地质学基础第三章岩土中的空隙和水

1、地质学基础第三章岩土中的空隙和水第1节 岩土中的空隙1、定义岩土的空隙：岩土中大小不等、形状各异的空间。岩土的空隙性：岩土空隙的大小、多少、形状、方向性、连通程度和空间变化。岩土空隙是地下水的储容空间和传输通道。第1节 岩土中的空隙2、空隙的分类A 松散岩土中的 孔隙；B 坚硬岩土中的 裂隙；C 可溶岩石中的 溶穴（溶洞）。岩土中的各种空隙EF岩土中的各种空隙ABCDEFGH分选不良、含泥砂的砾石部分胶结的砂 一、孔隙1、定义： 孔隙松散岩土中颗粒（颗粒集合体）之间的空隙。 孔隙度指单位体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。 孔隙比岩土中孔隙体积与固体体积的比值。 松散岩土的平均孔隙度

2、2、影响孔隙度的因素 A、颗粒的排列方式。 等粒径的最松散（47.62%）排列方式和最紧密（25.95%）排列方式。 颗粒中心连线平面角的二面角。90，n，立方体；60，n，四面体。（斯利赫特公式） B、颗粒的分选性 岩土的分选性越差，颗粒大小越悬殊，细小颗粒便充填于粗大颗粒之间的孔隙中，大大降低了岩土的孔隙度，因此孔隙度越小。 相反，岩土的分选性越好，颗粒大小相同，无细小物质充填到孔隙中，孔隙度便会越大。 C、颗粒的形状及胶结物多少 岩土颗粒形状越不规则，棱角越明显，通常排列就越松散，孔隙度也越大； 相反，岩土颗粒形状越规则，越磨圆，排列就越紧密，孔隙度也就越小。 有胶结物的岩土颗粒其孔隙度

3、一般较小，无胶结物的岩土颗粒孔隙度较大。 D、考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙 粘土的孔隙度往往可以超过上述理论最大值。因为粘土颗粒表面带有电荷，沉积时粘粒聚合，形成架空的颗粒集合体，可以形成大于颗粒直径大孔隙。此外，粘性土还发育有虫孔、根孔、干裂缝、节理等次生空隙。3、影响孔隙大小的主要因素A 颗粒的大小 颗粒大，孔隙大；颗粒小，孔隙小。 B 颗粒的排列方式 立方体孔喉为，四面体孔喉为。C 粘性土时考虑结构孔隙及次生孔隙 二、裂隙 1.定义 松散沉积物的空隙主要是孔隙，而固结坚硬的岩石除沉积岩含有一定原生孔隙外，火成岩和变质岩也有空隙，主要表现为裂隙。 裂隙坚硬岩石中由破裂变形而产生的裂隙式空

4、隙。 裂隙按成因可分为三种： 成岩裂隙 是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结 (沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。 构造裂隙 是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层)，分布不均一。 风化裂隙 是岩石在风化营力作用下破坏而产生的裂隙。如卸荷作用。2.裂隙岩石的空隙特征 主要表现在裂隙发育方向、几何大小、分布的不均匀性、裂隙间的连通程度、裂隙的充填情况以及裂隙面的粗糙度等方面。 裂隙率(Kr)是裂隙体积(Vr)与包括裂隙在内的岩石体积 (V)的比值。 裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等，对水的运动具有重要影响。

5、面裂隙率单位面积岩石上裂隙面积所占的比例。线裂隙率在垂直于裂隙方向上单位长度内裂隙所占比例。 三、溶穴 1.定义 溶穴(隙)可溶的沉积岩（岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水溶蚀下产生的空洞。 岩溶率（KK）溶穴的体积与岩石总体积比值 2.可溶岩石的空隙特征 溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞长达几十公里；而小的溶孔直径仅几毫米。 岩溶发育带岩溶率可达百分之几十，而其附近岩石的岩溶率几乎为零。 四、空隙发育的多样性 松散岩石以孔隙为主，但粘土干缩后可产生裂隙，而这些超过其原有的孔隙。 固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。 可溶岩石，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。 空隙特点与地下水类型 岩

6、石中的空隙，连接成网络，成为地下水有效的储容空间和运移通道。 孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。 裂隙具有一定的方向性，连通性较差。地下水分布不均匀，水力联系差。 溶穴空隙大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动通常极不均匀。 三种类型地下水：孔隙水、裂隙水和岩溶水。矛盾1：如表所示，颗粒小而孔隙度大，这与我们说的孔隙度大小与颗粒大小无关是不是矛盾？为什么？矛盾2：计算得到最疏松土的孔隙度为47.62%，但是为什么表的粘土达到70%，泥炭达到80%，这是为什么？课后思考题1.孔隙度大小和孔隙大小有什么区别和联系？它们对地下水的赋存和运

7、移有怎样的影响？2.孔隙、裂隙、溶穴有什么区别和联系？概述其发育规律。地壳岩土中的水矿物格架水沸石水 结晶水结构水空隙中水颗粒表面结合水强结合水弱结合水液态水固态水气态水重力水毛细水 非结合水第2节 岩石中水的存在形式 一、地壳岩石中各种形式的水二、结合水（吸附水） 1、定义 受引力大于水分子自身重力的那部分水，称为结合水。此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。 最接近固相表面的结合水称为强结合水，其外层称为弱结合水。 2、形成条件 松散岩土的颗粒表面、岩石空隙壁带有电荷； 水分子是偶极体； 3、特征* 具有抗剪强度； 不能在自重作用下移动； 岩土颗粒周围水分子受到库仑力的作用；

