土中水对土的力学性质影响分析

魏 月

山东省地质矿产勘查开发局八0一水文地质工程地质大队 山东省地矿工程勘察院 山东 济南 250000

0 引言

土是由固、液、气三相组成。液态的水，气态的空气充填于整个土体颗粒之间，当土体颗粒空隙之间充满空气时，此时的土体称为干土，当颗粒之间空隙充满水时，称为饱和土。土力学是上个世纪新兴学科，主要是研究土的力学性质及其特性的一门科学，他的研究对象是土。土的性质复杂，规律性较小，计算结果离散性较大，变化无常。

研究土的力学变化规律，自然离不开土中水的研究，土中普遍含有水，包括液态水和固态水，其对土的性质影响最大。土中水的增加或者减少，直接影响土的力学性质，地下工程中大多数的灾害是与水有关，因此研究水对土的力学性质的影响，对建设工程的安全具有重要的理论意义和实践意义。

1 水在土中的特性

土中水的存在形式主要有自由水和结合水两种，结合水又可以分为强结合水和弱结合水，强结合水接近固态，是土的重要组成部分，他具有极强的黏结性和提升土体抗剪强度。弱结合水增多，在土中表现出的是土的可塑性。自由水在土中又称为毛细水和重力水，其自由形态又称为静态水和动力水。不同存在形式的水对土的影响是不同的，尤其是动力水和固态水对土的力学性质影响显著。

土的强度主要表现为粘结力，土颗粒间的化学胶结和接触能力越强。三种强度都与水直接相关，其中受水影响最大的是粒间化学结强度，化学胶结物一旦浸水，融入水中，土体分解，影响其强度明显。水的增多，导致颗粒之间的空隙水压力增加，加速了胶结的破坏，引发颗粒间支撑作用减弱，最终使土的强度降低影响工程的安全性。

2 土的力学特征

土的经典理论-太沙基的有效应力原理，是建立在土体颗粒和空隙水压力之上的。地基土的承载力主要由土的有效应力和空隙水压力承担。经大量研究表明，土体颗粒之间接触点越多，其接触面积越大，土的有效应力也就越大，土的强度越高。土颗粒之间的孔隙水压力，与有效应力相反，建筑上部荷载使土粒间空隙水压力超出了静水压力，这部分成为超孔隙水压力，这部分压力越大，土的有效应力减少，土粒间发生自由运动，土体稳定性变差。土中有效应力与孔隙水压力及总应力之间的关系为：

σ=σ′+u。

从公式中可以看出，在总应力不变的情况下，随着孔隙水压力的减少，有效应力增加，直至孔隙水压力为零时，此时的总应力由土颗粒之间接触应力承担。

3 冻土的力学特性

土中水的另外一种影响土性质的形式是冻涨性。水的冻涨性严重影响土颗粒间的胶结作用，对土的框架结构破坏严重。在土力学中对土的冻涨性有专门的研究。将其分为四种破坏形式，强冻涨破坏，冻涨破坏，弱冻涨破坏，不冻涨。在冬季，土受寒冷空气影响发生冰冻现象，其机理是，土中水受冻后，其体积膨胀，将固定结构的土颗粒强行分开，导致土体固有的胶结结构和颗粒间的接触形式受到破坏。水的含量越多，土体受冻后，其破坏越严重，一些湿地或含水量比较大的地方基坑开挖或者矿井建设借助土受冻后其自身稳定程度增强，减少了对施工的影响。因此，冻涨土的另一方面可以为工程所用。冰冻的土在其融化之前具有稳定的强度和稳定性，但其融化后，土颗粒之间的间距被拉大后难以恢复，其自身强度大幅度降低，土体受冻时间越长，反复冻融次数越多，土体破坏越严重。工程上一般会根据区域性土的冻结深度，进行地基基础设计，并做好防水工作，确保地基不会发生冻涨事故。

4 水对回填土的影响

填土的压实度与含水率密不可分。回填土太干，土颗粒之间的摩擦力增加，此时的土不容易被压实；如果含水率太大，土颗粒间的孔隙水压力增加，压实过程中，水被认为不可压缩，因此填土难以被压实。回填土的最优含水率是确保回填土压实度可靠的关键，而不同的土性，其含水率是不同的，这需要根据现场试验来决定。回填土压实度的另外一项因素是土颗粒的级配，颗粒大小相同，分选较好，级配较差难以满足密实度要求，颗粒间不能充分填实，充分接触，也是不容易被压实。最后，回填土压实质量的好坏，还与压实工艺有关，一般要求较厚的回填土需要分层回填压实，这样使的其颗粒间充分接触，土粒间孔隙和水减少，可以增强其强度，同时减少冻涨的影响。

5 工程应用

地下水对地基基础的影响，实际工程应用中需要注意的关键点主要有：1）在基础设计时，不宜埋深过浅，且建筑周边应做好散水结构，地基基础应做好防水措施，避免地表水进入地基，影响地基的承载力和强度。2）地基下容易发生流沙的沙土，应进行防水处理，同时注意水平向的防水，地基侧面防水，防止土体液化流失。3）地基基础设计时其埋置深度必须位于标准冻结深度一下，防止地基发生冻涨破坏。4）在建筑物规划选址阶段，尽量避开沟谷河流等宜近水区，无法避开时应加强地基基础的抗水设计。5）软土、填土及液化土等不良地质在换填时应注意不能用级配较差的细粒土，尽量用级配较好的砂石土。

6 结束语

本文通过分析水对土的力学性质影响，尤其是分析了土体中液态水和固态水对土体自身稳定性的影响，得出了这两者对土的力学性质影响最大。其次，细粒土与粗粒土相比，粗粒土耐水性明显高于细粒土，因此工程上，在地基处理时尽量避免采用级配较差的细粒土直接作为地基持力层。