土的液相:包括结合水、毛细水、重力水

土中的水,土中水处于不同位置和温度条件下,可具有不同的物理状态——固态(零度下的冰夹层等)、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态,因其受土粒表面多余负电荷影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水(自由水)。

(1)结合水

土颗粒表面带有一定的不平衡电荷,当土粒与水相接触时,由于静电作用力,将吸引水化离子和水分子,并牢固地黏结在土粒表面,形成结合水层。结合水层又可分为强结合水层和弱结合水层,强结合水紧靠土粒表面,其性质接近于固体,密度大于 1 g/cm ,冰点为-78℃,不能传递静水压力,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。黏土中只含强结合水时,呈固体状态,磨碎后呈粉末状;砂土粒比表面积小,静电作用力很小,因此强结合水很少,仅含强结合水时呈散粒状。在强结合水外围的结合水层称弱结合水,弱结合水由于距离土粒表面较远,受土粒表面电吸引力较弱,故而弱结合水流动性优于强结合水,仅有重力作用时,弱结合水不能移动,但在重力之余又有其他力作用时,可以发生缓慢移动。弱结合水的存在是黏性土在某个含水量范围内表现出可塑性的原因,土的冻胀也与此有关。

(2)非结合水

土粒表面电场影响范围以外的水可以在毛细作用或重力作用下在土孔隙中发生流动,这种水的性质与普通水性质一样,能够传递静水压力,冰点为0 ℃,有溶解盐类的能力。

①毛细水

毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细水上升水(与地下水相连)两种。毛细水是受毛细管作用控制的水,可以把土的孔隙看作是连续变截面的毛细管,毛细管放在水中,管中的水位会上升到自由水位以上的一定高度,毛管直径愈细上升高度愈高,但土粒极细时,如为黏粒时,土中水受土颗粒四周电场影响,颗粒与水之间积极的物理化学作用,使得天然土中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多,毛细水上升高度并不能通过简单的孔径大小计算得到,而要通过实地调查、观测得到。

毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同,它与水头高度h 成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力,自由水位以上,毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力,因此自由水位以下,土骨架受浮托力,颗粒间的压力减小。自由水位以上,毛细区域内,颗粒间受压力,毛细压力呈倒三角形分布,弯液面处最大,自由水面处为零。

②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可以运动运动的自由水,对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制,不受土粒表面静电引力及毛细作用的影响。

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