土中水扩散层的厚度与哪些因素有关?为什么?

【专家解说】：一、土中水 在自然条件下，土中总是含水的。在一般粘性土，特别是饱和软粘性土，土中水的体积常占据整个土体相当大的比例(一般为 50 %~ 60 %，甚至高达 80% )。土中细颗粒愈多，即土的分散度愈大，水对土性质的影响愈大。所以，尤其对粘性土，则更需重视研究上中水的含量及其类别与性质。 研究土中水，必须明确有关土中水的如下概念: ( 1 ) 水分子 H2O 是强极性分子 ，其 O2- 和 2H+ 的分布各偏向一方， 氢原子端显正电荷 ，氧 原子端显负电荷 ，键角略小于 105 。(图 2 -5a )。水分子之间以氢键连接。 ( 2 ) 土中水是水溶液 。 土中水常含有 各种电解离子，这些离子由于静电引力作用吸附极性水分子，形成水化离子(图 25b )。离子的水化程度与 离子价 和离子半径有关，由表 2-2 可见: 1 )当离子半径相同， 离子价 愈高，水化愈强(水化离子半径、水化度愈大); 2 )同价离子中，离子半径愈小，水化愈强。 阳离子 离子半径( A ) 水化离子半径( 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 与 土颗粒表面 及 气体 有着复杂的相互作用，该作用程度不同，则形成不同性质的土中水，从而对土的工程性质具有不同的影响。 土中水的分类:按上述相互作用结果使土中水所呈现的性质差异及其对土的影响性质与程度，可将土中水分为 结合水和非结合水 两大类: 结合水(土粒表面结合水) : 1. 强结合水(吸着水) 2. 弱结合水(薄膜水) 非结合水 : 1. 液态水 : 毛细水(实为半结合水) 重力水(自由水) 2. 气态水(水蒸气) 3. 固态水(冰) 存在于土粒矿物结晶格 架内部 或参与矿物晶格构成的水，称为矿物内部结合水和结晶水，它只有在高温( 140 ~ 700 ℃ )下才能化为气态水而与土粒分离。所以，从对上的工程性质影响来看，应把矿物内部结合水和结晶水当作矿物颗粒的一部分。 (一)结合水 结合水: 指 受分子 引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水。这种吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。 结合水的分类:分为 强结合水和弱结合水 两种。 强结合水:是相当于反离子层的内层即固定层中的水， 弱结合水:相当于扩散层中的水。 1 .强结合水(亦称吸着水) 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。它厚度很小，一般只有几个水分子层。它的特征是，没有溶解能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。 2 .弱结合水(亦称薄膜水) 弱结合 是紧靠于强结合水的外围形成的结合水膜。但其厚度比强结水大得多，且变化大，是整个结合水膜的主体。它仍然不能传递静水压力，没有溶解能力，冰点低于 0 ℃ 。当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面较小，几乎不具可塑性，而粘性土的比表面较大，其可塑性范围就大。 (二)非结合水 为土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的一般液态水。主要受重力作用控制，能传递静水压力和能溶解盐分，在温度 0 ℃ 左右冻结成冰。典型的代表是重力水，界乎重力水和结合水之间的过渡类型水为毛细水。 1 .毛细水 土的细小孔隙中，因与土粒的分子引力和水与空气界面的表面张力共同构成的毛细力作用而 与上粒结合 ，存在于地下水面以上的一种过渡类型水。 形成过程:可用物理学中的毛细管现象来解释。由毛细 力维持 的水柱这部分水即为毛细水。 毛细水存在范围 :主要存在于直径为 0.002 ~ 0.51nm 大小的毛细孔隙中，孔隙更细小者，土粒周围的结合水膜有可能充满孔隙而不能再有毛细水。