岩土中的空隙和水讲义及思考题
水文地质学基础岩土中的空隙和水
本节小结
空隙空间的类型 岩土中水的存在形式 有效应力原理
思考题
孔隙度的影响因素有哪些？
Thanks for your attention！
毛细水
毛细水 支持毛细带 悬挂毛细带 孔角毛细水
气态水、固态水及矿物中的水
未饱和空隙：气ห้องสมุดไป่ตู้水，高水汽压力处向低水汽压力处运移 冻土：我国北方；东北、青藏：多年冻土 结晶水、结构水、沸石水
有效应力原理
有效应力增加：岩土压密、土体抗剪能力降低 引发地质灾害：地面沉降、砂土液化、滑坡等
裂隙和溶穴
固结岩石：发育裂隙，系在各种应力作用下破裂变形而成 可溶岩石：原有孔隙或裂隙，经地下水溶蚀，扩大为溶穴
岩石中水的存在形式
结合水
结合水：固相表面引力大于自身重力的水
重力水
重力水：固体表层结合水层以外受重力影响大于固体表面 吸引力，在重力作用下运移 重力水具有非常重要的实用价值 地层岩石空隙中如存在一定的重力水，就可以通过泉，或 井流出（抽出），为人们所用 重力水是水文地质学研究的主要对象
n Vn 或 n Vn 100%
V
V
孔隙的多少：决定岩土储容水的能力，控制岩土滞留、释 出传输水的能力
孔隙度：描述孔隙的多少 定义：单位体积岩土中孔隙所占的比例
孔隙度：影响因素
颗粒排列
立方体排列（n~48%）
立方体排列——最松散排列：n~48 四面体排列——最紧密排列：n~26 松散岩土孔隙度多介于二者之间
提纲
岩土中的空隙 岩土中的水 与水有关的岩土性质 有效应力原理与岩土体变形破坏
岩土中的空隙
地壳表层就像饱含水分的海绵 岩土空隙是地下水的储容空间和传输通道 决定着岩土储容、滞留、释放和传输水的性能 空隙类型：孔隙、裂隙、溶穴
us水文地质学岩石中的空隙与水分
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Wv Vw 100% V
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 Wg Wv a
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.2 含水量
→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。
→次生孔隙：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙 所构成的原生孔隙外，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构 成的次生孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.1.1 孔隙
孔隙度的影响因素：
孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，
另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土， 结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。
岩溶率
录像
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第二章 岩石中的空隙与水分
总结与比较 孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙
的发育状况远较上面所说的复杂。
✓松散岩石固然以孔隙为主，但某些粘土干缩后 可产生裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至 远远超过其原有的孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
✓固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻 常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着 于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在 着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流 速最大。
第2讲岩石中的孔隙与水分
有电荷，水分子又是偶极体，由于静电吸引， 固相表面具有吸附水分子的能力（图2-6）。
根据库仑定律，电场强度与距离平方成反比。
故离固相表面很近的水分子受到静电引力很大； 随着距离增大，吸引力减弱，而水分子受自身 重力的影响就愈显著。
结合水的概念：
