水土作用的力学机理

6.1.4　水土作用的力学机理

1．水土作用的力学机理

黏粒的水化程度取决于黏粒矿物的类型和代换性阳离子的数量(代换量)及种类(代换性阳离子的组成)，此外土溶液的离子浓度和组成对其也有一定影响。黏粒矿物表面吸附水的机理包括表面电荷点对偶极定向排列水分子的静电吸引，以及黏粒结晶表面暴露的氧原子借助氢键对水分子的吸引。滨海盐渍土大多为细粒土，黏粒间的孔隙孔径细微，黏粒吸附的水膜有可能充满或填塞这些细微的孔隙。或许孔隙中在吸附水膜之外还有少许空间借助毛细管作用保持少量水。用固化材料固土提高了土颗粒的联结，同时也改变了土颗粒周围的环境水。环境水化学场的改变，导致水土相互作用的平衡力场被破坏，也对新增的化学组分转变、胶结物的淋溶、双电层的变化产生影响。土的结构强度控制着土体的稳定，而土的结构又受颗粒接触点强度制约，接触点上土颗粒间的应力会因水化学场的改变，使土从稳定的颗粒排列变成亚稳态结构，从而影响土体的稳定性。因此研究地下水变异中土颗粒间的应力变化是研究固化土水稳性问题的关键。

颗粒间的引力包括^［6］:①由电性不同的两种黏粒相互作用产生的静电引力，黏土的单位接触强度不大，例如高岭石黏土仅为10^－10 N。②由黏粒表面覆盖的铁磁薄膜在磁场中定向排列，在颗粒间产生的磁性引力，接触点的强度很弱，仅为10^－15 N。③由分子或范德华力引起的长程引力，作用的距离为(3 000～4 000)×10^－10 m，一般赋予黏土的强度小于0.1 MPa。④在非饱和土体中的颗粒间形成了毛细管弯液面，弯曲气－水界面引起了孔隙水的张力，从而使颗粒产生有效的压缩应力。⑤带负电的黏粒被介于其间的阳离子静电吸引而产生的离子－静电引力，阳离子连接带负电荷的土颗粒起了静电桥的作用，当粒间距离达(20～30)×10^－10 m或更小时，离子－静电作用力特别明显，但并不大于分子力。⑥颗粒间与颗粒和相邻液之间的化学作用在短距离内形成，由原子的外围电子——价电子实现连接，类似于晶格内部的质点连接，其中有共价键连接、离子价连接、金属键连接和氢氧键连接等，这些键的连接在(0.5～3.5)×10^－10 m出现，颗粒接触点强度可达10^－7～10^－3 N，为短程力。

颗粒间的斥力包括:①颗粒本身的电子云重叠产生的静电斥力;②颗粒表面水化学及阳离子水化学形成相同符号的双电层相互搭接和相互作用产生的斥力。

影响粒间作用力的因素主要有两个:一是地下水变异引起的双电层变化带来的粒间力变化;另一个是地下水变异引起的胶结物质的溶蚀、吸附沉淀而引起的粒间力变化。水土间的相互作用，使黏土颗粒表面形成双电层。当两颗粒相互靠近至一定距离时，两颗粒的双电层相互重叠而产生相互作用的力场。黏土颗粒因比表面积大、粒径细小、质量轻，重力不起重要作用，粒间力起主导作用，所以力场产生的效应是很大的。力场的变化影响和控制着黏粒的凝聚和分散，同时也影响黏土的变形和强度等工程性质的变化。双电层影响着土体初始结构的形成，在沉积过程中，当土颗粒周围的双电层较厚，粒间作用以斥力占优势时，形成颗粒面对面的分散结构(片堆结构)，分散结构的密度较大但稳定性差。而当双电层较薄时，粒间作用以引力占优势，形成颗粒角、边与面或边与边搭接的凝聚结构(片架结构)，凝聚结构具有较大的孔隙性，但稳定性较好。一般情况下，当孔隙比相同时，凝聚结构因其引力较大，颗粒不易移动，较分散结构具有更高的强度、较低的压缩性和较小的渗透性^［7］。胶结物质的胶结是以上各类连接中使土有较高强度和较低压缩性的一种连结，是增大粒间连接力的重要媒介。胶结物的连接强度包括三个方面:胶结物质本身、土颗粒本身、胶结物质和土颗粒相互作用的交界面。胶结物质的成分变化和胶结作用的强弱影响到土体的结构强度和变异特性。

2．水化学因素对固化土的影响

滨海地区的地下水位较浅，在工程运行中，黏性土路堤中既有毛管作用，又有土颗粒的吸附作用。土的含水率较高时，毛管作用起主导作用;含水率较低时，土颗粒的吸附力起主导作用。土颗粒吸附水，使得土体软化，强度降低。水除了对土的软化作用外，尚有一种“腐蚀”行为。化学现象与吸附现象是固体(金属、矿物)在活性介质中破坏的根本原因，使腐蚀－机械裂缝在裂纹尖端处集中^［8］。虽然土体的矿物特性、胶结特性、微结构特性、表面特性等对力学性质都有不同程度的影响，但由于胶结物的物理化学活性高，在土体受到环境化学因素(主要指水的各种离子)作用后，起化学变化的主要是胶结物，其他因素对力学性质的改变贡献不大^［9］。固化土在自重应力和附加应力的作用下会产生一些空腔和裂纹，土中的水与胶结物发生化学溶解(水解、水化)，使土体的物理力学性能和细结构发生变化，同时引起附加位错流，形成新的位错，促使其力学化学活性增大(化学力学效应)，即抵抗塑性变形的能力降低。另一方面，应力的活化作用(尤其在显微或局部塑性区，即高应力集中区)增加岩土颗粒的化学位，产生并加速土中胶结物在水中的腐蚀(力学化学效应)。在空腔内部这种化学－力学效应和力学－化学效应交互作用、彼此促进的自加速过程，应该是土体在活性介质中化学力学破坏的根本原因。粉质黏土和黏土的抗剪强度试验结果表明，试样在碱性和酸性环境水浸泡下较自来水浸泡下的抗剪强度指标均有所下降，在碱性环境下，粉质黏土的c、φ值分别下降52.3%和6.4%;在酸性环境下，粉质黏土的c、φ值分别下降28.5%和17.0%;下降幅度取决于化学试剂的品种及浓度，这正是土样具有化学力学效应的表现^［10］。