土中水對土的力學(xué)性質(zhì)影響分析

魏 月

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八0一水文地質(zhì)工程地質(zhì)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(tài)的水，氣態(tài)的空氣充填于整個土體顆粒之間，當(dāng)土體顆?？障吨g充滿空氣時，此時的土體稱為干土，當(dāng)顆粒之間空隙充滿水時，稱為飽和土。土力學(xué)是上個世紀新興學(xué)科，主要是研究土的力學(xué)性質(zhì)及其特性的一門科學(xué)，他的研究對象是土。土的性質(zhì)復(fù)雜，規(guī)律性較小，計算結(jié)果離散性較大，變化無常。

研究土的力學(xué)變化規(guī)律，自然離不開土中水的研究，土中普遍含有水，包括液態(tài)水和固態(tài)水，其對土的性質(zhì)影響最大。土中水的增加或者減少，直接影響土的力學(xué)性質(zhì)，地下工程中大多數(shù)的災(zāi)害是與水有關(guān)，因此研究水對土的力學(xué)性質(zhì)的影響，對建設(shè)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(jié)合水兩種，結(jié)合水又可以分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水，強結(jié)合水接近固態(tài)，是土的重要組成部分，他具有極強的黏結(jié)性和提升土體抗剪強度。弱結(jié)合水增多，在土中表現(xiàn)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(tài)又稱為靜態(tài)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(tài)水對土的力學(xué)性質(zhì)影響顯著。

土的強度主要表現(xiàn)為粘結(jié)力，土顆粒間的化學(xué)膠結(jié)和接觸能力越強。三種強度都與水直接相關(guān)，其中受水影響最大的是粒間化學(xué)結(jié)強度，化學(xué)膠結(jié)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(dǎo)致顆粒之間的空隙水壓力增加，加速了膠結(jié)的破壞，引發(fā)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(xué)特征

土的經(jīng)典理論-太沙基的有效應(yīng)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(yīng)力和空隙水壓力承擔(dān)。經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力減少，土粒間發(fā)生自由運動，土體穩(wěn)定性變差。土中有效應(yīng)力與孔隙水壓力及總應(yīng)力之間的關(guān)系為：

σ=σ′+u。

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

3 凍土的力學(xué)特性

土中水的另外一種影響土性質(zhì)的形式是凍漲性。水的凍漲性嚴重影響土顆粒間的膠結(jié)作用，對土的框架結(jié)構(gòu)破壞嚴重。在土力學(xué)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(fā)生冰凍現(xiàn)象，其機理是，土中水受凍后，其體積膨脹，將固定結(jié)構(gòu)的土顆粒強行分開，導(dǎo)致土體固有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)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(shè)借助土受凍后其自身穩(wěn)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(wěn)定的強度和穩(wěn)定性，但其融化后，土顆粒之間的間距被拉大后難以恢復(fù)，其自身強度大幅度降低，土體受凍時間越長，反復(fù)凍融次數(shù)越多，土體破壞越嚴重。工程上一般會根據(jù)區(qū)域性土的凍結(jié)深度，進行地基基礎(chǔ)設(shè)計，并做好防水工作，確保地基不會發(fā)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?；靥钔撂桑令w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?；靥钔恋淖顑?yōu)含水率是確?；靥钔翂簩嵍瓤煽康年P(guān)鍵，而不同的土性，其含水率是不同的，這需要根據(jù)現(xiàn)場試驗來決定?；靥钔翂簩嵍鹊牧硗庖豁椧蛩厥峭令w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(zhì)量的好壞，還與壓實工藝有關(guān)，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(yīng)用

地下水對地基基礎(chǔ)的影響，實際工程應(yīng)用中需要注意的關(guān)鍵點主要有：1）在基礎(chǔ)設(shè)計時，不宜埋深過淺，且建筑周邊應(yīng)做好散水結(jié)構(gòu)，地基基礎(chǔ)應(yīng)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(fā)生流沙的沙土，應(yīng)進行防水處理，同時注意水平向的防水，地基側(cè)面防水，防止土體液化流失。3）地基基礎(chǔ)設(shè)計時其埋置深度必須位于標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度一下，防止地基發(fā)生凍漲破壞。4）在建筑物規(guī)劃選址階段，盡量避開溝谷河流等宜近水區(qū)，無法避開時應(yīng)加強地基基礎(chǔ)的抗水設(shè)計。5）軟土、填土及液化土等不良地質(zhì)在換填時應(yīng)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(jié)束語

本文通過分析水對土的力學(xué)性質(zhì)影響，尤其是分析了土體中液態(tài)水和固態(tài)水對土體自身穩(wěn)定性的影響，得出了這兩者對土的力學(xué)性質(zhì)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。