岩土中的空隙和水

PAGE10PAGE13第三章岩土中的空隙和水3．1岩土中的空隙空隙：：：voidd，inteerrspaacee，spaccee地壳岩岩岩石中的的空隙隙为地下下水的的赋存提提供了了必要的的空间间条件。按按维维尔纳茨茨基的的形象说说法“地壳表层层就就好象是是饱含含着水的的海绵绵”。岩石空空空隙是地地下水水存储空间间和传输通道道，空空隙的特特征((多少、大大小小、形状状、方方向性、连连通通程度及及其空空间变化化等))决定着岩岩土土储容、滞滞留留、释出出以及及传输水水的性性能。岩石空隙可分为为为三类：a.未固结的的松松散岩石石中的的孔隙；；b..固结的坚坚硬硬岩石中中的裂裂隙；c..可溶岩石石中中的溶穴穴（隙隙）。1．孔隙（pooore）松散岩石是由大大大小不等等的颗颗粒组成成的，颗粒粒及颗粒集集合体之间间的空隙–––––孔孔隙。孔隙的多少，决决决定岩土土储容容水的能能力，在在一定条条件下下，还控控制岩岩土滞留留、释释出和传传输水水的能力力。孔孔隙体积积的多多少可用用孔隙隙度表示示：孔隙度（porrrosiityy）（n）–––––指某某一体积积岩土土（包括括孔隙隙在内）中中孔孔隙体积积所占占的比例例。即即：式中：Vn––––––岩石石中中孔隙的的体积积；V––––包括括括孔隙在内内的的岩石体体积；；n––––––孔隙度，用用用小数或或百分分数表示示。另外一一一个概念念：孔隙比比比（voidratioo）（ε）–––––指某某一体积积岩土土内孔隙隙的体体积（Vn）与固体体颗颗粒体积积（VVs）之比。即即因为VVV=Vn+Vs，所以n与ε关系为：：。应用时：a.涉及变形形形时（工工程地地质）→ε（采用孔孔隙隙比较方方便）；；b.涉及水的的的储容与与运动动时（水水文地地质）→n（采用孔孔隙隙度方便便）。影响因素：a.分选程度度度：分选选程度度好，n大；分选选程程度差，nn小；b.颗粒的排排排列情况况：立立方体排排列时时n=477..64%%，四四面体n==225.995%%；c.颗粒的形形形状：形形状愈愈不规则则，棱棱角愈明明显，n愈大；d.胶结充填填填情况：：充填填程度高高，nn小。孔隙度的测定方方方法：a.饱和含水水水率：n=θs（θs饱和含水水率率）；b..抽水试验验；；c.形态学方方方法：成成象、扫扫描→借助与计计算算机处理理（研研究领域域的前前沿课题题）。表3–1松松散岩岩石孔隙隙度参考考数值值（单位％％）岩石名称称砾石砂粉砂粘土泥炭孔隙度变化区间间间25~3525~5035~5040~7080粘土孔隙度较较较高的原因因：：a.颗粒表表表面带有电电荷荷，构成成颗粒粒集合体体，形形成较大大的结结构孔隙隙；b.粘性土土土中往往发发育育有虫孔孔、根根孔、干干裂缝缝等次生生孔隙隙。2．裂隙（裂隙隙隙cracckk，fisssuure，fracctturee，小小→大）和溶穴（溶溶溶隙：soollutiionnfiisssuree，vuguullarpooresppace）（详见12章，13章）坚硬固结岩石包包包括：沉沉积岩岩、岩浆浆岩、变变质岩→岩石破裂裂变变形产生生裂隙隙。裂隙按成因可分分分为：a.成岩裂隙隙隙–––––岩石石在形成成时产产生的裂裂隙（如如玄武岩岩中的的柱状节节理）；；b.构造裂隙隙隙–––––构造造运动中中产生生的裂隙隙；c.风化裂隙隙隙–––––风化化作用产产生的的裂隙，主主要要分布在在地壳壳附近。d.卸荷裂隙隙隙–––––因天天然地质质作用用或人为为工程程活动减减载卸卸荷形成成的裂裂隙。溶穴（隙）––––––可溶溶的的沉积岩岩在地地下水溶溶蚀下下会产生生空洞洞，这种空空隙隙称为溶溶隙。最常见的可溶岩岩岩石：石石灰岩岩、白云云岩等等。关于溶隙：大的的的溶洞宽宽度数数十米，高高度度数十米米，长长达几－－几十十km；小的溶溶洞洞直径仅仅几毫毫米。大小小相相差悬殊殊。赋存于不同岩石石石中的地地下水水，由于于其含含水介质质特征征不同，具具有有不同的的分布布与运动动特点点。按岩层层的的空隙类类型区区分为三三种类类型的地地下水水–––––孔隙隙水、裂裂隙水水和岩溶溶水（以以后讲）。3．2岩土土中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．结合水松散岩石颗粒表表表面、坚坚硬岩岩石空隙隙壁面面→电荷→吸附水分分子子。