岩土中的空隙和水[详细]

1、第三章 岩土中的 空隙和水31 岩土中的 空隙 空隙:void,interspace,space 地壳岩石中的 空隙为地下水的 赋存提供了 必要的 空间条件.按维尔纳茨基的 形象说法“地壳表层就好象是饱含着水的 海绵”. 岩石空隙是地下水存储空间和传输通道,空隙的 特征(多少、大小 、形状、方向性、连通程度及其空间变化等)决定着岩土储容、滞留、释出以及传输水的 性能. 岩石空隙可分为三类:a. 未固结的 松散岩石中的 孔隙;b. 固结的 坚硬岩石中的 裂隙;c. 可溶岩石中的 溶穴(隙).1孔隙(pore) 松散岩石是由大小 不等的 颗粒组成的 ,颗粒及颗粒集合体之间的 空隙孔隙. 孔隙的 多

2、少,决定岩土储容水的 能力,在一定条件下,还控制岩土滞留、释出和传输水的 能力.孔隙体积的 多少可用孔隙度表示:孔隙度(porosity)(n)指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的 比例.即:式中:Vn岩石中孔隙的 体积; V包括孔隙在内的 岩石体积; n孔隙度,用小 数或百分数表示. 另外一个概念: 孔隙比(void ratio)()指某一体积岩土内孔隙的 体积(Vn)与固体颗粒体积(Vs)之比.即 因为V=Vn+Vs,所以n与关系为:.应用时:a. 涉及变形时(工程地质)(采用孔隙比较方便);b. 涉及水的 储容与运动时(水文地质)n(采用孔隙度方便).影响因素:a. 分选程度:

3、分选程度好,n大;分选程度差,n小 ;b. 颗粒的 排列情况:立方体排列时n=47.64%,四面体n=25.95% ;c. 颗粒的 形状:形状愈不规则,棱角愈明显,n愈大;d. 胶结充填情况:充填程度高,n小 .孔隙度的 测定方法:a. 饱和含水率:n=s(s饱和含水率);b. 抽水试验;c. 形态学方法:成象、扫描借助与计算机处理(研究领域的 前沿课题). 表31 松散岩石孔隙度参考数值 (单位)岩 石 名 称砾 石砂粉 砂粘 土泥炭孔隙度变化区间253525503550407080粘土孔隙度较高的 原因:a. 颗粒表面带有电荷,构成颗粒集合体,形成较大的 结构孔隙;b. 粘性土中往往发育有

4、虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙.2裂隙(裂隙crack,fissure,fracture,小 大)和溶穴(溶隙:solution fissure,vugular pore space)(详见12章,13章) 坚硬固结岩石包括:沉积岩、岩浆岩、变质岩岩石破裂变形产生裂隙.裂隙按成因可分为:a. 成岩裂隙岩石在形成时产生的 裂隙(如玄武岩中的 柱状节理);b. 构造裂隙构造运动中产生的 裂隙;c. 风化裂隙风化作用产生的 裂隙,主要分布在地壳附近.d. 卸荷裂隙因天然地质作用或人为工程活动减载卸荷形成的 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 可溶岩石:石

5、灰岩、白云岩等.关于溶隙:大的 溶洞宽度数十米,高度数十米,长达几几十千米;小 的 溶洞直径仅几毫米.大小 相差悬殊.赋存于不同岩石中的 地下水,由于其含水介质特征不同,具有不同的 分布与运动特点.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“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地壳岩石中水的 存在形式:1结合水松散岩石颗粒表面、坚硬岩石空隙壁面电荷吸附水分子.离固相表面越近,吸引力越大,自内向外逐渐减弱:结合水受固相表面的 引力大于水