8、吸附力受到距离的影响，结合水与自由水不同。 厚 度特 征强结合水几几百个水分子厚度水分子排列紧密；不能流动，气化可移动；结晶温度 -78。 弱结合水几十、几百或几千个水分子厚度分子排列不太规则紧密；溶解盐类的能力较低；外层能被植物吸收；2030 结晶。4、分类与特点 三、重力水 1、定义 固体表面结合水层以外的水分子，受重力的影响大于固体表面的吸引力，能在自身重力作用下自由运动的地下水即重力水。 岩土空隙中的重力水能够自由流动。 井泉取用的地下水都是重力水，是水文地质研究的主要对象。2、特征 靠近固体颗粒表面的重力水排列整齐，远处的排列紊乱； 固体颗粒近处水分子呈层流运动，远处水分子呈紊流运动

9、； 四、毛细水（毛管水） 1、定义 毛细现象 毛细管中的水面产生上升的现象。 毛细水 沿松散岩石的细小的孔道（毛细管）上升的在地下形成的水。 毛细水带 毛细水集中分布的地带。 2、分类 支持毛细水 地下水面支持作用的毛细水。 悬挂毛细水 失去地下水支持作用的毛细水。 孔角毛细水(触点毛细水) 在包气带中粗粒颗粒接触点悬留的毛细水。 五、气态水、固态水及矿物中的水 在未饱和的岩土空隙中存在着气态水。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。 岩土的温度低于0时，液态水转为固态水。我国北方大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原有多年冻土。 矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及结构水。

10、方沸石（NaA1Si2O6H2O)中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。第3节 与水的储容及运移有关的岩土性质 1、容水度 容水度 是指岩土完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。 一般的容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当，但粘性土充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。 它也是小数，和孔隙度有相同的性质。 2、含水量 含水量 松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。 重量含水量 松散岩土孔隙中所含水的重量与干燥岩土重量的比值。 体积含水量 松散岩土空隙含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。 重量含水量和体积含水量之间的关系： 孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量。 饱和

11、差饱和含水量与实际含水量之间的差值。 饱和度实际含水量与饱和含水量之比称为。 3、给水度 1、给水度 完全饱水岩土单位体积所释出水体积。 2、影响因素 岩性影响(颗粒大小、分选和粗细颗粒成层分布情况） 颗粒大的松散岩石、裂隙（溶穴）宽大，重力释水后，结合水与孔角毛细水较少，给水度接近孔隙度、裂隙率与岩溶率。空隙细小(如粘 性土)，重力释水时大部分水以结合水与悬挂毛细水形式滞留于空隙中，给水度很小。 释水速度的影响 均质的颗粒较细小的松散岩石，释水比较充分，给水度才能达到其理论最大值。地下水下降速度的影响 地下水下降速度越快，滞留于空隙中的水分越多，释出的水分越少，即给水度越小；相反，下降速度越

12、慢，空隙中水分能充分释出，释出水越多，即给水度越大。3、特征 地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中的水只释出一部分； 粉细砂仅能释出孔隙度的10%-30%； 结合水不释出，孔角毛细水不释出，地下水位快速下降时，一部分水以悬挂毛细水形式滞留于非饱和带。常见松散岩土的给水度 4、持水度 持水度 饱水的岩土释水后，单位体积内保持的水量。 给水度、持水度与孔隙度的关系是： 影响因素 持水度的影响因素与给水度的相同（颗粒大小、分选情况、粗细颗粒成层分布状况及地下水下降速度）。 包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量，数值上相当于最大的持水度。 5、透水性 透水性是指岩石透水的能

13、力。表征岩土透水性的定量指标是渗透系数。 影响岩土透水性的因素 1、孔隙大小 松散岩土孔隙通道边缘上是不运动的结合水，其余是重力水。边缘上的水流速为零，中心处流速最大。孔隙直径愈小，结合水所占据的空间愈大，中心处最大流速愈小，实际渗流断面平均流速就愈小，透水性就愈差。孔隙直径小于两倍结合水层厚度时不透水。 然而，岩土的透水能力并不取决于平均孔隙直径，而在很大程度上取决于最小的孔隙直径。 2、孔隙通道弯曲性 此外，孔隙通道愈弯曲，流程就愈长，流动阻力愈大。 颗粒的大小与分选性，是通过响孔隙大小和通道直径的沿程变化和曲折性影响透水性的。第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏1.有效应力原理 有效应力

14、原理是太沙基于1925年提出的，即有效应力等于总应力减去空隙水压力。 1.1 有效应力：是指岩土骨架所承受的应力。在封闭或相对封闭的条件下，上覆载荷的总应力由饱水岩土骨架应力与空隙水压力共同承受： 所以有效应力为：第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏1.2 有效应力适用条件：（1）由于空隙水压力是连续的，所以对于岩土体任意水平面都适用；（2）对于饱水含水层或含水体，封闭或相对封闭是孔隙水压力形成的必要前提；（3）有效应力原理适用于土体和岩体。第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏2.地下水位变化引起的土体变形 通常情况下，开采承压水或半承压水都能导致测压水位降低，孔隙水压力随着降低，这样有效应力增大，砂