水文地质学----毛细现象与包气带水的运动

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1、第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.1 毛细现象的实质,5.2 毛细负压,5.3 包气带水水分分布及运动,5.3.1 土层中的毛细水带,5.3.2 包气带中水的渗透讨论,5.4 毛细水上升高度与土的物理特性的关系,5.5 毛细现象与灾害,5.5.1 盐渍土与路基,5.5.2 毛细现象、冻融、季节性冻土与路基,第五章 毛细现象与包气带水的运动,液体表面张力是分子间相互作用的结果。就水来说，内部的水分子处于其他水分子的包围之中，各个方向分子的引力会相互抵消。但是表层水分子受到的内部水分子引力远大于外部空气分子的引力。所以，表面的水分子永远受到指向液体内部的力，总是趋向向内部移动。这样，液体总是会

2、力图缩小其表面积。而同样体积的物体，总是以球体的表面积最小。 荷叶表面对水的不浸润和表面张力共同作用，使水在荷叶上收缩为晶莹的露珠。雨滴在表面张力和重力的共同作用下呈现为泪滴形。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,表面张力不仅液体有，固体也有，只是因为固体分子排列的非常紧密，表层的分子不容易“缩回”到固体的内部，这种收缩力表现的不明显罢了。 如果固体和液体不存在表面张力，就会像气体一样没有形状和体积，世界上所有的一切，都是虚无飘渺的了。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.1 毛细现象的实质,将细小的玻璃管插入水中，水会在管中上升到一定高度才停止，这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。,

3、水,水银,第五章 毛细现象与包气带水的运动,水与空气的分界面上存在着表面张力：液体总是力图缩小自己的表面积，以使表面自由能变得最小，这也就是一滴水珠总是成为球状的原因。表面张力的计算：,毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用，这个引力使与管壁接触部分的水面呈向上的弯曲状，这种现象称为湿润现象。这种内凹的弯液面表明管壁和液体是互相吸引的（即可湿润的）。,如果管壁和液体之间不互相吸引，称为不可湿润的，那么毛细管内液体弯液面的形状是外凸的，如毛细管内的水银柱面就是这样。,表面张力系数，单位为dyn/cm（1dyn=10-5N，达因）,第五章 毛细现象与包气带水的运动,切取一个半径为 R 的半圆球形液

4、面,此时弯液面下的液体实际承受到的表面压强,任何形状的弯液面所产生的附加表面压强Pc都可以用拉普拉斯公式表示,液体表面的两个主要曲率半径,第五章 毛细现象与包气带水的运动,当液面为凸形时，附加表面压强是正的。此时，实际表面压强,拉普拉斯公式的涵义：弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，附加表面压强与表面张力系数成正比，与表面的曲率半径成反比。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,如液面为凹形时，附加表面压强是负的，实际表面压强,平的液面不产生附加表面压强，实际表面压强,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.2 毛细负压,凹形弯液面产生的附加压强 Pc 是个负压强，称为毛细负压,凹形弯液

5、面的人由于表面张力的作用，要比平的液面小一个相当于 Pc 的压强；或者说，凹形弯液面下的水存在一个相当于Pc的真空值。毛细负压换算成水柱高度：,茹林公式,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.2 含水量,含水量说明松散岩石实际保留水分的状况。,重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）与干燥岩石重（Gs）的比值,体积含水量：含水体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积（V）的比值,若水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重）为,重量含水量与体积含水量的关系,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.2 含水量,饱和含水量Ws：孔隙充分饱水时的含水量,饱和差：饱和含水量与实际含水量之间的差值,饱和度：

6、实际含水量与饱和含水量之比,比重：也称相对密度，固体和液体的比重是该物质的密度与在标准大气压，3.98时纯H2O的密度（999.972 kg/m3）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一种流体中是下沉还是漂浮。比重是无量纲量，即比重是无单位的值，一般情形下随温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3 包气带水水分分布及运动,打井出水,5.3.1 土层中的毛细水带,上层毛细水带,支持毛细水带,毛细饱和带,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3.1 土层中的毛细水带,在理想条件下，即包气带

7、由均质土构成，无蒸发与下渗，包气带水水分分布稳定时，含水量的垂向分布如图（c）所示。,支持毛细水带:由此往下，进入支持毛细水带，含水量随着接近潜水面而增高（图a）。,上层毛细水带:由地表向下某一深度内含水量为一定值，相当于残留含水量（Wc）。构成残留含水量的包括结合水、孔隙毛细水与部分悬挂毛细水（图a），是反抗重力保持于土中的最大持水度。这部分水与其下的支持毛细水及潜水不发生水力联系。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3.1 土层中的毛细水带,毛细饱和带:在潜水面之上有一个含水量饱和（体积含水量等于孔隙度）的带，称为毛细饱和带（图a）。,毛细饱和带由潜水面直接上升而形成，受地下水位季节性

8、升降变化的影响很大，会随着地下水位的升降作相应的移动。,为什么含水量饱和带接近潜水？细小的孔道毛细水上升高，最宽大的孔隙通道也被支持毛细水充满的范围。,地下水位急剧下降时，它也随着急速下降；其中的水可以在表面张力和重力作用下移动,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3.2 包气带中水的渗透讨论,1）毛细负压,包气带中毛细负压随着含水量的变小而负值变大。这是因为，随着含水量降低，毛细水退缩到孔隙度更加细小处，弯液面的曲率增加（曲率半径变小），造成毛细负压的负值更大，因此，毛细负压是含水量的函数：,2）渗透系数,饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数K是常数；但在包气带中，渗透系数 K 随含水量