6、分子自身重力的 那部分水称为结合水.这部分水被束缚于固相表面,不能在自身的 重力下运动.强结合水(吸着水):不能流动,但可转化为气态水而移动.弱结合水(薄膜水):外层能被植物吸收利用.结合水具有抗剪强度.2重力水重力水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,在重力作用下运移的 那部分水.岩土空隙中的 重力水能够自由流动.井泉取用的 地下水,都属于重力水.3毛细水(毛管水)毛细力产生毛细现象的 力.将一根毛细玻璃管插入水中,毛细管内的 水面即会上升到一定高度,这便是发生在固、液、气三相界面上的 毛细现象.松散岩石中细小 的 孔隙通道构成毛细带,在地下水面以上的 包气

7、带中广泛存在毛细水.毛细水:a. 支持毛细水:与地下水面相连;b. 悬挂毛细水:与地下水面不相连(地下水面下降时);c. 触点毛细水:在颗粒接触点上.4气态水、固态水及矿物中的 水在未饱和水的 空隙中存在着气态水,气态水液态水.岩石温度0,空隙中液态水固态水.我国北方冬季冻土.青藏高原部分岩石中的 地下水多年保持固体多年冻土.存在于矿物结晶内部及其间的 水沸石水、结晶水、结构水加热时可从矿物中分离出去.33 与水有关的 岩土性质岩石空隙的 大小 、多少、连通程度及其分布的 均匀程度,对水的 储容、运移有明显的 影响.1容水度容水度是指岩土完全饱水时所容纳的 水的 体积与岩土体积的 比值.一般在

8、数值上容水度n.2含水量(或含水率)(water content)对松散岩石而言,如Q4、土壤等.1)重量含水量(Wg)岩土孔隙含水重量(Gw)与干燥岩土重量(GN)的 比值,为重量含水量(Wg).即:(小 数或%表示)国外文献上常用表示.测定:a烘干称重法;b中子仪.2)体积含水量(Wv)岩土孔隙含水体积(Vw)与包含孔隙在内的 岩土体积(V)的 比值,为体积含水量(Wv).即:(小 数或%表示)国外文献上常用或表示.两者之间的 关系:(当水的 容重为1时).其中:为岩石干容重(密度).对于土壤来说,含水量也称为含水率,国际上一般用表示含水率(water content),两者之间的 关系为

9、:3给水度(yield of water;specific yield)给水度()给水度是指地下水位下降单位深度时,因重力作用从单位水平面积岩土柱体(从地面到潜水面)释出水的 体积.表示:小 数或%表示.specific yield(给水度):water drained fro米 soil under gravity flow.测定:a实验室土柱排水法(高柱仪法);b野外抽水试验法.给水度的 计算:(水位下降时,单位体积土体给出的 水的 体积)实际情况下,当地下水位下降时,原先饱水带岩土空隙中的 水,只能释出一部分.一系列复杂因素影响水分的 释出:首先,结合水不释出;其次,孔角毛细水也不会释出

10、;第三,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给水度是潜水含水层的 主要参数之一.释水系数又称贮水系数(storativity)或弹性给水度(承压水). 水头下降一个单位时,从单位面积含水层全部厚度的 柱体中,由于水的 膨胀和岩层的 压缩而释放出的 水量;或者水头上升一个单位时,其所贮入的 水量.它是表征含水层(或弱透水层)全部厚度释水(贮水)能力的 参数.影响给水度的 因素:a. 岩性:粗颗粒,孔隙大,大,n;细颗粒,孔隙小 ,小 ;b. 初始地下水位埋藏较浅时:当s0hc时,水位下降时,一部分重力水将转化为毛细水,从而偏小 ;c. 当地下水位下降速率大时,偏小 ;d.

