土中水擴散層的厚度與哪些因素有關?為什么?

【專家解說】：一、土中水 在自然條件下，土中總是含水的。在一般粘性土，特別是飽和軟粘性土，土中水的體積常占據(jù)整個土體相當大的比例(一般為 50 %~ 60 %，甚至高達 80% )。土中細顆粒愈多，即土的分散度愈大，水對土性質的影響愈大。所以，尤其對粘性土，則更需重視研究上中水的含量及其類別與性質。 研究土中水，必須明確有關土中水的如下概念: ( 1 ) 水分子 H2O 是強極性分子 ，其 O2- 和 2H+ 的分布各偏向一方， 氫原子端顯正電荷 ，氧 原子端顯負電荷 ，鍵角略小于 105 。(圖 2 -5a )。水分子之間以氫鍵連接。 ( 2 ) 土中水是水溶液 。 土中水常含有 各種電解離子，這些離子由于靜電引力作用吸附極性水分子，形成水化離子(圖 25b )。離子的水化程度與 離子價 和離子半徑有關，由表 2-2 可見: 1 )當離子半徑相同， 離子價 愈高，水化愈強(水化離子半徑、水化度愈大); 2 )同價離子中，離子半徑愈小，水化愈強。 陽離子 離子半徑( A ) 水化離子半徑( A ) 水化度 Li +Na +K + 0.78 0.98 1.33 7.3 5.6 3.8 12.6 8.4 4.0 Mg 2+Ca 2+ 0.78 1.06 10.8 9.6 15.2 10.0 ( 3 )土中 水溶液 與 土顆粒表面 及 氣體 有著復雜的相互作用，該作用程度不同，則形成不同性質的土中水，從而對土的工程性質具有不同的影響。 土中水的分類:按上述相互作用結果使土中水所呈現(xiàn)的性質差異及其對土的影響性質與程度，可將土中水分為 結合水和非結合水 兩大類: 結合水(土粒表面結合水) : 1. 強結合水(吸著水) 2. 弱結合水(薄膜水) 非結合水 : 1. 液態(tài)水 : 毛細水(實為半結合水) 重力水(自由水) 2. 氣態(tài)水(水蒸氣) 3. 固態(tài)水(冰) 存在于土粒礦物結晶格 架內(nèi)部 或參與礦物晶格構成的水，稱為礦物內(nèi)部結合水和結晶水，它只有在高溫( 140 ~ 700 ℃ )下才能化為氣態(tài)水而與土粒分離。所以，從對上的工程性質影響來看，應把礦物內(nèi)部結合水和結晶水當作礦物顆粒的一部分。 (一)結合水 結合水: 指 受分子 引力、靜電引力吸附于土粒表面的土中水。這種吸引力高達幾千到幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結在一起。 結合水的分類:分為 強結合水和弱結合水 兩種。 強結合水:是相當于反離子層的內(nèi)層即固定層中的水， 弱結合水:相當于擴散層中的水。 1 .強結合水(亦稱吸著水) 強結合水是指緊靠土粒表面的結合水。它厚度很小，一般只有幾個水分子層。它的特征是，沒有溶解能力，不能傳遞靜水壓力，只有吸熱變成蒸汽時才能移動。 2 .弱結合水(亦稱薄膜水) 弱結合 是緊靠于強結合水的外圍形成的結合水膜。但其厚度比強結水大得多，且變化大，是整個結合水膜的主體。它仍然不能傳遞靜水壓力，沒有溶解能力，冰點低于 0 ℃ 。當土中含有較多的弱結合水時，土則具有一定的可塑性。砂土比表面較小，幾乎不具可塑性，而粘性土的比表面較大，其可塑性范圍就大。 (二)非結合水 為土粒孔隙中超出土粒表面靜電引力作用范圍的一般液態(tài)水。主要受重力作用控制，能傳遞靜水壓力和能溶解鹽分，在溫度 0 ℃ 左右凍結成冰。典型的代表是重力水，界乎重力水和結合水之間的過渡類型水為毛細水。 1 .毛細水 土的細小孔隙中，因與土粒的分子引力和水與空氣界面的表面張力共同構成的毛細力作用而 與上粒結合 ，存在于地下水面以上的一種過渡類型水。 形成過程:可用物理學中的毛細管現(xiàn)象來解釋。由毛細 力維持 的水柱這部分水即為毛細水。 毛細水存在范圍 :主要存在于直徑為 0.002 ~ 0.51nm 大小的毛細孔隙中，孔隙更細小者，土粒周圍的結合水膜有可能充滿孔隙而不能再有毛細水。粗大的孔隙則毛細力極弱，難以形成毛細水。