粗大的孔隙则毛细力极弱，难以形成毛细水。故毛细水主要在砂土、粉土和粉质粘性上中含量较大。 毛细水分类 :按其所处部位和与重力水所构成的地下水面的关系可分为毛细上升水和毛细悬挂 水两种 形式。前者是从地下水面因毛细作用上升而形成的毛细水，下部与地下水面相连，并随地下水面升降一起发生升降变化，往往呈较稳定的毛细水带。后者为毛细力作用使下渗水 流部分 保持在毛细孔隙中，或地下水面以上原有毛细水带因地下水面急剧下降而脱离地下水从而仍保持在毛细孔隙中的水;悬挂在包气带中。 毛细水对土的工程性质及建筑工程的影响: ( 1 )在非饱和土中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧(图 2-7 )，土因而具有微弱的内聚力，称为毛细内聚力或假内聚力。它实际上是使土粒间的有效应力增高而增加土的强度。但当土体浸水饱和或失水干燥时，土粒间的弯液面消失，这种由毛细压力造成 的粒间有效应力 即行消失，所以，为安全 计以及 从最不利的可能条件考虑，工程设计上一般不计入;反而必须考虑毛细水上升使上层含水量增大，从而降低土的强度和增大土的压缩性等的不利影响; ( 2 )毛细水上升接近建筑物基础底面时，毛细压力将作为基底附加压力的增值，而增大建筑物的沉降; ( 3 )毛细水上升接近或浸没基础时，在寒冷地区将加剧冻胀作用; ( 4 )毛细水浸润基础或管道时，水中盐分对混凝土和金属材料常具有腐蚀作用。2 .重力水(或称自由水) 是存在于较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下流动的水。为普通液态水。重力水流动时，产生动水压力，能冲刷带走土中的细小土粒，这种作用称为机械潜蚀作用。重力水还 能溶滤土中 的水溶盐，这种作用称为化学潜蚀作用。两种潜蚀作用都将使土的孔隙增大，增大压缩性，降低抗剪强度。同时，地下水面以下饱水的土重及工程结构的重量，因受重力水浮力作用，将相对减小。 3 .气态水和固态水 以水气状态存在，从气压高的地方向气压低的地方移动。水气可在土粒表面凝聚转化为其它各种类型的水。气态水的迁移和聚集使土中水和气体的分布状况发生变化，可使土的性质改变。 当温度降低至 0 ℃ 以下时，土中的水，主要是重力水冻结成固态水(冰)。固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。但温度升高解冻后，变为液态水，土的强度急剧降低，压缩性增大，上的工程性质显著恶化。特别是水冻结成冰时体积增大，解冻融化为水时，土的结构变疏松，使土的性质更加变坏。 二、土中气体 土中的气体，主要为空气和水气。但有时也可能含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢，这些气体大多因 生物化学作用 生成。 气体的存在形式:一种是 封闭气体 ，另一种是 游离气体 。 游离气 : 通常存在于近地表的包气带中，与大气连通，随外界条件改变与大气有交换作用，处于动平衡状态，其含量的多少取决于土孔隙的体积和水的充填程度。它一般对土的性质影响较小。 封闭气体 : 呈封闭状态存在于土孔隙中，通常是由于地下水面上升，而上的孔隙大小不一，错综复杂，使部分气体没能逸出而被水包围，与大气隔绝，呈封闭状态存在于部分孔隙内。对土的性质影响较大，如降低土的透水性和使土不易压实等。饱水粘性土中的封闭气体在压力长期作用下被压缩后， 具很大内 压力，有时可能冲破土层个别地方逸出，造成意外沉陷。 在淤泥和 泥炭质土等 有机土中，由于 微生物的分解作用 ，土中聚积有某种有毒气体和 可 燃气体，例如 CO2 、 H2S 和甲烷等。其中尤以 CO2 的吸附作用最强，并埋藏于较深的土层中，含量随深度增大而增多。土中这些有害气体的存在不仅使土体长期得不到压密，增大土的压缩性，而且当开挖地下工程揭露这类 上层时 会严重危害人的生命安全(使人窒息或发生瓦斯爆炸)。