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。
小。
细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然
会大大降低孔隙度。
当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗
大颗粒之间的孔隙完全为细小颗粒所填充时，则孔 隙度等于由粗粒和细粒单独组成时孔隙度的乘积。
形状对孔隙度的影响：
形状愈不规则，棱角愈明显，排列 就愈松散，n愈大
自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则
地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图
岩土的水理性质
概念：
指岩土控制水活动的性质
容水性
岩土主要水理性质：
含水性
持水性 给水性 透水性
1.容水性（容水度）
定义：
指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体 积与岩石总体积的比值。可用小数或百分数表 示。 一般来说容水度在数值上与孔隙度（裂隙 率、岩溶率）相当。但是对于具有膨胀性的粘 土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。
三、与水的储容及运移有关的岩石性质
影响水的储容及运移的因素：
岩石空隙大小、多少、连通程度及
其分布均匀度。
控制水活动的因素：
岩石的容水性、含水性、给水性、
持水性、透水性
•水在岩土中的赋存形式
1一湿度不足带分布有气态水、吸着水; 2一温度饱和带分布有气态水、吸着水、薄膜水; 3一上升毛细水带; 4一无压重力水带; 5一粘土层; 6一承压重力水带
第3章岩土中的空隙与水(上)
d=0.414D 孔腹 (d’) d’=0.732D
(上述为：立方体排列的理想等径园球颗粒）
孔隙与粒径关系
a—砾石(模型)
b—砂土样品
c—砂砾混合样品
2.1.1 孔隙
自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同
P17表2-1
表2--1 松散岩石孔隙度参考数值 岩石名称
试样 a—砾石(模型)，试样b—砂土样品，试样c—砂砾混合样品
？ 提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？ 颗粒大小----有关？
简单归纳---砂砾石土孔隙大小与什么有关？
颗粒大小、 排列——立方体或四面体 、分选、胶结与 充填等
孔隙大小特征的描述：孔喉 (d)
2.1.2 裂隙
裂隙 （ fissure fracture ）
固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存 在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）
风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙
裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空 隙
单个裂隙是孤立的
裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：
岩石中的空隙——思考题
思考题：
1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？ 2）粘性土孔隙度大——是含水层吗？ 3）试总结砂砾类土体的孔隙形状特点，并加以概化 （图示）。 3）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同 点？（可以通过查阅资料和文献回答）
第三章
第一节 结束Βιβλιοθήκη 砾石砂粉砂
粘土
孔隙度
25-40% 25-50% 35-50% 40-70%
矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？
矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%— 达到70%
2.水文地质学基础-岩石中的空隙与水解析
2.2 岩石中水的存在形式
结合水和重力水
结合水与重力水
（a）椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝 向颗粒；（b）箭头代表水分子所受合力方向
2.2 岩石中水的存在形式
2.2.2 重力水 重力水是指距离固体表面更远、重力对其影响大于固体表面对
其吸引力、能在重力影响下自由运动的那部分水。 井、泉所采取的均为重力水，为水文地质学的主要研究对象。
