岩土中的空隙和水

1、PAGE 10PAGE 16第三章 岩土中的空隙和水31 岩土中的空隙 空隙：void，interspace，space 地地壳岩石石中的空空隙为地地下水的的赋存提提供了必必要的空空间条件件。按维维尔纳茨茨基的形形象说法法“地壳表表层就好好象是饱饱含着水水的海绵绵”。 岩岩石空隙隙是地下下水存储储空间和传输通道道，空隙的的特征(多少、大大小、形形状、方方向性、连连通程度度及其空空间变化化等)决定着着岩土储储容、滞滞留、释释出以及及传输水水的性能能。岩石空隙可可分为三三类：a. 未固结结的松散散岩石中中的孔隙隙；b.固结的的坚硬岩岩石中的的裂隙；c. 可溶岩岩石中的的溶穴（隙隙）。1孔隙（por

2、e）松散岩石是是由大小小不等的的颗粒组组成的，颗粒及颗粒集合体之间的空隙孔隙。孔隙的多少少，决定定岩土储储容水的的能力，在在一定条条件下，还还控制岩岩土滞留留、释出出和传输输水的能能力。孔孔隙体积积的多少少可用孔孔隙度表表示：孔隙度（pporoositty）（n）指某某一体积积岩土（包括括孔隙在在内）中中孔隙体体积所占占的比例例。即：式中：Vnn岩石石中孔隙隙的体积积；V包括孔孔隙在内内的岩石石体积； nn孔隙隙度，用用小数或或百分数数表示。 另另外一个个概念： 孔孔隙比（voidd ratiio）（）指某某一体积积岩土内孔隙隙的体积积（Vn）与固固体颗粒粒体积（Vs）之比。即 因因为V=Vn

3、+Vs，所以以n与关系为为：。应用时：a. 涉及及变形时时（工程程地质）（采用孔隙比较方便）；b. 涉及及水的储储容与运运动时（水水文地质质）n（采用用孔隙度度方便）。影响因素：a. 分选选程度：分选程程度好，n大；分选程度差，n小；b. 颗粒粒的排列列情况：立方体体排列时时n=477.644%，四四面体nn=255.955% ；c. 颗粒粒的形状状：形状状愈不规规则，棱棱角愈明明显，nn愈大；d. 胶结结充填情情况：充充填程度度高，nn小。孔隙度的测测定方法法：a. 饱和和含水率率：n=s（s饱和含含水率）；b. 抽水试试验；c. 形态态学方法法：成象象、扫描描借助与与计算机机处理（研研究领

4、域域的前沿沿课题）。表31 松散岩岩石孔隙隙度参考考数值 （单位位）岩 石 名名 称砾 石砂粉 砂粘 土泥炭孔隙度变化化区间2535525500355004070080粘土孔隙隙度较高高的原因因：a. 颗颗粒表面面带有电电荷，构构成颗粒粒集合体体，形成成较大的的结构孔孔隙；b. 粘粘性土中中往往发发育有虫虫孔、根根孔、干干裂缝等等次生孔孔隙。2裂隙（裂裂隙crrackk，fisssurre，fraactuure，小小大）和溶穴穴（溶隙隙：sooluttionn fiissuure，vuggulaar pporee sppacee）（详见12章，13章）坚硬固结岩岩石包括括：沉积积岩、岩岩浆岩、

5、变变质岩岩石破破裂变形形产生裂裂隙。裂隙按成因因可分为为：a. 成岩岩裂隙岩石在在形成时时产生的的裂隙（如如玄武岩岩中的柱柱状节理理）；b. 构造造裂隙构造运运动中产产生的裂裂隙；c. 风化化裂隙风化作作用产生生的裂隙隙，主要要分布在在地壳附附近。d. 卸荷荷裂隙因天然然地质作作用或人人为工程程活动减减载卸荷荷形成的的裂隙。溶穴（隙）可溶的沉积岩在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶隙。最常见的可可溶岩石石：石灰灰岩、白白云岩等等。关于溶隙：大的溶溶洞宽度度数十米米，高度度数十米米，长达达几几几十kmm；小的的溶洞直直径仅几几毫米。大小相差悬殊。赋存于不同同岩石中中的地下下水，由由于其含含水

6、介质质特征不不同，具具有不同同的分布布与运动动特点。按岩层的空隙类型区分为三种类型的地下水孔隙水、裂隙水和岩溶水（以后讲）。32 岩土中的水地壳岩土中的水气态水固态水（矿物表面结合水）强结合水弱结合水岩土“地壳岩土中的水气态水固态水（矿物表面结合水）强结合水弱结合水岩土“骨架”中的水（矿物结合水）沸石水结晶水结构水重力水毛细水液态水岩土空隙中的水结合水1结合水水松散岩石颗颗粒表面面、坚硬硬岩石空空隙壁面面电荷吸附水水分子。离离固相表表面越近近，吸引引力越大大，自内内向外逐逐渐减弱弱：结合水受受固相表表面的引引力大于于水分子子自身重重力的那那部分水水称为结结合水。这部分水被被束缚于于固相表表面，

