土中水：形态、作用和影响

土中的水以不同的形式和不同的状态存在，它们对土的工程性质起着不同的作用和影响。土中水按其工程地质性质分类如下：

1.结构水

土颗粒的表面通常是带负电荷的，它吸附水溶液中的水化阳离子和一些水分子，吸附力极强。土粒表面吸附的水化阳离子和分子构成了吸附水层，也称强结合水或吸附水。

在土粒表面，阳离子浓度最大，随着距土粒表面距离增大，阳离子浓度逐渐降低，直至达到孔隙中水溶液的正常浓度为止。从土粒表面直至阳离子浓度正常为止，这个范围称为扩散层。阴离子由于与土粒表面负电荷相排斥，因此土粒表面浓度较低，而随着距土粒表面距离增大，阴离子浓度逐渐增大，最后也达到水溶液中的正常浓度。土粒表面的负电荷层和扩散层合称为双电层（见图 7.1）。土粒表面的负电荷层为双电层的内层，扩散层为双电层的外层。扩散层是由水分子、水化阳离子和阴离子所组成，形成土粒表面的弱结合水或称为薄膜水。

图7.1　双电层示意图

强结合水紧靠土粒表面，厚度小于0.03 μm，只有几个水分子厚，受到约1 000 MPa（1万个大气压）的静电引力，使水分子紧密而整齐地排列在土粒表面不能自由移动。强结合水的性质与普通水不同，其性质接近于固体，不传递静水压力，100°C不蒸发，－78°C低温才冻结成冰，密度ρw=1.2～2.4 g/cm3，平均为 2.0 g/cm3，具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度。

当黏土只含强结合水时呈固体坚硬状态，砂土含强结合水时呈散粒状态。

弱结合水在强结合水外侧，呈薄膜状，也是由黏土表面的电分子力吸引的水分子，水分子排列也较紧密，密度ρw=1.3～1.7 g/cm3，大于普通水。弱结合水也不传递静水压力，呈黏滞体状态，也具有较高的黏滞性和抗剪强度，冰点在－30～－20°C。其厚度变化较大。水分子有从厚膜处向较薄处缓慢移动的能力，在其最外围有成为普通液态水的趋势。此部分水对黏性土的影响最大。(www.xing528.com)

2.自由水

此种水离土粒较远，在土粒表面的电场作用以外，水分子自由散乱地排列，主要受重力作用的控制。自由水包括下列两种：

（1）毛细水。这种水位于地下水位以上土粒细小孔隙中，是介于结合水与重力水之间的一种过渡型水，受毛细作用而上升。粉土中孔隙小，毛细水上升高。在寒冷地区要注意由毛细水而引起的路基冻胀问题，尤其要注意毛细水源源不断地将地下水上升而产生的严重冻胀。

毛细水水分子排列的紧密程度介于结合水和普通液态水之间，其冰点也在普通液态水之下。毛细水还具有极微弱的抗剪强度，在剪应力较小的情况下会立刻发生流动。

（2）重力水。这种水位于地下水位以下较粗颗粒的孔隙中，只受重力控制，是水分子不受土粒表面吸引力影响的普通液态水。受重力作用由高处向低处流动，具有浮力的作用。在重力水中能传递静水压力，并具有溶解土中可溶盐的能力。

3.气态水

此种水是以水汽状态存在于土孔隙中。它能从气压高的空间向气压低的空间移动，并可在土粒表面凝聚并转化为其他类型的水。气态水的迁移和聚集使土中水和气体的分布状态发生变化，可使土的性质改变。

4.固态水

此种水是当气温降至0°C以下时，由液态的自由水冻结而成。由于水的密度在4°C时最大，低于0°C的冰，不是冷缩，反而膨胀，使基础发生冻胀。寒冷地区基础的埋置深度要考虑冻胀问题。土质学与土力学中将含有固态水的土列为四相体系的特殊土——冻土。