土中水對土的力學性質影響分析

魏 月

山東省地質礦產勘查開發局八0一水文地質工程地質大隊 山東省地礦工程勘察院 山東 濟南 250000

0 引言

土是由固、液、氣三相組成。液態的水，氣態的空氣充填于整個土體顆粒之間，當土體顆粒空隙之間充滿空氣時，此時的土體稱為干土，當顆粒之間空隙充滿水時，稱為飽和土。土力學是上個世紀新興學科，主要是研究土的力學性質及其特性的一門科學，他的研究對象是土。土的性質復雜，規律性較小，計算結果離散性較大，變化無常。

研究土的力學變化規律，自然離不開土中水的研究，土中普遍含有水，包括液態水和固態水，其對土的性質影響最大。土中水的增加或者減少，直接影響土的力學性質，地下工程中大多數的災害是與水有關，因此研究水對土的力學性質的影響，對建設工程的安全具有重要的理論意義和實踐意義。

1 水在土中的特性

土中水的存在形式主要有自由水和結合水兩種，結合水又可以分為強結合水和弱結合水，強結合水接近固態，是土的重要組成部分，他具有極強的黏結性和提升土體抗剪強度。弱結合水增多，在土中表現出的是土的可塑性。自由水在土中又稱為毛細水和重力水，其自由形態又稱為靜態水和動力水。不同存在形式的水對土的影響是不同的，尤其是動力水和固態水對土的力學性質影響顯著。

土的強度主要表現為粘結力，土顆粒間的化學膠結和接觸能力越強。三種強度都與水直接相關，其中受水影響最大的是粒間化學結強度，化學膠結物一旦浸水，融入水中，土體分解，影響其強度明顯。水的增多，導致顆粒之間的空隙水壓力增加，加速了膠結的破壞，引發顆粒間支撐作用減弱，最終使土的強度降低影響工程的安全性。

2 土的力學特征

土的經典理論-太沙基的有效應力原理，是建立在土體顆粒和空隙水壓力之上的。地基土的承載力主要由土的有效應力和空隙水壓力承擔。經大量研究表明，土體顆粒之間接觸點越多，其接觸面積越大，土的有效應力也就越大，土的強度越高。土顆粒之間的孔隙水壓力，與有效應力相反，建筑上部荷載使土粒間空隙水壓力超出了靜水壓力，這部分成為超孔隙水壓力，這部分壓力越大，土的有效應力減少，土粒間發生自由運動，土體穩定性變差。土中有效應力與孔隙水壓力及總應力之間的關系為：

σ=σ′+u。

從公式中可以看出，在總應力不變的情況下，隨著孔隙水壓力的減少，有效應力增加，直至孔隙水壓力為零時，此時的總應力由土顆粒之間接觸應力承擔。

3 凍土的力學特性

土中水的另外一種影響土性質的形式是凍漲性。水的凍漲性嚴重影響土顆粒間的膠結作用，對土的框架結構破壞嚴重。在土力學中對土的凍漲性有專門的研究。將其分為四種破壞形式，強凍漲破壞，凍漲破壞，弱凍漲破壞，不凍漲。在冬季，土受寒冷空氣影響發生冰凍現象，其機理是，土中水受凍后，其體積膨脹，將固定結構的土顆粒強行分開，導致土體固有的膠結結構和顆粒間的接觸形式受到破壞。水的含量越多，土體受凍后，其破壞越嚴重，一些濕地或含水量比較大的地方基坑開挖或者礦井建設借助土受凍后其自身穩定程度增強，減少了對施工的影響。因此，凍漲土的另一方面可以為工程所用。冰凍的土在其融化之前具有穩定的強度和穩定性，但其融化后，土顆粒之間的間距被拉大后難以恢復，其自身強度大幅度降低，土體受凍時間越長，反復凍融次數越多，土體破壞越嚴重。工程上一般會根據區域性土的凍結深度，進行地基基礎設計，并做好防水工作，確保地基不會發生凍漲事故。

4 水對回填土的影響

填土的壓實度與含水率密不可分。回填土太干，土顆粒之間的摩擦力增加，此時的土不容易被壓實；如果含水率太大，土顆粒間的孔隙水壓力增加，壓實過程中，水被認為不可壓縮，因此填土難以被壓實。回填土的最優含水率是確保回填土壓實度可靠的關鍵，而不同的土性，其含水率是不同的，這需要根據現場試驗來決定。回填土壓實度的另外一項因素是土顆粒的級配，顆粒大小相同，分選較好，級配較差難以滿足密實度要求，顆粒間不能充分填實，充分接觸，也是不容易被壓實。最后，回填土壓實質量的好壞，還與壓實工藝有關，一般要求較厚的回填土需要分層回填壓實，這樣使的其顆粒間充分接觸，土粒間孔隙和水減少，可以增強其強度，同時減少凍漲的影響。

5 工程應用

地下水對地基基礎的影響，實際工程應用中需要注意的關鍵點主要有：1）在基礎設計時，不宜埋深過淺，且建筑周邊應做好散水結構，地基基礎應做好防水措施，避免地表水進入地基，影響地基的承載力和強度。2）地基下容易發生流沙的沙土，應進行防水處理，同時注意水平向的防水，地基側面防水，防止土體液化流失。3）地基基礎設計時其埋置深度必須位于標準凍結深度一下，防止地基發生凍漲破壞。4）在建筑物規劃選址階段，盡量避開溝谷河流等宜近水區，無法避開時應加強地基基礎的抗水設計。5）軟土、填土及液化土等不良地質在換填時應注意不能用級配較差的細粒土，盡量用級配較好的砂石土。

6 結束語

本文通過分析水對土的力學性質影響，尤其是分析了土體中液態水和固態水對土體自身穩定性的影響，得出了這兩者對土的力學性質影響最大。其次，細粒土與粗粒土相比，粗粒土耐水性明顯高于細粒土，因此工程上，在地基處理時盡量避免采用級配較差的細粒土直接作為地基持力層。