故毛細水主要在砂土、粉土和粉質粘性上中含量較大。 毛細水分類 :按其所處部位和與重力水所構成的地下水面的關系可分為毛細上升水和毛細懸掛 水兩種 形式。前者是從地下水面因毛細作用上升而形成的毛細水，下部與地下水面相連，并隨地下水面升降一起發(fā)生升降變化，往往呈較穩(wěn)定的毛細水帶。后者為毛細力作用使下滲水 流部分 保持在毛細孔隙中，或地下水面以上原有毛細水帶因地下水面急劇下降而脫離地下水從而仍保持在毛細孔隙中的水;懸掛在包氣帶中。 毛細水對土的工程性質及建筑工程的影響: ( 1 )在非飽和土中局部存在毛細水時，毛細水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒，使土粒之間由于這種毛細壓力而擠緊(圖 2-7 )，土因而具有微弱的內(nèi)聚力，稱為毛細內(nèi)聚力或假內(nèi)聚力。它實際上是使土粒間的有效應力增高而增加土的強度。但當土體浸水飽和或失水干燥時，土粒間的彎液面消失，這種由毛細壓力造成 的粒間有效應力 即行消失，所以，為安全 計以及 從最不利的可能條件考慮，工程設計上一般不計入;反而必須考慮毛細水上升使上層含水量增大，從而降低土的強度和增大土的壓縮性等的不利影響; ( 2 )毛細水上升接近建筑物基礎底面時，毛細壓力將作為基底附加壓力的增值，而增大建筑物的沉降; ( 3 )毛細水上升接近或浸沒基礎時，在寒冷地區(qū)將加劇凍脹作用; ( 4 )毛細水浸潤基礎或管道時，水中鹽分對混凝土和金屬材料常具有腐蝕作用。2 .重力水(或稱自由水) 是存在于較粗大孔隙中，具有自由活動能力，在重力作用下流動的水。為普通液態(tài)水。重力水流動時，產(chǎn)生動水壓力，能沖刷帶走土中的細小土粒，這種作用稱為機械潛蝕作用。重力水還 能溶濾土中 的水溶鹽，這種作用稱為化學潛蝕作用。兩種潛蝕作用都將使土的孔隙增大，增大壓縮性，降低抗剪強度。同時，地下水面以下飽水的土重及工程結構的重量，因受重力水浮力作用，將相對減小。 3 .氣態(tài)水和固態(tài)水 以水氣狀態(tài)存在，從氣壓高的地方向氣壓低的地方移動。水氣可在土粒表面凝聚轉化為其它各種類型的水。氣態(tài)水的遷移和聚集使土中水和氣體的分布狀況發(fā)生變化，可使土的性質改變。 當溫度降低至 0 ℃ 以下時，土中的水，主要是重力水凍結成固態(tài)水(冰)。固態(tài)水在土中起著暫時的膠結作用，提高土的力學強度，降低透水性。但溫度升高解凍后，變?yōu)橐簯B(tài)水，土的強度急劇降低，壓縮性增大，上的工程性質顯著惡化。特別是水凍結成冰時體積增大，解凍融化為水時，土的結構變疏松，使土的性質更加變壞。 二、土中氣體 土中的氣體，主要為空氣和水氣。但有時也可能含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫，這些氣體大多因 生物化學作用 生成。 氣體的存在形式:一種是 封閉氣體 ，另一種是 游離氣體 。 游離氣 : 通常存在于近地表的包氣帶中，與大氣連通，隨外界條件改變與大氣有交換作用，處于動平衡狀態(tài)，其含量的多少取決于土孔隙的體積和水的充填程度。它一般對土的性質影響較小。 封閉氣體 : 呈封閉狀態(tài)存在于土孔隙中，通常是由于地下水面上升，而上的孔隙大小不一，錯綜復雜，使部分氣體沒能逸出而被水包圍，與大氣隔絕，呈封閉狀態(tài)存在于部分孔隙內(nèi)。對土的性質影響較大，如降低土的透水性和使土不易壓實等。飽水粘性土中的封閉氣體在壓力長期作用下被壓縮后， 具很大內(nèi) 壓力，有時可能沖破土層個別地方逸出，造成意外沉陷。 在淤泥和 泥炭質土等 有機土中，由于 微生物的分解作用 ，土中聚積有某種有毒氣體和 可 燃氣體，例如 CO2 、 H2S 和甲烷等。其中尤以 CO2 的吸附作用最強，并埋藏于較深的土層中，含量隨深度增大而增多。土中這些有害氣體的存在不僅使土體長期得不到壓密，增大土的壓縮性，而且當開挖地下工程揭露這類 上層時 會嚴重危害人的生命安全(使人窒息或發(fā)生瓦斯爆炸)。