3第三章 岩土中的空隙和水

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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

2、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（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。即因为V=Vn+Vs，所以n与ε关系为：。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

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：9a.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

4、、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

5、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9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

6、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

7、现象。9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ßà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