持水度（Sr）（specific retention）是指地下水位下降一个 单位深度、单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙 中的水的体积。常用小数表示，无量纲。存在关系式：m + Sr = n。
有溶隙和溶穴的可溶岩
2.1 岩石中的空隙
2.1.2 孔隙
（1）孔隙是指松散岩石中颗粒或其集合体之间的空隙。 特点：①呈小孔状，②分布均匀且密集，③连通性好。 （2）孔隙度是指某一体积岩石（包括颗粒骨架和孔隙在内）中 孔隙体积所占的比例。 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标
VT=Vn+Vs,其中n为孔隙度，Vn为孔隙体积，Vs 为岩石固体颗 粒体积，VT为岩石总体积。
气态水
Vaporous water
结构水，以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架某一位置上的水。
结晶水是矿物结晶构造中的水，以H2O分子形式存在于矿物结晶格架固 定位置上的水。
沸石水(zeolite water)：方沸石（Na2Al2Si4O12•nH2O）。
2.2 岩石中水的存在形式
气态水、固态水 岩石空隙中的这部分水含量小。其
2.3岩石的水理性质
2.3岩石的水理性质
给水度是饱和介质在 重力排水作用下可以给 出的水体积与多孔介质 体积之比。
工程勘察思考题-第二章,第三章
⼯程勘察思考题-第⼆章,第三章第⼆章岩⼟⼯程中的地下⽔1.根据岩⼟空隙的成因不同，可把地下⽔分为哪三类？根据岩⼟空隙的成因不同，可把空隙分为孔隙、裂隙和溶隙三⼤类。
①孔隙：松散岩⼟由⼤⼩不等的颗粒组成，颗粒或颗粒集合体之间的空隙称为孔隙。
岩⼟中孔隙的发育程度常⽤孔隙度来表⽰，指⼀定体积的岩⼟其孔隙体积所占总体积的⽐例。
②裂隙：坚硬岩⽯（沉积岩、岩浆岩和变质岩）颗粒之间基本上不存在孔隙，仅存在岩⽯破裂变形产⽣的空隙，称之为裂隙（分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙）。
岩⽯的裂隙⼀般呈裂缝状，其长度、宽度、数量、分布及连通性等空间上差异很⼤，与孔隙相⽐，裂隙具有明显的不均匀性。
③溶隙：可溶的沉积岩（盐岩、硬⽯膏、⽯膏、⽯灰岩、⽩云岩等）在地下⽔流长期溶蚀作⽤下⽽形成的空隙，这种地质现象称岩溶（喀斯特）。
2.根据⽔在空隙中的物理状态，⽔与岩⼟颗粒的相互作⽤特征，地下⽔有哪⼏种存在形式？哪些形式的地下⽔对地基的⼯程特性影响较⼤？根据⽔在空隙中的物理状态，⽔与岩⽯颗粒的相互作⽤等特征，可将地下⽔存在的形式分为五种①⽓态⽔②结合⽔③重⼒⽔④⽑细⽔⑤固态⽔⽑细⽔和重⼒⽔对地基的⼯程特性影响最⼤3.粘⼟、粉质粘⼟、粉⼟的渗透系数范围值分别是多少（单位为：m/年）？粘⼟：粉质粘⼟：粉⼟：4.含⽔层和隔⽔层的概念？根据岩⽯赋留地下⽔的相对状况分出含⽔层和隔⽔层。
含⽔层：在重⼒作⽤下能够给出并且通过相当数量⽔的饱⽔岩层或⼟层称含⽔层。
含⽔层必须有良好的透⽔性能，同时⼜必须有⼀定的地质构造条件和地形条件，使地下⽔聚集和储存起来，此外，含⽔层必须有⼀定的补给⽔量。
隔⽔层：在常压条件下，由于重⼒作⽤不能给出并通过相当数量⽔的岩层或⼟层。
通常由黏⼟、粉质黏⼟和页岩、泥灰岩等透⽔性能差的岩⽯组成的岩层构成隔⽔层。
隔⽔层对地下⽔的运动起着阻碍作⽤。
5.上层滞⽔、潜⽔、承压⽔的概念？上层滞⽔：地⾯以下通常分布有多层含⽔层，当包⽓带中局部分布有隔⽔层或弱透⽔层时，隔⽔层上会积聚具有⾃由⽔⾯的重⼒⽔，称为上层滞⽔。
岩土中的空隙和水讲义及思考题
岩⼟中的空隙和⽔讲义及思考题岩⼟中的空隙和⽔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：VV n n = 式中：V n ––––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（void ratio ）（ε）––––指某⼀体积岩⼟内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之⽐。
即sn V V =ε因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
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：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：a. 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）。