离固固相表表面越近近，吸吸引力越越大，自自内向外外逐渐渐减弱：：结合水––––––受固相表表面面的引力力大于于水分子子自身身重力的的那部部分水称称为结结合水。这部分水被束缚缚缚于固相相表面面，不能在在自自身的重重力下下运动。强结合水（吸着着着水）：：不能能流动，但但可可转化为为气态态水而移移动。弱结合水（薄膜膜膜水）：：外层层能被植植物吸吸收利用用。结合水→具有抗抗抗剪强度度。2．重力水重力水––––––固体表面面结结合水层层以外外的水分分子，受受重力的的影响响大于固固体表表面的吸吸引力力，在重重力作作用下运运移的的那部分分水。岩土空隙中的重重重力水能能够自自由流动动。井井泉取用用的地地下水，都都属属于重力力水。3．毛细水（毛毛毛管水）毛细力––––––产生毛细细现现象的力力。将一根毛细玻璃璃璃管插入入水中中，毛细细管内内的水面面即会会上升到到一定定高度，这这便便是发生生在固固、液、气气三三相界面面上的的毛细现现象。松散岩石中细小小小的孔隙通通道道构成毛细带带，在地地下水面面以上上的包气气带中中广泛存存在毛毛细水。毛细水：a.支持毛细细细水：与与地下下水面相相连；；b.悬挂毛细细细水：与与地下下水面不不相连连（地下下水面面下降时时）；；c.触点毛细细细水：在在颗粒粒接触点点上。4．气态水、固固固态水及矿矿物物中的水水在未饱和水的空空空隙中存存在着着气态水水，气气态水液态态水水。岩石温度<0℃℃℃，空隙中中液液态水→固态水。我国北方冬季→→→冻土。青藏高原部分岩岩岩石中的的地下下水多年年保持持固体→多年冻土土。存在于矿物结晶晶晶内部及及其间间的水––––––沸石水水、结结晶水、结结构构水→加热时可可从从矿物中中分离离出去。3．3与水水有有关的岩土土土性质岩石空隙的大小小小、多少少、连连通程度度及其其分布的的均匀匀程度，对对水水的储容容、运运移有明明显的的影响。1．容水度容水度––––––是指岩土土完完全饱水水时所所容纳的的水的的体积与与岩土土体积的的比值值。一般在数值上容容容水度≈n。2．含水量（或或或含水率）（watercontennt）对松散岩石而言言言，如Q4、土壤等等。1）重量含水量量量(Wg)–––––岩土土孔隙含含水重重量(Gw)与干燥岩岩土土重量(GN)的比值，为为为重量含含水量量(Wg)。即：（小数或%表表表示）→国外文献献上上常用表示示。测定：a．烘干干干称重法法；bb．中子仪仪。2）体积含水量量量(Wv)–––––岩土土孔隙含含水体体积(Vw)与包含孔孔隙隙在内的的岩土土体积(V)的比值，为为为体积含含水量量(Wv）。即：（小数或%表表表示）→国外文献献上上常用或表示。两者之间的关系系系：（当水的容重为为为1时）。其中：––––––为岩石干干容容重（密密度）。对于土壤来说，含含水量也称为为含水率，国国际上一般用用表示含水率率（watercontennt），两者之间间的关系为：：3．给水度（yyyielddofwaaterr；specciificcyyielld）给水度（）––––––给水水度度是指地地下水水位下降降单位位深度时时，因因重力作作用从从单位水水平面面积岩土土柱体体（从地地面到到潜水面面）释释出水的的体积积。表示：小数或%%%表示。specifiiicyyieeld（给水度度）：：wateerrdrraiineddffrommssoilluundeerggraviittyflloow。测定：a．实验验验室土柱柱排水水法（高高柱仪仪法）；；b．野外抽抽水水试验法法。给水度的计算：：：（水位下降时，单单位体积土体体给出的水的的体积）实际情况下，当当当地下水水位下下降时，原原先先饱水带带岩土土空隙中中的水水，只能能释出出一部分分。一一系列复复杂因因素影响响水分分的释出出：首首先，结结合水水不释出出；其其次，孔孔角毛毛细水也也不会会释出；；第三三，地下下水位位快速下下降时时，一部部分水水以悬挂挂毛细细水形式式滞留留于非饱饱和带带给水度是潜水含含含水层的的主要要参数之之一。释水系数又称贮贮贮水系数数(storraativvitty)或HYPERLINK"/view/615405.htm"弹性给水水度度（承压水水）。HYPERLINK"/view/122681.htm"水头下降一个单单单位时，从从单单位面积积HYPERLINK"/view/548166.htm"含水水层全部厚厚度度的柱体体中，由由于水的的膨胀胀和HYPERLINK"/view/2298718.htm"岩层的压缩缩而而释放出出的HYPERLINK"/view/9014284.htm"水水量；或者者水水头上升升一个个单位时时，其其所贮入入的水水量。