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1、第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.1 毛細現(xiàn)象的實質,5.2 毛細負壓,5.3 包氣帶水水分分布及運動,5.3.1 土層中的毛細水帶,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,5.4 毛細水上升高度與土的物理特性的關系,5.5 毛細現(xiàn)象與災害,5.5.1 鹽漬土與路基,5.5.2 毛細現(xiàn)象、凍融、季節(jié)性凍土與路基,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,液體表面張力是分子間相互作用的結果。就水來說，內部的水分子處于其他水分子的包圍之中，各個方向分子的引力會相互抵消。 但是表層水分子受到的內部水分子引力遠大于外部空氣分子的引力。 所以，表面的水分子永遠受到指向液體內部的力，總是趨向向內部移動。這樣，

2、液體總是會力圖縮小其表面積。而同樣體積的物體，總是以球體的表面積最小。 荷葉表面對水的不浸潤和表面張力共同作用，使水在荷葉上收縮為晶瑩的露珠。雨滴在表面張力和重力的共同作用下呈現(xiàn)為淚滴形。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,表面張力不僅液體有，固體也有，只是因為固體分子排列的非常緊密，表層的分子不容易“縮回”到固體的內部，這種收縮力表現(xiàn)的不明顯罷了。 如果固體和液體不存在表面張力，就會像氣體一樣沒有形狀和體積，世界上所有的一切，都是虛無飄渺的了。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.1 毛細現(xiàn)象的實質,將細小的玻璃管插入水中，水會在管中上升到一定高度才停止，這便是固、液、氣三相界面上產生

3、的毛細現(xiàn)象。,水,水銀,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,水與空氣的分界面上存在著表面張力：液體總是力圖縮小自己的表面積，以使表面自由能變得最小，這也就是一滴水珠總是成為球狀的原因。表面張力的計算：,毛細管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個引力使與管壁接觸部分的水面呈向上的彎曲狀，這種現(xiàn)象稱為濕潤現(xiàn)象。這種內凹的彎液面表明管壁和液體是互相吸引的（即可濕潤的）。,如果管壁和液體之間不互相吸引，稱為不可濕潤的，那么毛細管內液體彎液面的形狀是外凸的，如毛細管內的水銀柱面就是這樣。,表面張力系數，單位為dyn/cm（1dyn=10-5N，達因）,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,切取一個半徑為

4、 R 的半圓球形液面,此時彎液面下的液體實際承受到的表面壓強,任何形狀的彎液面所產生的附加表面壓強Pc都可以用拉普拉斯公式表示,液體表面的兩個主要曲率半徑,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,當液面為凸形時，附加表面壓強是正的。此時，實際表面壓強,拉普拉斯公式的涵義：彎曲的液面將產生一個指向液面凹側的附加表面壓強，附加表面壓強與表面張力系數成正比，與表面的曲率半徑成反比。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,如液面為凹形時，附加表面壓強是負的，實際表面壓強,平的液面不產生附加表面壓強，實際表面壓強,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.2 毛細負壓,凹形彎液面產生的附加壓強 Pc 是個負壓

5、強，稱為毛細負壓,凹形彎液面的人由于表面張力的作用，要比平的液面小一個相當于 Pc 的壓強；或者說，凹形彎液面下的水存在一個相當于Pc的真空值。毛細負壓換算成水柱高度：,茹林公式,第二章 巖石中的空隙與水分,,2.3.2 含水量,含水量說明松散巖石實際保留水分的狀況。,重量含水量：松散巖石孔隙中所含的水量（Gw）與干燥巖石重（Gs）的比值,體積含水量：含水體積（Vw）與包括孔隙在內的巖石體積（V）的比值,若水的比重為1，巖石的干容重（單位體積干土的重）為,重量含水量與體積含水量的關系,第二章 巖石中的空隙與水分,,2.3.2 含水量,飽和含水量Ws：孔隙充分飽水時的含水量,飽和差：飽和含水量與