第二章岩石中的孔隙与水分
第⼆章岩⽯中的孔隙与⽔分第⼆章岩⽯中的空隙与⽔分⼀、名词解释1．岩⽯的透⽔性：岩⽯允许⽔透过的能⼒。
2．孔隙：松散岩⽯中，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
3．孔隙度：松散岩⽯中，某⼀体积岩⽯中孔隙所占的体积。
4．裂隙：各种应⼒作⽤下，岩⽯破裂变形产⽣的空隙。
5．裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩⽯体积的⽐值。
6．岩溶率：溶⽳的体积与包括溶⽳在内的岩⽯体积的⽐值。
7．溶⽳：可溶的沉积岩在地下⽔溶蚀下产⽣的空洞。
8．给⽔度：地下⽔位下降⼀个单位深度，从地下⽔位延伸到地表⾯的单位⽔平⾯积岩⽯柱体，在重⼒作⽤下释出的⽔的体积。
9．重⼒⽔：重⼒对它的影响⼤于固体表⾯对它的吸引⼒，因⽽能在⾃⾝重⼒作影响下运动的那部分⽔。
10．⽑细⽔：受⽑细⼒作⽤保持在岩⽯空隙中的⽔。
11．⽀持⽑细⽔：由于⽑细⼒的作⽤，⽔从地下⽔⾯沿孔隙上升形成⼀个⽑细⽔带，此带中的⽑细⽔下部有地下⽔⾯⽀持。
12．悬挂⽑细⽔：由于上下弯液⾯⽑细⼒的作⽤，在细⼟层会保留与地下⽔⾯不相联接的⽑细⽔。
13．容⽔度：岩⽯完全饱⽔时所能容纳的最⼤的⽔体积与岩⽯总体积的⽐值。
14．孔⾓⽑细⽔：在包⽓带中颗粒接点上由⽑细⼒作⽤⽽保持的⽔。
15．持⽔度：地下⽔位下降⼀个单位深度，单位⽔平⾯积岩⽯柱体中反抗重⼒⽽保持于岩⽯空隙中的⽔量。
⼆、填空1．岩⽯空隙是地下⽔储存场所和运动通道。
空隙的多少、⼤⼩、形状、连通情况和分布规律，对地下⽔的分步和运动具有重要影响。
2．岩⽯空隙可分为松散岩⽯中的孔隙、坚硬岩⽯中的裂隙、和可溶岩⽯中的溶⽳。
3．孔隙度的⼤⼩主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。
4．松散岩层中，决定透⽔性好坏的主要因素是孔隙⼤⼩；只有在孔隙⼤⼩达到⼀定程度，孔隙度才对岩⽯的透⽔性起作⽤。
5．地下⽔按岩层的空隙类型可分为：孔隙⽔、裂隙⽔、和岩溶⽔。
6．岩性对给⽔度的影响主要表现为空隙的⼤⼩与多少。
7．通常以容⽔度、含⽔量、给⽔度、持⽔度和透⽔性来表征与⽔分的储容和运移有关的岩⽯性质。
工程岩土学考试思考题
工程岩土学思考题1.土体与岩体的主要区别。
土的力学性质与岩体力学性质的主要差别。
2.、影响岩石力学性质的主要因素，影响无粘性土力学性质的主要因素，影响粘性土力学性质的主要因素。
3.、土的基本物理性质及其指标。
4.、土的物质组成特点，粒度成分，矿物成分，土中水的分类及其工程性质。
5.、粒度成分的表示方法，研究意义和用途。
粒度与矿物成分的关系，粒度对土的结构力学性质的影响。
与粒度成分有关的指标及应用。
6.、土的水理性质（广义物理性质）的基本内容，涵义，指标及其使用。
在应用中指标的划分，用途，本质。
7.、土的力学性质及其基本涵义。
各力学性质的基本规律，实验条件和方法，成果曲线特征，数学规律，指标的规律及其应用。
指标间的关系及影响因素。
8.、土结构的基本概念，微结构要素，土的结构的类型，土的结构对各力学性质的影响，结构研究的意义。
9.、岩体和土体勘察和工程性质分析的基本步骤和思路（内容）。
10.、岩石和土的工程地质分类，分类方法及要点，原理，及大的分类。
11.、特殊土的涵义和主要标志，主要特殊性质和主要工程地质特征。
12.、了解成因对特殊土成分结构和工程性质的影响。
13.、了解土中三相的相互作用及其对土结构连接的影响。
14.、熟悉土的力学性质指标的定义，涵义，本质，影响因素，数学表达式及影响因素。
15、了解实验条件对获取指标的影响。
16、掌握不同类型土类的基本物理力学特征17、关于土的各章节的基本概念18、了解土中水对其结构连接力的影响19、了解粒组的性质20、掌握粒组与土类的关系及其概念上的区别。
试谈岩石中的孔隙与水分
当H0＜＜ hc 时， 地下水位下降 时，原重力水 大多转化为支 持毛细水， 土层给水量大 大降低，μ变小。
c) 与地下水位下降速度有关 地下水位下降快慢会影响给水度 μ的大小 ——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）
这是因为释水滞后，而导致的释水减量 d) 土层结构
均质土特征与上述讨论一致 岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值， 多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响 是不同的。
第一节 岩石中的空隙—孔隙
–2.分选性:分选性越差，颗粒大小越悬殊， n则越小。反之则越大。
–3.颗粒形状:形状越不规则，棱角越明显， 排列越疏松，n越大。反之则越小。
