05毛细现象与包气带水的运动(精品).ppt

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1、第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动毛细现象毛细现象 将将细小细小的玻璃管插入的玻璃管插入水水中，水会在管中中，水会在管中上升上升到一定高度才停到一定高度才停止，这便是固、液、气三相界面上产生的止，这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象毛细现象。水水水银水银第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.1 毛细现象的实质毛细现象的实质5.2 毛细负压毛细负压5.3 包气带水水分分布及运动包气带水水分分布及运动5.3.1 土土层层中的毛中的毛细细水水带带5.3.2 包气包气带带中水的渗透中水的渗透讨论讨论5.4 毛细水上升高度毛细水上升高度与土的物

2、理特性的关系与土的物理特性的关系5.5 毛细现象与灾害毛细现象与灾害5.5.1 盐渍土与路基盐渍土与路基5.5.2 毛细现象、冻融、季节性冻土与路基毛细现象、冻融、季节性冻土与路基第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动液体表面张力是分子间相互作用的结果。就水来说，液体表面张力是分子间相互作用的结果。就水来说，内部的水分子内部的水分子处于其他水分子的包围之中，各个方向分处于其他水分子的包围之中，各个方向分子的子的引力会相互抵消引力会相互抵消。但是但是

3、表层水分子表层水分子受到的内部水分子引力远大于外部受到的内部水分子引力远大于外部空气分子的引力。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，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，液体总是会总是趋向向内部移动。这样，液体总是会力图缩小其表力图缩小其表面积面积。而同样体积的物体，总是以球体的表面积最小。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在荷叶上收缩为晶莹的露珠露珠。雨滴在表面张力和重力的。雨滴在表面张力和重力的共同作用下呈现为共同作用下

4、呈现为泪滴形泪滴形。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动表面张力不仅液体有，固体也有，只是因为固体分子排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，表层的分子不容易列的非常紧密，表层的分子不容易“缩回缩回”到固体的内到固体的内部，这种收缩力表现的不明显罢了。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如果固体和液体不存在表面张力，就

5、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。形状和体积，世界上所有的一切，都是虚无飘渺的了。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.1 毛细现象的实质毛细现象的实质 将将细小细小的玻璃管插入的玻璃管插入水水中，水会在管中中，水会在管中上升上升到一定高度才停到一定高度才停止，这便是固、液、气三相界面上产生的止，这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象毛细现象。水水水银水银第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 水与空气水与空气的的分界面上分界面上存在着存在着表面张力表面张力：液体总是液体总是力图缩小力图缩小自己的表面积，以自己

6、的表面积，以使表面自由能使表面自由能变得最小变得最小，这也就是，这也就是一滴水珠一滴水珠总是成为球状的原因总是成为球状的原因。表面张力表面张力的计算：的计算：毛细管管壁的分子和水分子之间有毛细管管壁的分子和水分子之间有引力引力作用，这个引力使作用，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湿润现象象。这种。这种内凹内凹的弯液面表明管壁和液体是互相吸引的（即可湿的弯液面表明管壁和液体是互相吸引的（即可湿润的）润的）。如果管壁和液体之间如果管壁和液体之间不互相吸引不互相吸引，称为，称为不可湿润不可湿润的，那么的，那么毛细管内液体

7、弯液面的形状是毛细管内液体弯液面的形状是外凸外凸的，如毛细管内的的，如毛细管内的水银水银柱面柱面就是这样。就是这样。表面张力系数，单位为表面张力系数，单位为dyn/cm（1dyn=10-5N，达因）达因）第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动切取一个半径为切取一个半径为 R 的半圆球形液面的半圆球形液面此时此时弯液面下弯液面下的液体实际承受到的表面压强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任何形状的弯液面所产生的附加表面压强附加表面压强Pc都可以用拉普拉斯公都可以用拉普拉斯公式表示式表示液体表面的两个主要曲率半径液体表面的两个主要曲率半径第五章第五章 毛毛细

