的性质,只有吸热变成蒸汽时才能移动。干燥的土在空气中会吸水重量增加直到最大吸湿容量为止。土颗粒愈细,比表面愈大则最大吸湿容量就愈大。砂土的最大吸湿容量约占干土重量的1 % ,而和土可达17% 。
2)弱结合水土粒表面上所具有的电位称为热力电位,被强结合水平衡一部分后在固定层界面上剩余的电位称为电动电位,它继续吸引水分子和水化离子,直到影响力完全 消失为止。弱结合水就是紧靠于强结合水的外围形成的一层水膜,在这层水膜里水分子和水化离子仍受到一定程度的静电引力。这层水膜称为扩散层,它仍然不能传递静水压力, 但水膜较厚的弱结合水会向邻近水膜较薄的部位缓慢转移。扩散层和固定层中所含的水化阳离子与土粒表面的负离子一起构成所谓"双电层"。扩散层水膜的厚度对黏性土的性质影响很大。水膜厚度大,土的塑性高,压缩性也大,土的强度低,容易膨胀和收缩。 扩散层的厚度可随外界条件的变化而变化。水化离子的原子价愈高,扩散层的厚度愈 薄,在工程实践中可利用这一原理来改良土壤。例如,用高价的铁、铝、钙、续等离子来 交换低价的专内离子,使扩散层变薄,从而增加土的稳定性,减少膨胀性,提高土的强度; 有时,又可用含一价离子的盐溶液处理秸土使扩散层变厚,从而大大降低士的透水性。
(2)自由水 自由水指不受土粒表面电荷电场影响的水。它的性质和普通水一样,能 传递静水压力,具有溶解能力,冰点为0oC。自由水按移动时所受作用力的不同,可以分为重力水和毛细水两类。
1)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水,它是在重力或压 力差作用下自由运动,对土粒有浮力作用。重力水对士中的应力状态有很重要的影响。
2)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面上表面张力作用的自由水。它存在于潜水 位以上的透水土层中。毛细弯液面张力的反作用力称为毛细压力,它能使土粒之间的有效 应力增加。毛细水上升的高度和速度对建筑物底层防潮,路基的冻胀等有重要的影响。
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