–4.胶结程度:胶结越好，n越小。
松散砂土孔隙 粘土 孔隙 裂隙 溶隙
第一节 岩石中的空隙—裂隙
坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生 孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间 孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩 裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。
水汽来源 – 地表水气进入 – 地下水面蒸发
水汽运动 – 从水汽压大处向水汽压小的方向运动或从绝对湿 度大处向绝对湿度小的方向运动 – 从温度高处向温度低的方向运动
汽态水：
存在于岩石空隙
中的水汽
第二节 岩石中水的存在形式— 固态水
概念
指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下 冰）。
我国北方冬季常形成冻土； 东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固 态—多年冻土。
第一节 岩石中的空隙—三者比较
含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也 称为介质场。 三种主要类型的含水介质比较：
1.连 通 性— 孔隙介质最好，其它较差 。 2.空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴 极不均匀孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊。 3.空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小。 4.空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向 异性。造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空 隙形成的环境。
水文地质学 岩土中的空隙与水
>>介质──一种物质存在于另一种物质之中，后者就是前者的介质。 >>多孔介质──由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成 群的微小空隙所构成的物质。多孔介质的主要物理特征是空隙尺寸 极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内的微小空隙可能是互相 连通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
n 1 d s
即可获得岩石的孔隙度。
3.1.5 裂Байду номын сангаас(fissure, fracture)
>>固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而主要发育 各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
成岩裂隙 >>裂隙按成因分为：构造裂隙
风化(卸荷)裂隙 体积裂隙率
>>裂隙的多少以裂隙率表示： 面裂隙率 线裂隙率
3.1.2 岩石空隙的普遍存在
>>在地壳表层的岩石是多孔介质，在它们的固体骨架 间普遍存在着形状不一、大小不等、千差万别的空隙。
>>地壳表层普遍存在的岩石空隙为地下水的赋存和运 移提供了必要的空间条件。所以，地下水的赋存和运移 受岩石的空隙性质直接支配。
>>因此，为了研究地下水的赋存和运移情况，必须首 先对地下水的赋存环境──岩石空隙的性质加以研究。
3.1.3 岩石空隙的分类
>>各类岩石中的空隙千差万别，空隙性质也极不相同，其 本质决定因素是岩石空隙的成因。
>>根据空隙成因，可把岩石中的空隙分为三类： *孔隙(pore) ──主要存在于各种成因的松散沉积物； *裂隙(fissure) ──主要存在于各种非溶性坚硬岩石； *溶隙(cavity) ──主要存在于各种可溶性坚硬岩石。
地质学基础第三章岩土中的空隙和水
岩土中的各种空隙
E
F
岩土中的各种空隙
A
B
分选不良、含泥 砂的砾石
C
D
E
F
G
H
部分胶结的砂
一、孔隙
1、定义：
孔隙——松散岩土中颗粒（颗粒集合体）之间 的空隙。
孔隙度——指单位体积岩土(包括孔隙在内)中 孔隙体积所占的比例。
n Vn (100%) V
孔隙比——岩土中孔隙体积与固体体积的比值。
Vn (100%) n
然而，岩土的透水能力并不取决于平均孔隙直 径，而在很大程度上取决于最小的孔隙直径。 2、孔隙通道弯曲性