它它是表表征含水水层(或HYPERLINK"/view/7882840.htm"弱透水层层)全部厚度度释释水(贮水)能力的HYPERLINK"/view/327406.htm"参数数。影响给水度的因因因素：a.岩性：粗粗粗颗粒，孔孔隙隙大，大，≈n；细颗粒粒，孔孔隙小，小小；；b.初始地下下下水位埋埋藏较较浅时：：当ss0<hc时，水位位下下降时，一一部部分重力力水将将转化为为毛细细水，从从而偏偏小；c.当地下水水水位下降降速率率大时，偏偏小小；d.重力释水水水滞后于于水位位下降，随随时时间的延延续缓缓慢增大大，释释水比较较充分分时→理论最大大值值。均质松散岩石给给给水度参参考值值（P22，表2–2）。表3–2常常见松散散岩石石的给水水度（Feetterr，1980）岩土给水度岩土给水度粗砂0.220～0.355中砂0.115～0.300细砂0.110～0.200粉砂00.10～0.155亚粘土0.007～0.100亚砂土0.004～0.0774．持水度地下水位下降时时时，岩石石中的的水：a.一部分在在在重力的的作用用下排出出，数数量指标标→给水度；；b.另一部分分分在重力力的作作用下仍仍保持持在岩石石中，数数量指标标→持水度。持水度（Sr）–––––是地地下水位位下降降时，滞滞留于于非饱和和带中中而不释释出的的水的体体积与与单位疏疏干体体积比值值。、Sr、n三者者之间的关系系系：＋Sr＝n5．渗透性岩土的渗透性–––––––指岩岩体传输输水或或其他流流体((如油气)的性能。定量指标––––––渗透系系数数（K）。影响透水性的因因因素，主主要是是孔隙的的大小小：a.孔隙愈大大大，透水水性愈愈强，K大；b.孔隙愈小小小，透水水性愈愈差，K小。3．4有效应力力原理理与岩土土体变形形破坏坏有效应力原理太沙基（Terrrzagghii,199255）所提出出的的有效应应力原原理可以以帮助助我们分分析地地下水位位的变变动引起起的松松散岩石石压密密问题。1）水能承受的的的应力相当当于于孔隙水水压力力u：式中：u––––––为孔隙隙水水压力；；h––––为AAAB平面上上水水的测压压高度度；––––为水的的的容重。2）有效应力’’’实际作用于沙层层层骨架上上的应应力称为为–––––有效效应应力。有效应力是岩土土土骨架所所承受受的应力力。在在封闭(或相对封封闭闭)条件下，上上上覆载荷荷的总总应力（），由由饱水岩岩土骨骨架应力力(’即有效应应力)与孔隙水水压压力（u）共同承承受受∴=’+u’=-u有效应力等于总总总应力减减去孔孔隙水压压力称称为––––––太沙基有有效效应力原原理。2．地下水位变变变动引起的的岩岩土压密密1）水头下降（孔孔孔隙水压压力降降低）→岩土压密密。a.水头降低低低时，总总应力力不变；b.孔隙水压压压力降低△u；c.有效应力力力增加△’；d.原先由水水水承受的的应力力，部分分地转转移到砂砂层骨骨架上。这样：＝(u－△u))＋(’＋△’)2）水头上升（孔孔孔隙水压压力恢恢复）→砂层基本上上恢复原原状。开采承压水或半半半承压水水导致致测压水水位下下降，孔孔隙水水压力降降低，有有效应力力增大大，砂层层骨架架将发生生压缩缩。表现现为轻轻微的地地面沉沉降。当当测压压水位恢恢复到到原来高高度时时，孔隙隙水压压力恢复复，砂砂层和地地面都都将回弹弹；由由于砂粒粒排列列不可能能完全全回到原原状，因因此，砂砂层和和地面不不会完完全回弹弹。砂砾类岩土基本本本上呈––––––弹性变变形形。粘性土由于释水水水压密时时结构构发生了了不可可逆转的的变化化，即使使孔隙隙水压力力复原原，粘性性土基基本上仍仍保持持其压密密状态态。粘性土––––––以塑性变变形形为主。水位降低→岩土土土压密→孔隙度、给给给水度、渗渗透透系数等等参数数变小。地下水位变化引引引起岩土土体位位移破坏坏岩土体存在不连连连续面(裂隙、断断裂裂、潜在在滑动动面等)时，当孔孔(空)隙水压力力增增加，有有效应应力降低低时，不不连续面面的抗抗剪(抗滑)力降低，岩岩岩土体可可能因因重力作作用，发发生滑坡坡或崩崩塌等。思考题为什么图3.222b不能代代表表粗粒土土最小小孔隙度度?颗粒大小小对对于孔隙隙度有有无影响响?为什么?自然界中接近等等等粒、分分选良良好的砂砂，孔孔隙度大大致范范围如何何