6、實際含水量之間的差值,飽和度：實際含水量與飽和含水量之比,比重：也稱相對密度，固體和液體的比重是該物質的密度與在標準大氣壓，3.98時純H2O的密度（999.972 kg/m3）的比值。氣體的比重是指該氣體的密度與標準狀況下空氣密度的比值。液體或固體的比重說明了它們在另一種流體中是下沉還是漂浮。 比重是無量綱量，即比重是無單位的值，一般情形下隨溫度、壓力而變。密度是有量綱的量，比重是無量綱的量。,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3 包氣帶水水分分布及運動,打井出水,5.3.1 土層中的毛細水帶,上層毛細水帶,支持毛細水帶,毛細飽和帶,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3.1

7、土層中的毛細水帶,在理想條件下，即包氣帶由均質土構成，無蒸發(fā)與下滲，包氣帶水水分分布穩(wěn)定時，含水量的垂向分布如圖（c）所示。,支持毛細水帶:由此往下，進入支持毛細水帶，含水量隨著接近潛水面而增高（圖a）。,上層毛細水帶:由地表向下某一深度內含水量為一定值，相當于殘留含水量（Wc）。構成殘留含水量的包括結合水、孔隙毛細水與部分懸掛毛細水（圖a），是反抗重力保持于土中的最大持水度。這部分水與其下的支持毛細水及潛水不發(fā)生水力聯(lián)系。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3.1 土層中的毛細水帶,毛細飽和帶:在潛水面之上有一個含水量飽和（體積含水量等于孔隙度）的帶，稱為毛細飽和帶（圖a）。,毛細飽和

8、帶由潛水面直接上升而形成，受地下水位季節(jié)性升降變化的影響很大，會隨著地下水位的升降作相應的移動。,為什么含水量飽和帶接近潛水？ 細小的孔道毛細水上升高，最寬大的孔隙通道也被支持毛細水充滿的范圍。,地下水位急劇下降時，它也隨著急速下降；其中的水可以在表面張力和重力作用下移動,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,1）毛細負壓,包氣帶中毛細負壓隨著含水量的變小而負值變大。這是因為，隨著含水量降低，毛細水退縮到孔隙度更加細小處，彎液面的曲率增加（曲率半徑變小），造成毛細負壓的負值更大，因此，毛細負壓是含水量的函數：,2）滲透系數,飽水帶中，任一特定的均質土層，滲

9、透系數K是常數；但在包氣帶中，滲透系數 K 隨含水量降低而迅速變小，K也是含水量的函數：K=K（W），原因是：,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,含水量降低，實際過水斷面隨之減少； 含水量降低，水流實際流動途徑的彎曲程度增加； 含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流動，阻力增加。,K = K（W）,3）達西定律,包氣帶水的非飽和流動，仍可用達西定律描述。作一維垂直下滲運動時，滲透流速可表示為：,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,綜上所述，包氣帶水的運動，同樣可以用達西定律描述，但與飽水帶的運動相比，有以下三點不同

10、：,飽水帶只存在重力勢，包氣帶同時存在重力勢與毛細勢； 飽水帶任一點的壓力水頭是個定值，包氣帶的壓力水頭則是含水量的函數； 飽水帶的滲透系數是個定值，包氣帶的滲透系數隨含水量的降低而變小。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.4 毛細水上升高度與土的物理特性的關系,一、不同粒組毛細水上升的特征,土的顆粒愈細，毛細水上升高度愈大，但其上升的速度在毛細水上升整個過程中，并不是簡單地土顆粒愈細上升速度愈快、愈粗速度愈慢。 圖1為分別由粗、中、細、極細4種粒組所組成的4組試樣，其毛細水上升高度與時間的關系曲線。 粒徑分別為： 10.5mm；0.50.25mm；0.250.1mm；<0.1m

11、m,第四章 土的物理性質和工程分類,,粒組劃分,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,為了更清晰地反映毛細水初期上升速度的變化規(guī)律，圖2為上面粗、中、細、極細4組試樣前1000s內毛細水上升高度與時間的關系曲線。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,通過曲線和試驗觀測得出： 在開始階段由中粒組成的試樣上升速度最大，而中、細、極細粒3組試樣比較，是隨著顆粒愈細上升速度愈慢。 隨著時間的推移，顆粒愈細上升的速度相對加快，粗顆粒達到最大高度所需的時間比細顆粒短。,二、同一類土級配不同其毛細水上升的特征,下表是由粒徑0.50.25mm和小于0.1mm的2種粒組所組成的5組中砂試樣，其2種顆粒含量的比