此外，孔隙通道愈弯曲，流程就愈长，流动阻 力愈大。
颗粒的大小与分选性，是通过响孔隙大小和通 道直径的沿程变化和曲折性影响透水性的。
第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏
1.有效应力原理 有效应力原理是太沙基于1925年提出的，即
当砂土岩层和粘土层相邻时，抽取砂土层里面的地下 水，导致水位下降，相邻粘土层水会向砂层释水，这样 粘土层发生压密，导致粘性土骨架因压密而发生塑性变 形，当地下水位恢复后，粘性土不能回弹，从而导致不 可恢复的地面沉降。
释水速度的影响 均质的颗粒较细小的松散岩 石，释水比较充分，给水度才能达到其理论最大值。
地下水下降速度的影响 地下水下降速度越快，滞留 于空隙中的水分越多，释出的水分越少，即给水 度越小；相反，下降速度越慢，空隙中水分能充 分释出，释出水越多，即给水度越大。
3、特征
地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中的水只 释出一部分；
五、气态水、固态水及矿物中的水
在未饱和的岩土空隙中存在着气态水。气态 水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。
岩土的温度低于0℃时，液态水转为固态水。 我国北方大部分地区有季节性冻土。东北及青藏 高原有多年冻土。
水文地质学基础 第2章 岩石中的空隙与水(下)
2.3.4 给水度（specific yield）
给水度（specific yield）—— (d) 1、定义： 当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱 体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度
V 1 0 0 % V总
当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出 来？ 在土层中会保留什么形式的水？ 保留的水有：结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细 水与支持毛细水 参见：均质土包气带水分分布
Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础
第 2章
岩石中的空隙与水（下）
The Interstices and Water in Rocks
中国地质大学 水文地质学基础教学组 佛鸣一鼎提供，更多地大资料 qq:605734043 内部资料及历年真题
本章内容
2.1 岩石中的空隙
结合水与重力水
111
222
111111111111111111111111111111111111111111111
2.2.2
重力水
重力水（gravitational water; bulk water） 远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极 其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动
2.2.3
毛细水（续2）
滴水 下雨
砂土
黄土
器皿 砾石
思考： 1. 上细下粗土层，滴水，水停留在何处？ 2. 黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？
2.2.3
毛细水（续3）——毛细水的存在形式
a) 支持毛细水：在地下水面支持下存在的（附着水面上 的），随地下水升降而升降 b) 悬挂毛细水：脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分 c) 孔角毛细水
第二章岩石中的空隙与水分
第二章岩石中的空隙和水分业已知道，自地表到下地幔带都有水分存在，然而与人类关系最为直接的乃是地球浅部的地下水。
这些水赋存在于地壳表层十五公里左右范围的空隙之中。
尤其是2公里以内，这种空隙发育比较普遍，所以有人形象的说：地壳表层犹如饱含水的海绵。
一、岩石中的空隙——岩石中大小不等、形状不一的空间。
岩石中的空隙是存在于岩石中那些大小不等，形状各异的空间，它们是地下水存储的场所和运动的通道。
因此这些空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布情况。
对地下水分布有着严格的控制作用。
* 岩石的空隙性——岩石空隙的形状、大小、多少、连通情况和分布特点。
在水文地质学中岩石的空隙可分为三大类：①岩石的孔隙；②硬岩石的裂隙；③可溶岩石中的溶穴。
1、孔隙——松散岩石中颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