7、不不能在自自身的重重力下运运动。强结合水（吸吸着水）：不能流流动，但但可转化化为气态态水而移移动。弱结合水（薄薄膜水）：外层能能被植物物吸收利利用。结合水具具有抗剪剪强度。2重力水水重力水固固体表面面结合水水层以外外的水分分子，受受重力的的影响大大于固体体表面的的吸引力力，在重重力作用用下运移移的那部部分水。岩土空隙中中的重力力水能够够自由流流动。井井泉取用用的地下下水，都都属于重重力水。3毛细水水（毛管管水）毛细力产产生毛细细现象的的力。将一根毛细细玻璃管管插入水水中，毛毛细管内内的水面面即会上上升到一一定高度度，这便便是发生生在固、液液、气三三相界面面上的毛毛细现象象。松散岩石中中细小的的

8、孔隙通通道构成成毛细带带，在地地下水面面以上的的包气带带中广泛泛存在毛毛细水。毛细水：a. 支持持毛细水水：与地地下水面面相连；b. 悬挂挂毛细水水：与地地下水面面不相连连（地下下水面下下降时）；c. 触点点毛细水水：在颗颗粒接触触点上。4气态水水、固态态水及矿矿物中的的水在未饱和水水的空隙隙中存在在着气态态水，气气态水液液态水。岩石温度0，空隙中中液态水水固态水水。我国北方冬冬季冻土。青藏高原部部分岩石石中的地地下水多多年保持持固体多年冻冻土。存在于矿物物结晶内内部及其其间的水水沸石石水、结结晶水、结结构水加热时时可从矿矿物中分分离出去去。33 与水有有关的岩岩土性质岩石空隙的的大小、多多少

9、、连连通程度度及其分分布的均均匀程度度，对水水的储容容、运移移有明显显的影响响。1容水度度容水度是是指岩土土完全饱饱水时所所容纳的的水的体体积与岩岩土体积积的比值值。一般在数值值上容水水度n。2含水量量（或含含水率）（water content）对松散岩石石而言，如Q4、土壤等。1）重量含含水量(Wg)岩土土孔隙含含水重量量(Gw)与干燥燥岩土重重量(GN)的比值值，为重重量含水水量(Wg)。即：（小数或或%表示）国外文文献上常常用表示示。测定：a烘干称称重法；b中子仪仪。2）体积含含水量(Wv)岩土土孔隙含含水体积积(Vw)与包含含孔隙在在内的岩岩土体积积(V)的比值值，为体体积含水水量(W

10、v）。即：（小数或或%表示）国外文文献上常常用或表示。两者之间的的关系：（当水的容容重为1时）。其中：为为岩石干干容重（密密度）。对于土壤来来说，含含水量也也称为含含水率，国国际上一一般用表表示含水水率（wwateer cconttentt），两者之之间的关关系为：3给水度度（yiieldd off waaterr；speeciffic yieeld）给水度（）给水水度是指指地下水水位下降降单位深深度时，因重重力作用用从单位位水平面面积岩土土柱体（从从地面到到潜水面面）释出出水的体体积。表示：小数数或%表示。speciificc yiieldd（给水水度）：watter draaineed f

11、fromm sooil undderggravvityy fllow。测定：a实验室室土柱排排水法（高高柱仪法法）；b野外外抽水试试验法。给水度的计计算：（水位下降降时，单单位体积积土体给给出的水水的体积积）实际情况下下，当地地下水位位下降时时，原先先饱水带带岩土空空隙中的的水，只只能释出出一部分分。一系系列复杂杂因素影影响水分分的释出出：首先先，结合合水不释释出；其其次，孔孔角毛细细水也不不会释出出；第三三，地下下水位快快速下降降时，一一部分水水以悬挂挂毛细水水形式滞滞留于非非饱和带带给水度是潜潜水含水水层的主主要参数数之一。释水系数又又称贮水水系数(stoorattiviity)或 HYP

12、ERLINK /view/615405.htm弹性给给水度（承承压水）。 HYPERLINK /view/122681.htm水头下降一一个单位位时，从从单位面面积 HYPERLINK /view/548166.htm含水水层全部部厚度的的柱体中中，由于于水的膨膨胀和 HYPERLINK /view/2298718.htm岩岩层的压压缩而释释放出的的 HYPERLINK /view/9014284.htm水量；或或者水头头上升一一个单位位时，其其所贮入入的水量量。它是是表征含含水层(或 HYPERLINK /view/7882840.htm弱透水水层)全部厚厚度释水水(贮水)能力的的 HYPE

13、RLINK /view/327406.htm参数。影响给水度度的因素素：a. 岩性性：粗颗颗粒，孔孔隙大，大，n；细颗粒，孔隙小，小；b. 初始始地下水水位埋藏藏较浅时时：当ss0hc时，水水位下降降时，一一部分重重力水将将转化为为毛细水水，从而而偏小；c. 当地地下水位位下降速速率大时时，偏小小；d. 重力力释水滞滞后于水水位下降降，随时时间的延延续缓慢慢增大，释释水比较较充分时时理论最最大值。均质松散岩岩石给水水度参考考值（PP22，表22）。表32 常见松松散岩石石的给水水度（FFettter，19880）岩土 给水度度岩土 给水度度 粗砂 00.2000.335 中砂 00.1550.

