3第三章 岩土中的空隙和水

1第三章岩土中的空隙和水3．1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：VVnn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（voidratio）（ε）––––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snVV因为V=Vn+Vs，所以n与ε关系为：nn1。应用时：a.涉及变形时（工程地质）→ε（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：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：2a.饱和含水率：n=θs（θs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3–1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25~3525~5035~5040~7080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：solutionfissure，vugularporespace）（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km；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）。3．2岩土中的水地壳岩石中水的存在形式：1．结合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3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。毛细现象毛细玻璃管4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。3．3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。一般在数值上容水度≈n。2．含水量（或含水率）（watercontent）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：swgGGW（小数或%表示）→国外文献上常用g表示。测定：a．烘干称重法；b．中子仪。52）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：VVWwv（小数或%表示）→国外文献上常用v或表示。两者之间的关系：gvWW（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（watercontent），两者之间的关系为：gv3．给水度（yieldofwater；specificyield）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。specificyield（给水度）：waterdrainedfromsoilundergravityflow。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：AsV（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；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SV6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.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2–2）。表3–2常见松散岩石的给水度（Fetter，1980）岩土给水度岩土给水度粗砂0.20～0.35中砂0.15～0.30细砂0.10～0.20粉砂0.10～0.15亚粘土0.07～0.10亚砂土0.04～0.074．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三者之间的关系：＋Sr＝n5．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。3．4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。71）水能承受的应力相当于孔隙水压力u：huw式中：u––––为孔隙水压力；h––––为AB平面上水的测压高度；w––––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：＝(u－△u)＋(’＋△’)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8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：、和。930.通常以、、、持水度和透水性来表征与水分的储容和运移有关的岩石性质。31.体积含水量与重量含水量之间的关系？32.给水度、持水度、孔隙度之间的关系？33.简述影响孔隙度大小的主要因素，并说明如何影响？34.结合水、重力水和毛细水有何特点？35.影响给水度的因素有哪些，如何影响？36.影响岩石透水性的因素有哪些，如何影响？37.简述太沙基有效应力原理和过量抽取地下水引起地面沉降的原因？38.岩土空隙分为哪几类，各有什么特点？