松散堆积物和某些胶结不好的基岩，系由大大小小的颗粒构成，颗粒之间的空隙相互连通且呈孔状，故称为孔隙。
显然，岩石中空隙较多，储存地下水的能力越大。
空隙体积的多少以空隙度（n）表示。
空隙度（n）—包括孔隙在内的某一体积的岩石中，孔隙体积V n所占的比例。
n＝V n／V n＝V n／V·１００％空隙比（L）—岩石中孔隙的体积V n与固体颗粒体积V s的比值。
即：ξ=V n/V s 或ξ=V n/V s·１００％∵V= V n+V s ∴V s =V—V n∵n＝V n／V∴V n＝n·V∵ξ＝V n/V s＝( n·V) / (V—V n) ＝nV／V—V n＝nV／V（１－n）＝n / (n－1)即：ξ= n / (1—n)孔隙度大小是衡量岩石储容地下水能力大小的中要参数，二者为正比关系。
* 松散岩石孔隙度的大小主要取决于：①颗粒的分选程度（均匀程度）；N d1 = 40% 混N d2 = 50%则N（混）= 40%×50% = 20%②颗粒的排列方式；立方体排列疏松N可达47.64%；四面体排列较紧密，N=25.95；与粒径无关。
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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：VV n n = 式中：V n ––––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（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩土内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε 因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
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：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：a. 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％）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、干裂缝等次生孔隙。
2．裂隙（裂隙crack ，fissure ，fracture ，小→大）和溶穴（溶隙：solution fissure ，vugular pore space ）（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 岩土中的水地壳岩石中水的存在形式：1．结合水松散岩石颗粒表面、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现象。
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。
毛细现象毛细玻璃管毛细水：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 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、多少、连通程度及其分布的均匀程度，对水的储容、运移有明显的影响。
1．容水度容水度––––是指岩土完全饱水时所容纳的水的体积与岩土体积的比值。
一般在数值上容水度≈n 。
2．含水量（或含水率）（water content ）对松散岩石而言，如Q 4、土壤等。
1）重量含水量(W g )––––岩土孔隙含水重量(Gw)与干燥岩土重量(GN)的比值，为重量含水量(Wg)。
即：sw g G G W = （小数或%表示）→国外文献上常用g θ表示。
测定：a ．烘干称重法；b ．中子仪。
2）体积含水量(W v )––––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 ）。
即：V V W w v = （小数或%表示）→国外文献上常用v θ或θ表示。
两者之间的关系：αγ⋅=g v W W （当水的容重为1时）。
其中：αγ––––为岩石干容重（密度）。
对于土壤来说，含水量也称为含水率，国际上一般用θ表示含水率（water content ），两者之间的关系为：γθθ⋅=g v3．给水度（yield of water ；specific yield ）给水度（μ）––––给水度是指地下水位下降单位深度时，因重力作用从单位水平面积岩土柱体（从地面到潜水面）释出水的体积。
表示：小数或%表示。
