土中水的形态及其对土性的影响

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.2,土中水的形态及其对土性的影响,土中水,固态、液态与气态,液态：,结合水,重力水,气态,1,4.2.1,土与水间的物理化学作用,粘土颗粒表面的双电层,水分子之间，阳离子、水分子与粘土颗粒之间的相互作用力双电层,图,4,水分子,2,1.,粘土颗粒表面带负电，其上吸附有阳离,子云或水分子偶极子。水分子偶极子在粘土,表面形成强结合水，其厚度约,10,（三个水,分子层），强结合水比重大于,1,，冰点低于,零度，不能象自由水那样流动。,2.,粘土颗粒对水的特性的影响，随与粘粒,表面距离的增加作用力按指数关系衰减，相,互作用在大约,100,以内是明显的。,一般讲，达西定律基本上也适用于高塑性粘,土。,粘土中的结合水,3,3.,土的塑性是粘性土的主要特性，颗粒间靠结合水连结，因而表现出塑性。粘土矿物的片状结构及矿物特性，使其具有较厚的扩散层,4.,絮凝结构或分散作用取决于悬液中离子的浓度和价数，从而决定了扩散层的厚度,粘土中的结合水,4,4.2.2,毛细水与土中毛细力,图4,4,毛细水,5,图4,5,不同情况下毛细水上升高度,6,土中的情况十分复杂，不能形成完全“毛细饱和”,倒置于水中的土柱,图4,6,倒置土柱的饱和度,7,吸力,土中的吸力（,Suction,）包括基质吸力和渗透吸力两部分:基质吸力（,matric suction,）主要是指土中毛细作用；而渗透吸力是指溶质部分，它是由于土中水溶液中盐分浓度不同引起的。,一般基质吸力占总吸力的主要部分。它通常用以上介绍的毛细管上升模型来解释。在非饱和土中，基质吸力不能简单地用这种毛细管上升模型来分析和解决问题。,8,非饱和土中基质吸力可表示为：,吸力也可用毛细管折算的上升高度表示。当气压,u,a,=0,时，为了方便，有时也用吸力指数,pF,表示：,9,土-水特征曲线,基质吸力与土的饱和度有关，它与饱和度或含水量之间的关系曲线也称为,土-水特征曲线,，或称水分特征曲线。不同土的土-水特征曲线见图4-,7,，可见它与土性有关，与吸水、脱水过程有关。,图4,7,土-水特征曲线,10,吸力的测定,张力计法,滤纸法,热电阻法,压力陶瓷板法,11,4.2.3,土的冻胀和冻融作用,图4,8,冰的分子结构,12,水冰：大约体胀,9,。,1928至1929年冬季，卡萨格兰德（Casagrande）在美国新罕布什尔州的公路进行了实地量测。当地秋季时地下水位深2m，冬季当冻层深度为45cm时，地表总冻胀量达13cm。冻层中冻结前含水量为812，冻结后含水量达到60110。开挖后发现冻层中分布大量的冰晶、冰透镜体、冰夹层，平均冰厚度为,13cm,。,可见地基中水分的转移才是地基冻胀的基本原因。,13,图4,9,冻胀过程中的水分转移,冻胀,14,冻胀的机理与过程,土中冰晶与颗粒表面水的结冻温度0度：土中水的离子，颗粒的表面力 冰晶与土颗粒表面存在未冻水，可比0度低几度。而在冻结锋面存在吸附膜。随着温度降低，吸附膜水被结冻，离子浓度增加，产生吸力，它力图保持膜厚度不变，吸力将下部土中水（毛细水）吸引上来，再结冻形成冰透镜体，冻胀增加毛细力又吸引下部的地下水，源源不断，形成开,放,体系，使冻胀不断增加。,15,T,s,为,地表面气温,T,0,为,多年平均气温,当水结冻时，释放潜热，向水下传递，随着冻结锋面下降，,d,T,/d,z,减小，最后锋面达到平衡。,T,s,T,0,z,T,冻结锋面下降,图4,地基土的冻结与温度传递,（散热）热流方程,：,16,吸力/100,kPa,粉土,粉砂,粘土,图4,比最优含水量高,3,下压实的几种土,渗透系数,k/,cm/s,随着吸力增加渗透系数减少,17,不同土的冻胀性,粉砂：孔隙多、大，土中水冻结温度接近,0,度，潜热多。在吸力下渗透系数急剧下降，无水供给非冻胀土。,粘土：渗透系数太小，随吸力变化不大。无法供给水量形成透镜体，只有在比自然界结冻速率慢得多时，可能有较大冻胀。,粉土：在,40kPa吸力,下开始排水，在很大吸力下仍有一定的含水量强冻胀土。,18,图4,某桥冻拔成非对称罗锅形,19,冻胀丘（,Pingo）,图417,冻胀丘（,Pingo）,20,融化作用,翻浆,滑坡,融陷,21,