2.6 土中的流体和气体

2.6.1 土中的水

自然条件下的土一般都含有一定量的水分，土中的水按其形态可分为液态、固态和气态。土中的水实际上是一种成分复杂的电解质溶液。充填于土孔隙中的水对土的物理力学性质有着显著的影响，主要影响因素为水的类型和含量。土中水的分类如图2.16所示。

1.矿物中的结合水

图2.16 土中水的分类

土颗粒的矿物内部含有一定量的结合水，又称 “矿物内部结合水”或 “矿物成分水”。矿物中的结合水是矿物的组成部分，以不同的形式存在于矿物内部。按水分子与结晶格架结合的牢固程度，可将矿物中的结合水分为结构水、结晶水和沸石水三类。

（1）结构水。

结构水是以氢氧根离子或氢离子的形式存在于矿物结晶格架中的固定位置上的水分。严格来说，在常规条件下，这种形式的结合水并不是水分子，其与其他离子一样，固定于矿物结晶格架上，很难从结晶格架上析出。但在450～500℃高温条件下，这些离子能从结晶格架中析出，形成水，原有的结晶格架也被破坏，转变为另一种新的矿物。

（2）结晶水。

结晶水是以水分子形式存在于矿物结晶格架中的固定位置上的水分。此类矿物结合水在结晶格架上的牢固程度较弱，加热不到400℃即能析出。结晶水与结构水一样，一旦结晶水析出，原来的结晶格架就被破坏，变成另一种新的矿物。

（3）沸石水。

沸石水以水分子的形式存在于矿物晶胞之间，其含量并不影响晶胞的结晶格架，析出时也不会导致矿物种类的变化。它与矿物结合微弱，加热80～120℃水分子即可析出。前面所介绍的蒙脱石晶胞间存在的水即为沸石水。吸附沸石水可以引起结晶格架的膨胀，从而导致矿物分离成细小的碎片。

上述3种类型的水都是土粒矿物的组成部分，一般只通过矿物成分影响土体的物理力学性质。当结合水和结构水从原来矿物中析出后，原来的矿物转变为新矿物，也会导致土性的变化。

2.土孔隙中的水

（1）土粒表面结合水。

如前面黏土矿物部分有关双电层的介绍可知，水分子是一种极性分子（两个氢原子与中间的氧原子为非对称分布，偏向两个氢原子一端显示正电荷，偏向氧原子一端显示负电荷，（图2.17），当其与土粒表面接触时，会受到土粒表面的静电引力作用，被吸附于土粒周围。土粒周围形成一层水膜，称为土粒表面结合水，简称为结合水。结合水的形式受其与土粒距离的影响，如图2.18所示。

图2.17 水分子的极性

1—氧原子；2—氢原子

图2.18 土粒表面结合水分布

土粒表面的结合水是由以下几个方面因素的综合作用的结果。

1）负电性土粒对极性水分子的吸引作用。土颗粒表面带有不平衡的负电荷，会形成电场。当土粒与水接触时，靠近土粒表面的水分子在土粒表面静电引力的作用下，失去了自由活动的能力，整齐、紧密地排列起来。逐渐远离土粒表面，静电引力场的强度逐渐降低，水分子自由活动的能力逐渐增加，排列逐渐变得疏松、不整齐，定向排列程度逐渐减小。当距土粒表面的距离很大时，静电引力几乎不起作用，水分子可保持全部的活动能力。可将受静电引力作用全部或部分失去活动能力的水分子称为结合水，结合水在土粒表面形成的结合水层称为“水化膜”。在结合水层外可保持完全自由活动能力的水分子，称自由液态水或非结合水。

2）渗透吸附作用及范德华力作用。如前所述，黏粒表面一般带有不平衡的负电荷，在其表面吸附有阳离子，表面附近离子浓度较高。介质中的水分子为使浓度达到平衡，有向颗粒表面扩散的趋势，这种作用即为范德华力作用。