12、例不同，在138.9小時內毛細水上升高度變化情況；,試樣以中砂為代表。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,含量不同兩種粒組組成的中砂138.9 h毛細水上升高度,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,表2為4種粒組所組成的中砂，其4種顆粒含量的比例不同在138.9h毛細水上升高度。,表2不同顆粒級配的中砂138.9 h毛細水上升高度,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,從表1、表2和圖3中可以看出： 1）同一類土隨著細顆粒含量的增多毛細水上升高度增大對毛細水上升高度影響較大的是細粒組的含量。 2）對于同一類土但其顆粒級配不同毛細水上升的規(guī)律與前面討論的不同粒組上升的特征是一致的。 在毛細水上升

13、的初期細顆粒含量愈多上升速度愈慢； 隨著時間的推移，毛細水上升的速度細顆粒含量愈多上升速度相對加快。 同一類土隨著細顆粒含量的增大，毛細水上升最大高度增大，并且主要取決于其極細粒粒組含量。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,三、不同壓實度下毛細水升高與時間關系,壓實度：土或其他筑路材料壓實后的干密度與標準最大干密度之比，以百分率表示。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,三、不同壓實度下毛細水升高與時間關系,壓實度是路基路面施工質量檢測的關鍵指標之一，表征現(xiàn)場壓實后的密度狀況，壓實度越高，密度越大，材料整體性能越好。,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,四、不同含水量下毛細水升高與時間關系

14、,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,四、不同含水量下毛細水升高與時間關系,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,五、不同含鹽量下毛細水升高與時間關系,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,五、不同含鹽量下毛細水升高與時間關系,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.4 毛細水上升高度與土的物理特性的關系,1）粗粒土,對粗粒土，毛細上升高度隨顆粒變細（可用平均粒徑衡量）而增加；,2）細粒土,對同種土料，毛細上升高度隨壓實度增大而增大。,對同類土料，毛細上升隨含泥量增多而變大；,液限：黏質土流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的界限含水率,塑限：黏質土可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間的界限含水率,流動狀態(tài),可塑狀態(tài),半固體狀

15、態(tài),,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,對低液限粉土，仍遵循粗粒土規(guī)律。比如粉土中毛細水上升高度比粉砂大。,對高液限黏土，隨著壓實度的增加，毛細水的上升速度明顯降低。,原因：,壓實度的增加，使得毛細孔隙變小。 高液限黏土中細粒含量高，塑性指數大，土粒的結合水可形成較厚的結合水膜，結合水膜中重合比較多，使得原本變小的部分孔隙被結合水阻斷，形成使水分不能流動的死端孔隙，沒有阻斷的空襲也變得更加細小，水分遷移迂回度增加，毛細上升阻力變得更大，上升速度變得更慢，高度更小。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.5 毛細現(xiàn)象與災害,5.5.1 土的毛細現(xiàn)象對工程有影響,4）毛細水的上升是引起路

16、基凍害的因素之一。,2）對于房屋建筑，毛細水的上升會引起地下室過分潮濕；,1）毛細水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對路基與農業(yè)經濟都有很大影響；,3）當地下水有浸蝕性時，毛細水上升對建筑物和構筑物的基礎中的混凝土、鋼筋等形成浸蝕作用；,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.5.1 鹽漬土與路基,1）鹽滯土的危害,對作物：由于土壤鹽分過高，使土壤溶液濃度增加，導致滲透壓不斷提高，植物從土壤中吸收水分的能力減小，表面缺水，植物不能吸收土壤中的水分而死亡。 即使是能生存下來的，也由于土壤板結影響了氧氣進入根部，不能有效地進行呼吸作用，從而變得稀疏、枯萎。,（滲透壓即當兩種水溶液的濃度不同時

17、，會在它們之間產生一種壓力差，使?jié)舛容^小溶液中的水向濃度較大的溶液滲入）,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.5.1 鹽漬土與路基,1）鹽滯土的危害,對路基： 具有溶陷性、膨脹性和腐蝕性，地基承載力變化大。 干燥時：鹽分呈結晶狀態(tài)，地基承載力較高； 浸水后：晶體溶解變?yōu)橐后w，承載力降低，壓縮性增大； 土中含硫酸鹽類結晶，體積膨脹，溶解后體積縮小，易使地基土的結構破壞，強度降低并形成松脹鹽土； 由于鹽類遇水溶解，使地基容易產生溶蝕現(xiàn)象，降低地基的穩(wěn)定性。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,2）克服鹽漬土地區(qū)公路的病害,分析路基設計條件,了解鹽漬土地區(qū)不同類型的鹽漬土分布范圍，含鹽