8、现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动当液面为凸形时，附加表面压强是正的。此时，实际表当液面为凸形时，附加表面压强是正的。此时，实际表面压强面压强 拉普拉斯公式拉普拉斯公式的涵义：的涵义：弯曲的液面弯曲的液面将产生一个将产生一个指向指向液液面面凹侧凹侧的的附加表面压强附加表面压强，附加表面压强与表面张力系数成，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正比，与表面的曲率半径成反比。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动如液面为凹形时，附加表面压强是负的，实际表面压强如液面为凹形时，附加表面压强是负的，实际表面压强平的平的液面液面不产生附加表面压强，实际

9、表面压强不产生附加表面压强，实际表面压强第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.2 毛细负压毛细负压 凹形凹形弯液面产生的附加压强弯液面产生的附加压强 Pc 是个负是个负压强，称为压强，称为毛细负压毛细负压 凹形凹形弯液面的人由于表面张力的作弯液面的人由于表面张力的作用，要比平的液面用，要比平的液面小小一个相当于一个相当于 Pc 的的压强；或者说，凹形弯液面下的水存在压强；或者说，凹形弯液面下的水存在一个相当于一个相当于Pc的真空值。的真空值。毛细负压毛细负压换算换算成成水柱高度水柱高度：茹林公式茹林公式第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.2 含

10、水量含水量 含水量含水量说说明松散岩石明松散岩石实际实际保留水分的状况。保留水分的状况。重量含水量重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）与干燥岩）与干燥岩石重（石重（Gs）的比）的比值值体体积积含水量含水量：含水体：含水体积积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体）与包括孔隙在内的岩石体积积（V）的比的比值值若水的若水的比重比重为为1，岩石的干容重（，岩石的干容重（单单位体位体积积干土的重）干土的重）为为重量含水量与体重量含水量与体积积含水量的关系含水量的关系第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.2 含水量含水量饱饱和含水量和含水量Ws：孔隙充分：

11、孔隙充分饱饱水水时时的含水量的含水量饱饱和差和差：饱饱和含水量与和含水量与实际实际含水量之含水量之间间的差的差值值饱饱和度和度：实际实际含水量与含水量与饱饱和含水量之比和含水量之比 比比重重：也称：也称相对密度相对密度，固体和液体的比重是该物质的，固体和液体的比重是该物质的密度与在标准大气压，密度与在标准大气压，3.98时时纯纯H2O的密度（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）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。种流体

12、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，比重是无量纲的随温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。量。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3 包气带水水分分布及运动包气带水水分分布及运动打井出水打井出水5.3.1 土土层层中的毛中的毛细细水水带带上层毛细水带上层毛细水带支持毛细水带支持毛细水带毛细饱和带毛细饱和带第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3.1 土土层层中的毛中的毛细细水水带带 在理想条件下，即包气在理想条件下

13、，即包气带带由均由均质质土构成，无蒸土构成，无蒸发发与下与下渗，包气渗，包气带带水水分分布水水分分布稳稳定定时时，含水量的垂向分布如，含水量的垂向分布如图图（c）所示。）所示。支持毛细水带支持毛细水带:由此往下，进入支持毛细水带，含水量由此往下，进入支持毛细水带，含水量随着接近潜水面而增高（图随着接近潜水面而增高（图a）。）。上上层层毛毛细细水水带带:由地表向下某一深度内含水量由地表向下某一深度内含水量为为一定一定值值，相当于相当于残留含水量残留含水量（Wc）。构成残留含水量的包括）。构成残留含水量的包括结结合水、合水、孔隙毛孔隙毛细细水与部分水与部分悬悬挂毛挂毛细细水水（图图a），是），是反