3）氢键的连接作用。土粒矿物表面通常由氧和氢氧层组成，可产生氢键连接，氧面吸引水分子的阳极，而氢氧面吸引水分子的阴极，易形成结合水层。

4）交换阳离子的水化作用。黏粒表面的负电荷可吸引介质中的阳离子。水分子受阳离子的水化作用，也受到吸引。

结合水越靠近土粒表面，受到的吸引力越大，排列越整齐、紧密，活动性越低。随着与颗粒表面距离的增大，吸引力逐渐降低，结合水分子活动性逐渐增大。因此，可将土粒表面的结合水分成强结合水和弱结合水两类。

1）强结合水。强结合水也称吸着水，是牢固地被土粒表面吸附的一层极薄的结合水层。强结合水水分子基本完全失去自由活动的能力，并且排列紧密、整齐。强结合水密度大于普通液态水的密度，且越靠近土粒表面密度越大。其力学性质类似固体，具有极大的黏滞性、弹性、抗剪强度，有抵抗外力的能力，不能传递静水压力，不能导电，也没有溶解能力。可将强结合水作为固体分析。

2）弱结合水。弱结合水是指距土粒表面稍远，在强结合水范围外和土粒电场范围内的水，它是水膜的主要组成部分。弱结合水类似于一种黏滞水膜，力学上具有黏滞性、弹性和抗剪强度。弱结合水可发生变形，但不会因为重力作用而流动。弱结合水的存在是黏性土具有可塑性的重要原因。弱结合水密度虽小于强结合水，但仍大于普通液态水。弱结合水层的厚度变化较大，会对细粒土的物理力学性质产生影响，其厚度变化通常取决于土粒粒径、形状和矿物成分，也取决于水溶液中的离子成分、浓度及水溶液的pH值。

（2）自由水。

自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外，可在重力作用下自由移动的水，它的性质和正常水一样，能传递静水压力，可流动，有溶解盐的能力。自由水按形态和所受作用力的不同，又可分为毛细水、重力水和固态水三类。

1）毛细水。若把土内相互贯通的弯曲孔隙看作许多形状不一、大小不同、彼此连通的毛细管，在水与空气交界面处存在的表面张力的作用下，存在于地下水位以上透水层中的水会沿着这些毛细管被吸引上来，形成一定高度的毛细水带，这一高度称为毛细上升高度。根据物理学原理可知，毛细管直径越小，毛细水的上升高度越高。因此，土中的毛细上升高度与土粒级配相关，黏性土中毛细水的上升高度大于砂类土。

毛细水按其与地下水面是否连接可分为毛细悬挂水（与地下水不相连）与毛细上升水（与地下水相连）两种。

2）重力水。重力水是存在于地下水位以下透水层中的地下水，它是在重力或水头压力作用下流动的自由水，可对土粒产生浮力作用。重力水的渗流特征是地下工程排水和防水工程的主要控制因素之一，对土的应力状态有重要的影响。

3）固态水。在常压条件下，当温度低于0℃时，孔隙中的自由水会冻结，呈固态，常以冰夹层、冰透镜体、细小的冰晶体等形式存在于土中。固态水在水中可起到胶结作用，提升土的强度。但由于液态自由水转化为固态水时，体积将发生膨胀，土体孔隙增大，解冻后土体会变得更为松散，强度也会低于结冰前的强度。

2.6.2 土中的气体

在土固体颗粒之间的孔隙中，除了被水填充的部分外，其余都是气体。土中的气体主要是空气，有时也可能存在二氧化碳、沼气及硫化氢等。与大气的成分相比，土中气体的二氧化碳含量更高，几乎为空气中二氧化碳含量的6～7倍，而氧气的含量相对较少。随着土层深度的增大，与大气发生交换变得越来越困难，这种差异愈加明显。

土中的气体按其所处的状态和结构特点可以分为以下4种类型：

（1）与大气连通的自由气体。

（2）被水或颗粒封闭的，与大气隔绝的气体或气泡。

（3）吸附于颗粒表面的气体。

（4）溶解于水中的气体。

通常认为与大气连通的自由气体对土的物理力学性质影响不大。密闭气体或气泡的体积与压力有关，其存在会对土的变形产生影响，还会阻塞土的渗流通畅情况，使土的渗透性降低。土孔隙中气体压力的不同，也会对土体的强度产生影响。

对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物的分解作用，土中可积蓄硫化氢和甲烷等可燃气体，使土层在自重作用下长期得不到压实，从而形成高压缩性土层。