14、330 细砂 00.1000.220粉 砂 0.100.115 亚粘土土 00.0770.110 亚砂土土 00.0440.0074持水度度地下水位下下降时，岩岩石中的的水：a. 一部部分在重重力的作作用下排排出，数数量指标标给水度度；b. 另一一部分在在重力的的作用下下仍保持持在岩石石中，数数量指标标持水度度。持水度（SSr）是地地下水位位下降时时，滞留留于非饱饱和带中中而不释释出的水水的体积积与单位位疏干体体积比值值。、Sr、nn三者之之间的关关系：Srnn5渗透性性岩土的渗透透性指指岩体传传输水或或其他流流体(如油气气)的性能能。定量指标渗透系系数（KK）。影响透水性性的因素素，主要要是

15、孔隙隙的大小小：a. 孔隙隙愈大，透透水性愈愈强，K大；b. 孔隙隙愈小，透透水性愈愈差，K小。34有效效应力原原理与岩岩土体变变形破坏坏有效应力原原理太沙基（TTerzzaghhi,119255）所提提出的有有效应力力原理可可以帮助助我们分分析地下下水位的的变动引引起的松松散岩石石压密问问题。1）水能承承受的应应力相当当于孔隙隙水压力力u：式中：u为孔隙隙水压力力；h为AB平面面上水的的测压高高度；为为水的容容重。2）有效应应力实际作用于于沙层骨骨架上的的应力称称为有有效应力力。有效应力是是岩土骨骨架所承承受的应应力。在在封闭(或相对对封闭)条件下下，上覆覆载荷的的总应力力（），由由饱水岩岩

16、土骨架架应力(即有效效应力)与孔隙隙水压力力（u）共同同承受=+uu=- uu有效应力等等于总应应力减去去孔隙水水压力称称为太太沙基有有效应力力原理。2地下水水位变动动引起的的岩土压压密1）水头下下降（孔孔隙水压压力降低低）岩土压压密。a. 水头头降低时时，总应应力不变变；b. 孔隙隙水压力力降低u；c. 有效效应力增增加；d. 原先先由水承承受的应应力，部部分地转转移到砂砂层骨架架上。这样：(uu)()2）水头上上升（孔孔隙水压压力恢复复）砂层基本本上恢复复原状。开采承压水水或半承承压水导导致测压压水位下下降，孔孔隙水压压力降低低，有效效应力增增大，砂砂层骨架架将发生生压缩。表表现为轻轻微的

17、地地面沉降降。当测测压水位位恢复到到原来高高度时，孔孔隙水压压力恢复复，砂层层和地面面都将回回弹；由由于砂粒粒排列不不可能完完全回到到原状，因因此，砂砂层和地地面不会会完全回回弹。砂砾类岩土土基本上上呈弹弹性变形形。粘性土由于于释水压压密时结结构发生生了不可可逆转的的变化，即即使孔隙隙水压力力复原，粘粘性土基基本上仍仍保持其其压密状状态。粘性土以以塑性变变形为主主。水位降低岩土压压密孔隙度度、给水水度、渗渗透系数数等参数数变小。地下水位变变化引起起岩土体体位移破破坏岩土体存在在不连续续面(裂隙、断断裂、潜潜在滑动动面等)时，当孔孔(空)隙水压压力增加加，有效效应力降降低时，不连连续面的的抗剪(

18、抗滑)力降低低，岩土土体可能能因重力力作用，发发生滑坡坡或崩塌塌等。思考题为什么图33.2b不能能代表粗粗粒土最最小孔隙隙度?颗粒大大小对于于孔隙度度有无影影响?为什么么?自然界中接接近等粒粒、分选选良好的的砂，孔孔隙度大大致范围围如何?为什么么?假定图3.2a的孔孔隙中充充满立方方体排列列的等粒粒圆球状状小颗粒粒，其孔孔隙度是是多少?为什么孔喉喉对水的的滞留、释释出及传传输，影影响更大大?试分析松散散沉积物物颗粒大大小及分分选程度度对其渗渗透性的的影响。图3.5bb为什么么会形成成悬挂毛毛细水?为什么给水水度不是是一个确确定值?什么情况下下，给水水度才基基本上等等于空隙隙度?孔隙？孔隙度?孔隙比？成岩裂隙？构造裂隙？风化裂隙？卸荷裂隙结合水？重力水？毛细水？容水度？重量含水量量？体积含水量量？给水度？持水度？岩土的渗透透性？有效应力？岩石空隙可可分为非非固结岩岩石中的的、坚硬硬固结岩石石中的 和可溶溶岩石中中的。孔隙度的大大小主要要取决于于及情况况，另外外颗粒形形状及胶