11、重力释水滞后于水位下降,随时间的 延续缓慢增大,释水比较充分时理论最大值.均质松散岩石给水度参考值(P22,表22).表32 常见松散岩石的 给水度(Fetter,1980)岩 土 给水度岩土 给水度 粗砂 0.200.35 中砂 0.150.30 细砂 0.100.20粉 砂 0.100.15 亚粘土 0.070.10 亚砂土 0.040.074持水度地下水位下降时,岩石中的 水:a. 一部分在重力的 作用下排出,数量指标给水度;b. 另一部分在重力的 作用下仍保持在岩石中,数量指标持水度.持水度(Sr)是地下水位下降时,滞留于非饱和带中而不释出的 水的 体积与单位疏干体积比值.、Sr、n三

12、者之间的 关系:Srn5渗透性岩土的 渗透性指岩体传输水或其他流体(如油气)的 性能.定量指标渗透系数(K).影响透水性的 因素,主要是孔隙的 大小 :a. 孔隙愈大,透水性愈强,K大;b. 孔隙愈小 ,透水性愈差,K小 .34 有效应力原理与岩土体变形破坏1 有效应力原理太沙基(Terzaghi, 1925)所提出的 有效应力原理可以帮助我们分析地下水位的 变动引起的 松散岩石压密问题.1)水能承受的 应力相当于孔隙水压力u:式中:u为孔隙水压力; h为AB平面上水的 测压高度;为水的 容重.2)有效应力 实际作用于沙层骨架上的 应力称为有效应力.有效应力是岩土骨架所承受的 应力.在封闭(或

13、相对封闭)条件下,上覆载荷的 总应力(),由饱水岩土骨架应力(即有效应力)与孔隙水压力(u)共同承受 =+u =- u有效应力等于总应力减去孔隙水压力称为太沙基有效应力原理.2地下水位变动引起的 岩土压密1)水头下降(孔隙水压力降低)岩土压密.a. 水头降低时,总应力不变;b. 孔隙水压力降低u;c. 有效应力增加; d. 原先由水承受的 应力,部分地转移到砂层骨架上.这样:(uu)()2)水头上升(孔隙水压力恢复)砂层基本上恢复原状.开采承压水或半承压水导致测压水位下降,孔隙水压力降低,有效应力增大,砂层骨架将发生压缩.表现为轻微的 地面沉降.当测压水位恢复到原来高度时,孔隙水压力恢复,砂层

14、和地面都将回弹;由于砂粒排列不可能完全回到原状,因此,砂层和地面不会完全回弹.砂砾类岩土基本上呈弹性变形.粘性土由于释水压密时结构发生了 不可逆转的 变化,即使孔隙水压力复原,粘性土基本上仍保持其压密状态.粘性土以塑性变形为主.水位降低岩土压密孔隙度、给水度、渗透系数等参数变小 .3. 地下水位变化引起岩土体位移破坏岩土体存在不连续面(裂隙、断裂、潜在滑动面等)时,当孔(空)隙水压力增加,有效应力降低时,不连续面的 抗剪(抗滑)力降低,岩土体可能因重力作用,发生滑坡或崩塌等.思考题1. 为什么图3.2b不能代表粗粒土最小 孔隙度?颗粒大小 对于孔隙度有无影响?为什么?2. 自然界中接近等粒、分

15、选良好的 砂,孔隙度大致范围如何?为什么?3. 假定图3.2a的 孔隙中充满立方体排列的 等粒圆球状小 颗粒,其孔隙度是多少?4. 为什么孔喉对水的 滞留、释出及传输,影响更大?5. 试分析松散沉积物颗粒大小 及分选程度对其渗透性的 影响.6. 图3.5b为什么会形成悬挂毛细水?7. 为什么给水度不是一个确定值?8. 什么情况下,给水度才基本上等于空隙度?9. 孔隙？10. 孔隙度?11. 孔隙比？12. 成岩裂隙？13. 构造裂隙？14. 风化裂隙？15. 卸荷裂隙16. 结合水？17. 重力水？18. 毛细水？19. 容水度？20. 重量含水量？21. 体积含水量？22. 给水度？23. 持水度？24. 岩土的 渗透性？25. 有效应力？26. 岩石空隙可分为非固结岩石中的 、坚硬固结岩石中的 和可溶岩石中的 .27. 孔隙度的 大小 主要取决于 及 情况,另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度.28. 岩石裂隙按成因分为: 、 和 、 .29. 地下水按岩层的 空隙类型可分为