specific yield （给水度）：water drained from soil under gravity flow 。
测定：a ．实验室土柱排水法（高柱仪法）；b ．野外抽水试验法。
给水度的计算：As V ⨯=μ（水位下降时，单位体积土体给出的水的体积） 实际情况下，当地下水位下降时，原先饱水带岩土空隙中的水，只能释出一部分。
一系列复杂因素影响水分的释出：首先，结合水不释出；其次，孔角毛细水也不会释出；第三，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给水度是潜水含水层的主要参数之一。
释水系数又称贮水系数(storativity)或弹性给水度（承压水）。
水头下降一个单位时，从单位面积含水层全部厚度的柱体中，由于水的膨胀和岩层的压缩而释放出的水量；或者水头上升一个单位时，其所贮入的水量。
它是表征含水层(或弱透水层)全部厚度释水(贮水)能力的参数。
影响给水度的因素：a. 岩性：粗颗粒，孔隙大，μ大，≈n ；细颗粒，孔隙小，μ小；b. 初始地下水位埋藏较浅时：当s 0<h c 时，水位下降时，一部分重力水将转化为毛细水，从而μ偏小；c. 当地下水位下降速率大时，μ偏小；d. 重力释水滞后于水位下降，随时间的延续μ缓慢增大，释水比较充分时→理论最大值。
均质松散岩石给水度参考值（P22，表2–2）。
4．持水度地下水位下降时，岩石中的水：a. 一部分在重力的作用下排出，数量指标→给水度；b. 另一部分在重力的作用下仍保持在岩石中，数量指标→持水度。
持水度（S r ）––––是地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体积与单位疏干体积比值。
μ、S r 、n 三者之间的关系：μ＋S r ＝n5．渗透性岩土的渗透性––––指岩体传输水或其他流体(如油气)的性能。
定量指标––––渗透系数（K ）。
影响透水性的因素，主要是孔隙的大小：a. 孔隙愈大，透水性愈强，K 大；b. 孔隙愈小，透水性愈差，K 小。
3．4 有效应力原理与岩土体变形破坏1．有效应力原理太沙基（Terzaghi, 1925）所提出的有效应力原理可以帮助我们分析地下水位的变动引起的松散岩石压密问题。
1）水能承受的应力相当于孔隙水压力u ：h u w ⋅=γ式中：u ––––为孔隙水压力；h ––––为AB 平面上水的测压高度；w γ––––为水的容重。
2）有效应力σ’实际作用于沙层骨架上的应力称为––––有效应力。
有效应力是岩土骨架所承受的应力。
在封闭(或相对封闭)条件下，上覆载荷的总应力（σ），由饱水岩土骨架应力(σ’即有效应力)与孔隙水压力（u）共同承受∴σ=σ’+uσ’=σ- u有效应力等于总应力减去孔隙水压力称为––––太沙基有效应力原理。
2．地下水位变动引起的岩土压密1）水头下降（孔隙水压力降低）→岩土压密。
a. 水头降低时，总应力σ不变；b. 孔隙水压力降低△u；c. 有效应力增加△σ’；d. 原先由水承受的应力，部分地转移到砂层骨架上。
这样：σ＝(u－△u)＋(σ’＋△σ’)2）水头上升（孔隙水压力恢复）→砂层基本上恢复原状。
开采承压水或半承压水导致测压水位下降，孔隙水压力降低，有效应力增大，砂层骨架将发生压缩。
表现为轻微的地面沉降。
当测压水位恢复到原来高度时，孔隙水压力恢复，砂层和地面都将回弹；由于砂粒排列不可能完全回到原状，因此，砂层和地面不会完全回弹。
砂砾类岩土基本上呈––––弹性变形。
粘性土由于释水压密时结构发生了不可逆转的变化，即使孔隙水压力复原，粘性土基本上仍保持其压密状态。
粘性土––––以塑性变形为主。
水位降低→岩土压密→孔隙度、给水度、渗透系数等参数变小。
3.地下水位变化引起岩土体位移破坏岩土体存在不连续面(裂隙、断裂、潜在滑动面等)时，当孔(空)隙水压力增加，有效应力降低时，不连续面的抗剪(抗滑)力降低，岩土体可能因重力作用，发生滑坡或崩塌等。
思考题1.为什么图3.2b不能代表粗粒土最小孔隙度?颗粒大小对于孔隙度有无影响?为什么?2.自然界中接近等粒、分选良好的砂，孔隙度大致范围如何?为什么?3.假定图3.2a的孔隙中充满立方体排列的等粒圆球状小颗粒，其孔隙度是多少?4.为什么孔喉对水的滞留、释出及传输，影响更大?5.试分析松散沉积物颗粒大小及分选程度对其渗透性的影响。
6.图3.5b为什么会形成悬挂毛细水?7.为什么给水度不是一个确定值?8.什么情况下，给水度才基本上等于空隙度?9.孔隙？10.孔隙度?11.孔隙比？12.成岩裂隙？13.构造裂隙？14.风化裂隙？15.卸荷裂隙16.结合水？17.重力水？18.毛细水？19.容水度？20.重量含水量？21.体积含水量？22.给水度？23.持水度？24.岩土的渗透性？25.有效应力？26.岩石空隙可分为非固结岩石中的、坚硬固结岩石中的和可溶岩石中的。