水文地质学-毛细现象与包气带水的运动.ppt

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。,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：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。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,2）克服盐渍土地区公路的病害,分析路基设计条件,了解盐渍土地区不同类型的盐渍土分布范围，含盐特征及地下水、地面水等情况；,盐渍土地区的公路应保证排水畅通，不致因积水使土中的盐分发生不利的变化；,在盐渍土地段修筑公路，宜以填土路基通过，便于设置封闭性的隔断层后，回填非盐渍土。,预防盐渍土的病害,预防盐渍土的病害应该围绕解决毛细水携盐上聚问题，其措施：,A） B） C）,第五章 毛细现象与包气带水的运动,A）降低地下水位，迅速疏干土中的水，做砂砾隔断层，最大限度提高路基，加厚砂砾垫层，排挡地表水侵入路基等等，视情况采用单独和综合处理措施来减小道路病害。 从理论分析，这些方法都不能从根本上切断水的毛细管道：切断上下土层的联接，要做到这一点只有采取封闭性的隔断层，用来隔断毛细水携盐上升。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,a）从环保的角度来讲，目前社会上有大量废弃塑料编织袋,b）从经济上分析，塑料编织袋是废弃的东西,c）从原材料分析，塑料编织袋的主要化学成分是聚丙烯，其具有极强的抗腐蚀能力，一条二级公路的使用年限是二十年，而聚丙烯的编织物埋在土里上百年也不会被腐蚀掉，所以它足已伴随着一条公路完成它的使命。,d）其它方面，聚丙烯编织袋具有极强的延展性，当其材料铺在路基下受到盐胀顶推时，它可以随意变形而不被顶烂，经纬强度高,从而可以达到阻止毛细水携盐上升的目的。,B）为了阻止毛细水上升携盐积聚，设置封闭型隔断层：随着高科技材料出现，选用一种抗老化，防腐蚀，高强度,柔性好的薄膜；建议利用废弃的尿素袋，它的优势在于：,第五章 毛细现象与包气带水的运动,下层土的盐胀力远远小于上层土的压力，隔断膜受土的压力，尽管下层土被胀力压缩凹凸不平，防渗膜有相当的韧性，抗拉强度大，这样就可以达到隔水、隔气、隔土粒间的联接，即使下部土盐胀也不会影响路面结构。采取封闭性隔断措施，解决了盐分上聚和上层非盐渍土的次生盐渍化问题，从而保证路基的稳定。这一设想具有可行性。,C）种植盐生植物，使之成为路基被盐渍土侵害的防护墙。盐渍化土壤是对栽培植物的有害环境，但对许多盐生植物却是适生环境,由于次生盐渍化的发生与地下水位关系密切，盐生植物耗水量少，所以可充分利用高矿化度水源。西北盐碱沙地上有罗布麻、骆驼刺、黑果枸杞等植物生长。,因此，在公路建设中，应加大种植盐生植物的投入，在距公路路基两边一定宽度种植红柳或其它盐生植物，植物的根系将地下水吸收，使土壤的含盐量降低，蒸发水减少，不但保护了路基的稳定，而且有利于生态环境。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,5.5.2 毛细现象、冻融、季节性冻土与路基,1）土的毛细水与土冻融特性的关系,土的冻胀现象和融陷现象是季节性冻土的特性，亦即土的冻融特性。 冻胀和融陷对工程都将产生不利影响。 特别是高寒地区，发生冻胀时，使路基隆起，路面冻胀、开裂、错缝或折断； 发生融陷后，路基土强度降低，重者产生翻浆。,地面下一定深度的水温，随大气温度的改变而改变。,当大气负温传人土中时，土中的自由水首先结合成冰晶体，随着温度继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。,冻融过程,第五章 毛细现象与包气带水的运动,由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生了渗透压力,在这两种引力的作用下，下卧未冻结区水膜较厚处的弱结合水，被吸引到水膜较薄的冻结区，并参与冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力却继续存在。,假使下卧未冻结区存在着水源（如地下水距冻结区很近）及适当的水源补给通道（如毛细通道），水能够源源不断地补充到冻结区来，那么，未冻结区的水分（包括弱结合水和自由水）就会不断地向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆起，即冻胀现象。,这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。,当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，即出现融陷现象。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,2）影响冻胀的三个因素,土的因素 通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质粘土等，冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这类土具有效显著的毛细现象，毛细水上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道。 同时，这类土的颗粒较细，表面能大，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多的结合水，从而能使大量结合水迁移和积囊。 相反，粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，对水分迁移的阻力很大，没有通畅的水源补给通道，所以其冻胀性较上述土类为小。 砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，孔隙中自由水冻结后，不会发生水分的迁移积聚，同时由于砂砾无毛细现象，因而不会发生冻胀。所以在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以防治冻胀。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,水的因素 土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚所致。因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近冻结线，使冻结区能得到外部水源的补给时，将发生比较强烈的冻胀现象。,温度的因素 当气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结面迅速向下推移，即冻结速度很快。这时，土中弱结合水及毛细水还来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所堵塞。这样，水分的迁移和积聚不会发生，在土层中看不到冰夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。 如气温缓慢下降，冷却强度小，但负温持续的时间较长，则就能促使未冻结区水分不断地向冻结区迁移积聚，在土中形成冰夹层，出现明显的冻胀现象。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,3）季节性冻土对公路工程危害及防冻措施,防治季节性冻土对公路工程的危害，一般采取以下几种办法：,设置砂砾垫层,A）能起隔离层的作用，当地下水通过路基土毛细管上升到砂砾垫层时，因砂砾垫层孔隙较大，形成的毛细管少，控制了地下水的上升数量；,B）路基设置在寒冷地区冰冻线以上，基底还有不同深度的路基土受冻，如果在基底设置砂砾垫层，可减少冻胀路基土的厚度从而减轻冻土的膨胀程度，削弱冻胀土的抬拱力。,第五章 毛细现象与包气带水的运动,提高路基填筑高度,选择高路基，提高路基填筑高度，使路基高度超过冰冻线的深度，避免路基上中的毛细水受冻结冰，保证基底不冻。,基底铺设土工织物,在基地铺设土工织物，使地下水与路基土隔离，并阻断毛细水,设置排水沟、截水沟,路基两侧边内底部低于地下水水位处，设置排水沟和截水沟，降低地下水位，排出地表水，减少路基土含水率，做到防治冻土危害的目的。,