18、特征及地下水、地面水等情況；,鹽漬土地區(qū)的公路應保證排水暢通，不致因積水使土中的鹽分發(fā)生不利的變化；,在鹽漬土地段修筑公路，宜以填土路基通過，便于設置封閉性的隔斷層后，回填非鹽漬土。,預防鹽漬土的病害,預防鹽漬土的病害應該圍繞解決毛細水攜鹽上聚問題，其措施：,A） B） C）,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,A）降低地下水位，迅速疏干土中的水，做砂礫隔斷層，最大限度提高路基，加厚砂礫墊層，排擋地表水侵入路基等等，視情況采用單獨和綜合處理措施來減小道路病害。 從理論分析，這些方法都不能從根本上切斷水的毛細管道：切斷上下土層的聯(lián)接，要做到這一點只有采取封閉性的隔斷層，用來隔斷毛細水攜鹽

19、上升。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,a）從環(huán)保的角度來講，目前社會上有大量廢棄塑料編織袋,b）從經濟上分析，塑料編織袋是廢棄的東西,c）從原材料分析，塑料編織袋的主要化學成分是聚丙烯，其具有極強的抗腐蝕能力，一條二級公路的使用年限是二十年，而聚丙烯的編織物埋在土里上百年也不會被腐蝕掉，所以它足已伴隨著一條公路完成它的使命。,d）其它方面，聚丙烯編織袋具有極強的延展性，當其材料鋪在路基下受到鹽脹頂推時，它可以隨意變形而不被頂爛，經緯強度高,從而可以達到阻止毛細水攜鹽上升的目的。,B）為了阻止毛細水上升攜鹽積聚，設置封閉型隔斷層：隨著高科技材料出現(xiàn)，選用一種抗老化，防腐蝕，高強度,柔性好的

20、薄膜；建議利用廢棄的尿素袋，它的優(yōu)勢在于：,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,下層土的鹽脹力遠遠小于上層土的壓力，隔斷膜受土的壓力，盡管下層土被脹力壓縮凹凸不平，防滲膜有相當的韌性，抗拉強度大，這樣就可以達到隔水、隔氣、隔土粒間的聯(lián)接，即使下部土鹽脹也不會影響路面結構。采取封閉性隔斷措施，解決了鹽分上聚和上層非鹽漬土的次生鹽漬化問題，從而保證路基的穩(wěn)定。這一設想具有可行性。,C）種植鹽生植物，使之成為路基被鹽漬土侵害的防護墻。鹽漬化土壤是對栽培植物的有害環(huán)境，但對許多鹽生植物卻是適生環(huán)境,由于次生鹽漬化的發(fā)生與地下水位關系密切，鹽生植物耗水量少，所以可充分利用高礦化度水源。西北鹽堿沙地上有羅

21、布麻、駱駝刺、黑果枸杞等植物生長。,因此，在公路建設中，應加大種植鹽生植物的投入，在距公路路基兩邊一定寬度種植紅柳或其它鹽生植物，植物的根系將地下水吸收，使土壤的含鹽量降低，蒸發(fā)水減少，不但保護了路基的穩(wěn)定，而且有利于生態(tài)環(huán)境。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,5.5.2 毛細現(xiàn)象、凍融、季節(jié)性凍土與路基,1）土的毛細水與土凍融特性的關系,土的凍脹現(xiàn)象和融陷現(xiàn)象是季節(jié)性凍土的特性，亦即土的凍融特性。 凍脹和融陷對工程都將產生不利影響。 特別是高寒地區(qū)，發(fā)生凍脹時，使路基隆起，路面凍脹、開裂、錯縫或折斷； 發(fā)生融陷后，路基土強度降低，重者產生翻漿。,地面下一定深度的水溫，隨大氣溫

