土中水的存在形式多种多样,大致可分为
液态水、气态水及固态水三类。不同类型的水对土的工程特性起着不同的作用,其中较重要的是结合水、毛细水和重力水。其中土中水分子的活动能力和结合水的抗剪强度有着密切的关系。影响结合水的抗剪强度因素有很多,如结合水与土颗粒表面的间距、土颗粒的形状。
在自然条件下,土中总是含水的。充填在土孔隙间的水对土体的工程性质影响较大,尤其是水的数量和类型影响着土体的状态和性质。土中水可以分为两大类:矿物中的结合水,如
结构水、
结晶水和
沸石水;土孔隙中的水,如土粒表面结合水:强结合水与弱结合水、非结合水(液态水,气态水和固态水)。土中细粒越多,即土的分散度越大,水对土的性质的影响也越大。
毛细管水的简称。指由于毛细作用而保持在土层或岩层毛细空隙中的地下水。毛细水能传递静水压力,并能在毛细作用下的空隙中运动。毛细水在沙土和粉土层中较多;孔隙大的砂砾层中较少;孔隙过小的粘土,其孔隙多为结合水所占据,毛细管水也较少。毛细水易被植物吸收利用;但当地下水面离地表浅时,毛细水有时又会引起土壤沼泽化或盐碱化,以及道路冻胀和翻浆等。
由于毛细力的作用,水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度,地下水面以上形成毛细水带,此带的毛细水下部有地下水面支持,故称支持毛细水。毛细水带随地下水面的变化和蒸发作用而变化,但其厚度基本不变。观察表明,毛细带水除了作上述垂直运动外看,由于其性质似重力水,故也随重力水向低处流动,只是运动速度较为缓慢而已。
重力水存在于较大的孔隙中,具有自由活动能力。能自由流动,且相对于大气压力,重力水的压力大于零。它只能从上向下移动,或沿斜坡移动,也是地下水的来源。植物能利用,但由于流动速度一般相当快,所以很少被植物直接吸收。易变为毛管水,被植物利用。土壤中如长期存在大量重力水,会影响土壤通气性,故要及时排除。当土壤含水量达到田间持水量后,毛管孔隙全部充水,多出的部分水就进入非毛管孔隙中,这部分水只受重力支配,不能保持在土壤孔隙中,与地下水一样,形成地下径流。旱作物灌溉后,不允许整个根系吸水层出现重力水,否则会导致灌溉水量损失、肥料流失和抬高地下水位,招致土壤的
次生盐渍化。如地下水位过高,长期阴雨,耕层土壤中长期或大量存在重力水,会恶化土壤的通气性,易形成渍害,对作物生长不利,需及时排除。
黏土颗粒表面的负电荷和周围水分子偶极子、阳离子云等组成的双电层之内的水被称为结合水,双电层之外的水被称为自由水。结合水的物理力学性质的研究涉及到力学、水力学和相界面物理学等,由于其特殊的物理力学性质,使其成为岩土工程、环境工程、
土壤物理学、油气井工程等学科研究的共同问题之一。它只有在比较高的温度(80~680℃,随土粒的矿物成分不同而异)下才能化为气态水而与土粒分离,从土的工程性质上分析,可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部份。 结合水可分为以下两种:①强结合水:为最贴近岩石表面的一层水(水膜内层)。强结合水层的厚度很薄(几个至几百个分子直径),岩石与水分子间的吸引力达()。这种水具有冰点低(<-78℃)、抗剪强度高、不受重力影响、不传递静水压力、无溶解盐类能力等特点。强结合水只有在转化成气态水时(温度达110℃)才能迁移。②弱结合水:吸着水膜的外层为弱结合水,其厚度达几百至上千个水分子直径。岩石表面对水的吸引力有所减弱,具有一定的抗剪强度。弱结合水可从水膜厚的地方向水膜薄处移动,但不受重力的影响。在岩石受到高压或者在强力抽水时,所施加的外力超过了结合水的抗剪强度,弱结合水也可发生流动。弱结合水溶解盐类的能力较低。土层或岩层中结合水的含量主要取决于颗粒的大小,颗粒愈细,与水接触的总面积就愈大,结合水的含量也愈多。