14、抗重力反抗重力保保持于土中的最大持水度。持于土中的最大持水度。这这部分水与其下的支持毛部分水与其下的支持毛细细水及水及潜水不潜水不发发生水力生水力联联系。系。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3.1 土土层层中的毛中的毛细细水水带带毛细饱和带毛细饱和带:在潜水面之上有一个含水量饱和（体积含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（图水量等于孔隙度）的带，称为毛细饱和带（图a）。）。毛细饱和带毛细饱和带由由潜水面直接上升而形成潜水面直接上升而形成，受地下水位季，受地下水位季节节性升降性升降变变化的影响很大，会随着地下水位的升降作相化

15、的影响很大，会随着地下水位的升降作相应应的移的移动动。为什么含水量饱和带接近潜水？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。持毛细水充满的范围。地下水位急地下水位急剧剧下降下降时时，它也随着急速下降，它也随着急速下降；其中的水；其中的水可以在可以在表面表面张张力和重力力和重力作用下移作用下移动动第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3.2 包气包气带带中水的渗透中水的渗透讨论讨论1 1）毛细负压毛细负压 包包气气带中毛细负压随着含水量的带中毛细负压随着含水量的变变小而负

16、值变大。这小而负值变大。这是因为，随着是因为，随着含水量降低含水量降低，毛细水，毛细水退缩到孔隙度更加细小退缩到孔隙度更加细小处处，弯液面的，弯液面的曲率增加曲率增加（曲率半径变小），造成毛细负压（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：的负值更大，因此，毛细负压是含水量的函数：2 2）渗透系数渗透系数 饱水带饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数中，任一特定的均质土层，渗透系数K是常数；是常数；但在但在包气带包气带中，中，渗透系数渗透系数 K 随含水量降低而迅速变小随含水量降低而迅速变小，K也也是是含水量含水量的函数：的函数：K=K（W），原因是：原因是：第五章

17、第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3.2 包气包气带带中水的渗透中水的渗透讨论讨论 含水量降低，实际过水断面随之减少；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，含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加阻力增加。K=K（W）3 3）达西定律）达西定律 包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一一维垂直下渗运动时维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：，渗透流速可表示为：第五章第五章 毛

18、毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.3.2 包气包气带带中水的渗透中水的渗透讨论讨论 综上所述，包气带水的运动，同样可以用达西定律描综上所述，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：述，但与饱水带的运动相比，有以下三点不同：饱水带只存在饱水带只存在重力势重力势，包气带同时存在，包气带同时存在重力势重力势与与毛细毛细势势；饱水带任一点的压力水头是个饱水带任一点的压力水头是个定值定值，包气带的压力水，包气带的压力水头则是头则是含水量的函数含水量的函数；饱水带的渗透系数是个定值，包气带的饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数渗透系数随含随含水量

19、的降低而变小。水量的降低而变小。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.4 毛细水上升高度毛细水上升高度与土的物理特性的关系与土的物理特性的关系一、不同粒组毛细水上升的特征一、不同粒组毛细水上升的特征 土的颗粒愈细，毛细水上升土的颗粒愈细，毛细水上升高度高度愈大，但其上升的愈大，但其上升的速速度度在毛细水上升整个过程中，并不是简单地土颗粒愈细上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。升速度愈快、愈粗速度愈慢。图图1为分别由粗、中、细、极细为分别由粗、中、细、极细4种粒组所组成的种粒组所组成的4组组试样，其毛细水上升高度与时间的关系曲线

20、。试样，其毛细水上升高度与时间的关系曲线。粒径分别为：粒径分别为：10.5mm；0.50.25mm；0.250.1mm；0.1mm第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.4 毛细水上升高度毛细水上升高度与土的物理特性的关系与土的物理特性的关系第四章第四章 土的物理性土的物理性质质和工程分和工程分类类粒组名称粒组名称分界粒径分界粒径（mm）巨粒组巨粒组漂石（块石）组漂石（块石）组d200卵石（碎石）组卵石（碎石）组200d60粗粒组粗粒组砾（角砾）粒砾（角砾）粒粗砾粗砾60d20中砾中砾20d5细砾细砾5d2砂粒砂粒粗砂粗砂2d0.5中砂中砂0.5d0.25细砂细砂0.

