3.1.1孔隙
松散(半松散)岩层由大小不等的颗粒组成。颗粒及颗粒集合体之间的空隙,称为孔隙。
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。
孔隙度是单位体积岩土中孔隙所占的比例。
n表示岩土孔隙度,V表示包括孔隙在内的岩土体积,Vn表示岩土中孔隙体积,则:
n=Vn/V或n=Vn/V×100%
孔隙度是一个比值,通常用百分比表示,也可用小数表示。 粗粒土孔隙度的大小,与颗粒大小无关,主要取决于颗粒分选程度,颗粒排列状况,颗粒形状以及胶结物的多少,也影响空隙度。
影响粗粒土空隙度因素:
颗粒大小俞悬殊的松散岩土,空隙度俞小;颗粒形状俞不规则,棱角俞明显,则排列不紧密,空隙度也俞大。
粘性土的空隙度较粗粒土大的原因:粘土颗粒表面带有电荷,沉积时粘粒聚合,形成架空的颗粒集合体,可以形成大于颗粒直径的空隙。此外,粘性土通常存在次生空隙,有时也有胶结物。
孔隙大小对岩土滞留 释放及传输水的能力影响很大。孔隙是形状复杂的网络,最宽大部分称为孔腹,最狭窄部分称为孔喉。
3.1.2 裂隙和溶穴
裂隙的成因:成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙及卸荷裂隙。
可溶性岩层,如岩盐 石膏 石灰石 白云岩等,原有的裂隙或孔隙,经过地下水溶蚀,可以扩大成为溶穴。
3.2 岩土中的水
地壳岩土中的水分为:岩土“骨架”中的水(矿物结合水文地质学) 和岩土空隙中的水
岩土“骨架”中的水分为 沸石水 结晶水 结构水
岩土空隙中的水分为 结合水 矿物表面结合水 液态水 固态水 气态水 3.2.1结合水
颗粒及岩土空隙表面都带有电荷,而水分子是偶极体,因此,固相表面能够吸附水分子。根据库仑定律,电场强度与距离平方成反比,因此,距固相表面近的水分子,受静电引力强烈吸引;随着距离加大,吸引降低。固相表面引力大于自身重力的水,便是结合水。
结合水与自由水(重力水,毛细水)的区别是具有有抗剪强度(距固相表面愈近,抗剪强度越大),不能在自身重力作用下运移,随着施加外力由小到大,发生运移的结合水厚度也愈大。
3.2.2 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吸引力,在重力作用下运移,便是重力水。
靠近固体表面的重力水,依然受到固体表面吸引力的作用,分子排列较为整齐,流动时呈层流运动。距离固体表面更远的水分子,单纯受重力作用,流速到达一定程度,将转为紊流状态。
3.2.3毛细水(毛管水)
毛细水同时受毛细力和重力的影响。
3.2.4气态水、固态水及矿物中的水
未饱和的岩土空隙中存在气态水。
低于冰点时,岩土空隙中的水转为固态水。
矿物结晶内部和晶体间也存在水,如:沸石水、结晶水和结构水。
在一定温度压力下,矿物中的水和岩土空隙中的水,可以相互转化。
3.3.1容水度
容水度是指岩土完全饱和水时所容纳的水的体积与岩土体积的比值。容水度可用小数或百分比表示。通常,容水度与孔隙度(裂隙率,岩溶率)相等。对于具有膨胀性的粘性土,容水度可大于孔隙度。
3.3.2 含水量
含水量是松散岩土孔隙中所包含的水与岩土的比值。
岩土孔隙含水重量(Gw)与干燥岩土重量(Gs)的比值,为重量含水量(Wg)。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)。
取水的相对密度为1,岩土干容量为γα,也重量含水量与体积含水量的关系为:Wv=Wg×γα。
3.3.3 给水度
给水度是指地下水为下降单位体积时,释出水的体积和疏干体积的比值,记为μ,用小数表示。
影响水分的释出的因素:①结合水不释出②孔角毛细水也不会释出③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。
松散岩土的给水度取决于颗粒的大小 分选 粗细颗粒成层分布状况及地下水位下降速度。
3.3.4 持水度
持水度: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的比值,用小数表示。
给水度 持水度 孔隙度的关系:μ+Sr=n
3.3.5 渗透性
渗透性:岩体传输或其他流体的性能。
影响松散岩土渗透性的因素:孔隙大小。孔隙愈大,透水性愈好。寻常条件下,孔隙细小时,不透水或微弱透水。当孔隙大到能够透水时,孔隙度愈大,透水性愈好。
3.4 有效应力原理与岩土体变形破坏
3.4.1 有效应力原理
有效应力:岩土骨架所承受的应力。在封闭条件下,上覆载荷的总应力(σ),由饱水岩土骨架应力与孔隙水压力共同承受:σ=σ'+μ
岩土体任意水平面上,饱水岩土骨架承受的应力,等于总应力减去孔隙水压力:σ'=σ-μ
强调:①孔隙水压力是连续的,因此,对于岩土体任意水平面都适用②对于饱水含水层,封闭是孔隙水压力形成的必要前提③有效应力原理不仅适用于土体,也用于岩体。
3.4.3 地下水位变化引起岩土体位移破坏
天然因素(降水 河水位抬身) 人为原因(水库蓄水)使得不连续面的地下水位抬升时,孔隙水压力增加,有效应力降低,不连续面的抗剪力降低,岩土体可能因重力作用,发生滑坡或崩塌等。
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