22、度的改變而改變。,當大氣負溫傳人土中時，土中的自由水首先結合成冰晶體，隨著溫度繼續(xù)下降，弱結合水的最外層也開始凍結，使冰晶體逐漸擴大。,,凍融過程,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,由于結合水膜的減薄，使得水膜中的離子濃度增加，產生了滲透壓力,在這兩種引力的作用下，下臥未凍結區(qū)水膜較厚處的弱結合水，被吸引到水膜較薄的凍結區(qū)，并參與凍結，使冰晶體增大，而不平衡引力卻繼續(xù)存在。,假使下臥未凍結區(qū)存在著水源（如地下水距凍結區(qū)很近）及適當的水源補給通道（如毛細通道），水能夠源源不斷地補充到凍結區(qū)來，那么，未凍結區(qū)的水分（包括弱結合水和自由水）就會不斷地向凍結區(qū)遷移和積聚，使冰晶體不斷擴大，在土層中

23、形成冰夾層，土體隨之發(fā)生隆起，即凍脹現(xiàn)象。,這樣使冰晶體周圍土粒的結合水膜減薄，土粒就產生剩余的分子引力。,當土層解凍時，土中積聚的冰晶體融化，土體隨之下陷，即出現(xiàn)融陷現(xiàn)象。,,,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,2）影響凍脹的三個因素,土的因素 通常發(fā)生在細粒土中，特別是粉砂、粉土、粉質粘土等，凍結時水分遷移積聚最為強烈，凍脹現(xiàn)象嚴重。這類土具有效顯著的毛細現(xiàn)象，毛細水上升高度大，上升速度快，具有較通暢的水源補給通道。 同時，這類土的顆粒較細，表面能大，土粒礦物成分親水性強，能持有較多的結合水，從而能使大量結合水遷移和積囊。 相反，粘土雖有較厚的結合水膜，但毛細孔隙很小，對水分

24、遷移的阻力很大，沒有通暢的水源補給通道，所以其凍脹性較上述土類為小。 砂礫等粗顆粒土，沒有或具有很少量的結合水，孔隙中自由水凍結后，不會發(fā)生水分的遷移積聚，同時由于砂礫無毛細現(xiàn)象，因而不會發(fā)生凍脹。所以在工程實踐中常在地基或路基中換填砂土，以防治凍脹。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,水的因素 土層發(fā)生凍脹的原因是水分的遷移和積聚所致。因此，當凍結區(qū)附近地下水位較高，毛細水上升高度能夠達到或接近凍結線，使凍結區(qū)能得到外部水源的補給時，將發(fā)生比較強烈的凍脹現(xiàn)象。,溫度的因素 當氣溫驟降且冷卻強度很大時，土的凍結面迅速向下推移，即凍結速度很快。這時，土中弱結合水及毛細水還來不及向凍

25、結區(qū)遷移就在原地凍結成冰，毛細通道也被冰晶體所堵塞。這樣，水分的遷移和積聚不會發(fā)生，在土層中看不到冰夾層，只有散布于土孔隙中的冰晶體，這時形成的凍土一般無明顯的凍脹。 如氣溫緩慢下降，冷卻強度小，但負溫持續(xù)的時間較長，則就能促使未凍結區(qū)水分不斷地向凍結區(qū)遷移積聚，在土中形成冰夾層，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,3）季節(jié)性凍土對公路工程危害及防凍措施,防治季節(jié)性凍土對公路工程的危害，一般采取以下幾種辦法：,設置砂礫墊層,A）能起隔離層的作用，當地下水通過路基土毛細管上升到砂礫墊層時，因砂礫墊層孔隙較大，形成的毛細管少，控制了地下水的上升數量；,B）路基設置在寒冷地區(qū)冰凍線以上，基底還有不同深度的路基土受凍，如果在基底設置砂礫墊層，可減少凍脹路基土的厚度從而減輕凍土的膨脹程度，削弱凍脹土的抬拱力。,第五章 毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,提高路基填筑高度,選擇高路基，提高路基填筑高度，使路基高度超過冰凍線的深度，避免路基上中的毛細水受凍結冰，保證基底不凍。,基底鋪設土工織物,在基地鋪設土工織物，使地下水與路基土隔離，并阻斷毛細水,設置排水溝、截水溝,路基兩側邊內底部低于地下水水位處，設置排水溝和截水溝，降低地下水位，排出地表水，減少路基土含水率，做到防治凍土危害的目的。,