第3章岩石中的空隙与水分

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1、水文地质学基础水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeoloy第第3 3章章 岩土中的空隙和水岩土中的空隙和水Interstices and water in Rocks本本 章章 内内 容容 4.1 岩土中的空隙岩土中的空隙4.2 岩土中的水岩土中的水4.3 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质4.4 有效应力原理与岩土变形破坏有效应力原理与岩土变形破坏4.1 岩土中的空隙岩土中的空隙 1. 岩土空隙在地球上的岩土空隙在地球上的分布：分布：地壳表层十余公里，尤地壳表层十余公里，尤其近其近12公里公里以内。以内。 2. 岩土空隙的岩土空隙的水文地质意义：水文地质意义：是地

2、下水的是地下水的赋存场所赋存场所和和运移通道运移通道。 3. 岩土空隙的岩土空隙的描述：描述：形状形状、大小大小、多少多少、分布规律分布规律和和连通性连通性。 4. 岩土空隙的岩土空隙的水文地质分类：水文地质分类：松散岩土中的松散岩土中的孔隙孔隙、坚、坚硬岩石中的硬岩石中的裂隙裂隙、可溶岩石中的、可溶岩石中的溶穴溶穴。 岩土中的各种空隙岩土中的各种空隙分选良好，分选良好， 排列排列疏松疏松的砂的砂分选良好，分选良好， 排列排列紧密紧密的砂的砂具有具有结构孔隙结构孔隙的的粘土粘土经过经过压缩的压缩的粘土粘土具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石 具有具有溶隙溶隙及溶穴的及溶穴的可溶岩可溶岩一、孔隙一、孔隙

3、 1. 概念：概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。粒集合体之间的空隙。 2. 分布：分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。 3. 特征：特征：描述量描述量形状形状分布规律分布规律连通性连通性n不具有方向性不具有方向性小而均匀小而均匀均匀均匀好好u 多少：多少： 度量指标：度量指标：孔隙度（孔隙度（n

4、n）（1 1）概念：）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。比例。（2 2）研究意义）研究意义（作用）：（作用）：影响岩石影响岩石储容地下水的能力储容地下水的能力的大小。的大小。 （3 3）测定方法：）测定方法： 砂、砾等松散岩土一般用砂、砾等松散岩土一般用注水方法注水方法，粘土遇水膨胀不能；，粘土遇水膨胀不能； 容重容重- -比重法比重法：细砂，先测岩土的容重：细砂，先测岩土的容重r r、比重、比重%100VVnn%100)1 (rn（4）孔隙度的影响因素）孔隙度的影响因素 颗粒排列方式颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列：立方体：等

5、粒状：最疏松排列：立方体：n=47.62%; 最紧密排列：四面体：最紧密排列：四面体：n=25.95%。（。（未涉及粒径大小未涉及粒径大小，粒，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同的）的） 颗粒分选程度颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗粒分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选程度是指颗粒粒度的均匀程度，孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀系数。）土力学中也称不均匀系数。） 颗粒形状：颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。

6、越不规则，越疏松，孔隙度就越大。 胶结充填：胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。孔隙被胶结充填，孔隙度减小。 对于对于粘性土粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。，还与结构孔隙、次生孔隙有关。粘性土的孔隙与孔隙度粘性土的孔隙与孔隙度 （1）粘土颗粒）粘土颗粒 粘性土：土体颗粒直径粘性土：土体颗粒直径0.005mm 粘土由于颗粒细小，比表面积大，颗粒表面常带有电荷，所以粘土由于颗粒细小，比表面积大，颗粒表面常带有电荷，所以连结力强连结力强 粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团粘粒团” 细小粘粒团构成细小粘粒团构成颗粒集合体颗粒集合体，可形成

7、比颗粒自身还大的结构孔隙，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙 集合体与集合体结合构成集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构粘性土的沉积结构特征。特征。 （2）粘土孔隙）粘土孔隙 粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵 结构孔隙：结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。 次生孔隙：次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。虫孔、根系孔、干裂缝等。松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度变化孔隙度变化区间区间25%-40%25%-50%35%-50

8、%40%-70%注：注：（）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大（）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大（）孔隙度超过最疏松排列的（）孔隙度超过最疏松排列的47.62，达到，达到70u 大小：大小： （1 1）研究意义）研究意义（作用）：（作用）：孔腹和孔喉孔腹和孔喉，影响，影响地下水的运动地下水的运动，尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。 （2 2）影响因素：）影响因素： 颗粒大小颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙越大。越大。 颗粒排列方式颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为理

9、想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔，孔喉直径为喉直径为d 立方体排列时，立方体排列时，d=0.414D 四面体排列时，四面体排列时，d=0.155D。 对于对于粘性土粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。还与结构孔隙、次生孔隙有关。孔喉孔喉（直径为（直径为d）与孔腹（直径为）与孔腹（直径为D）通过孔隙通道中心切面图通过孔隙通道中心切面图假定颗粒为等粒球体（直径为假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列）作立方体排列孔隙与孔隙与粒径粒径关系关系砾石（模型）砾石（模型）砂土样品砂土样品砂砾混合样品砂砾混合样品立方体排列立方体排列四面体排列四面体排列颗粒排列形式颗粒排列形式二、裂隙二、裂隙 1. 概

10、念：概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使岩石遭到破坏而形成的空隙。岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。 3. 分类：分类：按成因分：按成因分：n成岩裂隙：成岩裂隙：岩浆作用：岩浆作用：侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）成岩作用成岩作用 沉积作用：沉积作用：固结、干缩固结、干缩 （沉积岩）。（沉积岩）。 岩浆岩最普遍，

11、玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。n风化裂隙：风化裂隙：风化作用风化作用n构造裂隙：构造裂隙：构造应力作用构造应力作用n卸荷裂隙卸荷裂隙特征特征描述量描述量形状形状大小大小多少多少分布规律分布规律连通性连通性有方向性有方向性相差悬殊相差悬殊不均匀不均匀k不均匀不均匀总体：不好总体：不好局部：好，主干断裂局部：好，主干断裂大小：大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断裂带，次级裂带，次级-，再次一级，再次一级-。连通性：连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系