9、降低而迅速变小，K也是含水量的函数：K=K（W），原因是：,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3.2 包气带中水的渗透讨论,含水量降低，实际过水断面随之减少；含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加；含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。,K = K（W）,3）达西定律,包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.3.2 包气带中水的渗透讨论,综上所述，包气带水的运动，同样可以用达西定律描述，但与饱水带的运动相比，有以下三点不同：,饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势；饱水带任一

10、点的压力水头是个定值，包气带的压力水头则是含水量的函数； 饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.4 毛细水上升高度与土的物理特性的关系,一、不同粒组毛细水上升的特征,土的颗粒愈细，毛细水上升高度愈大，但其上升的速度在毛细水上升整个过程中，并不是简单地土颗粒愈细上升速度愈快、愈粗速度愈慢。图1为分别由粗、中、细、极细4种粒组所组成的4组试样，其毛细水上升高度与时间的关系曲线。粒径分别为： 10.5mm；0.50.25mm；0.250.1mm；0.1mm,第四章 土的物理性质和工程分类,粒组划分,第五章 毛细现象与包气带水的运动,为

11、了更清晰地反映毛细水初期上升速度的变化规律，图2为上面粗、中、细、极细4组试样前1000s内毛细水上升高度与时间的关系曲线。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,通过曲线和试验观测得出：在开始阶段由中粒组成的试样上升速度最大，而中、细、极细粒3组试样比较，是随着颗粒愈细上升速度愈慢。随着时间的推移，颗粒愈细上升的速度相对加快，粗颗粒达到最大高度所需的时间比细颗粒短。,二、同一类土级配不同其毛细水上升的特征,下表是由粒径0.50.25mm和小于0.1mm的2种粒组所组成的5组中砂试样，其2种颗粒含量的比例不同，在138.9小时内毛细水上升高度变化情况；,试样以中砂为代表。,第五章 毛细现象与包气带

12、水的运动,含量不同两种粒组组成的中砂138.9 h毛细水上升高度,第五章 毛细现象与包气带水的运动,表2为4种粒组所组成的中砂，其4种颗粒含量的比例不同在138.9h毛细水上升高度。,表2 不同颗粒级配的中砂138.9 h毛细水上升高度,第五章 毛细现象与包气带水的运动,从表1、表2和图3中可以看出：1）同一类土随着细颗粒含量的增多毛细水上升高度增大对毛细水上升高度影响较大的是细粒组的含量。2）对于同一类土但其颗粒级配不同毛细水上升的规律与前面讨论的不同粒组上升的特征是一致的。在毛细水上升的初期细颗粒含量愈多上升速度愈慢；随着时间的推移，毛细水上升的速度细颗粒含量愈多上升速度相对加快。同一类土

13、随着细颗粒含量的增大，毛细水上升最大高度增大，并且主要取决于其极细粒粒组含量。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,三、不同压实度下毛细水升高与时间关系,压实度：土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,三、不同压实度下毛细水升高与时间关系,压实度是路基路面施工质量检测的关键指标之一，表征现场压实后的密度状况，压实度越高，密度越大，材料整体性能越好。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,四、不同含水量下毛细水升高与时间关系,第五章 毛细现象与包气带水的运动,四、不同含水量下毛细水升高与时间关系,第五章 毛细现象与包气带水的运动,五、不同含

14、盐量下毛细水升高与时间关系,第五章 毛细现象与包气带水的运动,五、不同含盐量下毛细水升高与时间关系,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.4 毛细水上升高度与土的物理特性的关系,1）粗粒土,对粗粒土，毛细上升高度随颗粒变细（可用平均粒径衡量）而增加；,2）细粒土,对同种土料，毛细上升高度随压实度增大而增大。,对同类土料，毛细上升随含泥量增多而变大；,液限：黏质土流动状态与可塑状态间的界限含水率,塑限：黏质土可塑状态与半固体状态间的界限含水率,流动状态,可塑状态,半固体状态,第五章 毛细现象与包气带水的运动,对低液限粉土，仍遵循粗粒土规律。比如粉土中毛细水上升高度比粉砂大。,对高液限黏土，随着压

15、实度的增加，毛细水的上升速度明显降低。,原因：,压实度的增加，使得毛细孔隙变小。高液限黏土中细粒含量高，塑性指数大，土粒的结合水可形成较厚的结合水膜，结合水膜中重合比较多，使得原本变小的部分孔隙被结合水阻断，形成使水分不能流动的死端孔隙，没有阻断的空袭也变得更加细小，水分迁移迂回度增加，毛细上升阻力变得更大，上升速度变得更慢，高度更小。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.5 毛细现象与灾害,5.5.1 土的毛细现象对工程有影响,4）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一。,2）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；,1）毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对路基与农业经济都有很

16、大影响；,3）当地下水有浸蚀性时，毛细水上升对建筑物和构筑物的基础中的混凝土、钢筋等形成浸蚀作用；,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.5.1 盐渍土与路基,1）盐滞土的危害,对作物：由于土壤盐分过高，使土壤溶液浓度增加，导致渗透压不断提高，植物从土壤中吸收水分的能力减小，表面缺水，植物不能吸收土壤中的水分而死亡。即使是能生存下来的，也由于土壤板结影响了氧气进入根部，不能有效地进行呼吸作用，从而变得稀疏、枯萎。,（渗透压即当两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中的水向浓度较大的溶液渗入）,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.5.1 盐渍土与路基,1）盐滞土的危害,对路基：具有溶陷性、膨胀性和腐蚀性，地基承载力变化大。干燥时：盐分呈结晶状态，地基承载力较高；浸水后：晶体溶解变为液体，承载力降低，压缩性增大；土中含硫酸盐类结晶，体积膨胀，溶解后体积缩小，易使地基土的结构破坏，强度降低并形成松胀盐土；由于盐类遇水溶解，使地基容易产生溶蚀现象，降低地基的稳定性。,