21、25d0.075细粒组细粒组粉粒粉粒0.075d 0.005粘粒粘粒d0.005粒组划分粒组划分第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 为了更清晰地反映毛细水初期上升速度的变化规律，图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、极细为上面粗、中、细、极细4组试样组试样前前1000s内毛细水上升高内毛细水上升高度与时间的关系曲线。度与时间的关系曲线。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 通过曲线和试验观测得出：通过曲线和试验观测得出：在在开始阶段开始阶段由中粒组成的试样上升速度最大，而中、由中粒组成的试样上升速度最大，而中

22、、细、极细粒细、极细粒3组试样组试样比较，比较，是随着颗粒愈细上升速度愈慢。是随着颗粒愈细上升速度愈慢。随着时间的推移随着时间的推移，颗粒愈细上升的速度相对加快，粗，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。颗粒达到最大高度所需的时间比细颗粒短。二、二、同一类土级配不同其毛细水上升的特征同一类土级配不同其毛细水上升的特征 下表下表是由粒径是由粒径0.50.25mm和小于和小于0.1mm的的2种粒组种粒组所组成的所组成的5组中砂试样，其组中砂试样，其2种颗粒含量的比例不同，在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；小时内毛细水上升高度变化情况；试

23、样以试样以中砂中砂为代表。为代表。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动含量不同两种粒组组成的中砂含量不同两种粒组组成的中砂138.9 h毛细水上升高度毛细水上升高度第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 表表2为为4种粒组所组成的中砂，其种粒组所组成的中砂，其4种颗粒含量的比例不同种颗粒含量的比例不同在在138.9h毛细水上升高度。毛细水上升高度。表表2不同颗粒级配的中砂不同颗粒级配的中砂138.9 h毛细水上升高度毛细水上升高度第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动图图3同类土不同粒组含量毛细水上升高度与时间的关系曲线

24、同类土不同粒组含量毛细水上升高度与时间的关系曲线第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 从表从表1、表、表2和图和图3中可以看出：中可以看出：1）同一类土随着）同一类土随着细颗粒含量的增多细颗粒含量的增多毛细水毛细水上升高度增大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。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）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。前面讨论的不同粒组上升的特征是一致的。在毛细水在毛细水上升的初期上升的初期细颗粒含量愈多上升速度愈慢；细颗粒含量愈多

25、上升速度愈慢；随着时间的推移随着时间的推移，毛细水上升的速度细颗粒含量愈多上，毛细水上升的速度细颗粒含量愈多上升速度相对加快。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。增大，并且主要取决于其极细粒粒组含量。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动三、三、不同压实度下毛细水升高与时间关系不同压实度下毛细水升高与时间关系压实度压实度：土或其他筑路材料压实后的干密度与：土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密标准最大干密度之比度之比，以百分率表示。，以百分率表示。第五

26、章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动三、三、不同压实度下毛细水升高与时间关系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。实后的密度状况，压实度越高，密度越大，材料整体性能越好。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动四、四、不同含水量下毛细水升高与时间关系不同含水量下毛细水升高与时间关系第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动四、四、不同含水量下毛细水升高与时间关系不同含水量下毛

27、细水升高与时间关系第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动五、五、不同含盐量下毛细水升高与时间关系不同含盐量下毛细水升高与时间关系第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动五、五、不同含盐量下毛细水升高与时间关系不同含盐量下毛细水升高与时间关系第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.4 毛细水上升高度毛细水上升高度与土的物理特性的关系与土的物理特性的关系1 1）粗粒土）粗粒土 对对粗粒粗粒土，毛细上升高度随颗粒变细（可用平均粒径土，毛细上升高度随颗粒变细（可用平均粒径衡量）而增加；衡量）而增加；2 2）细粒土）细粒土 对对同种

28、同种土料，毛细上升高度随压实度增大而增大。土料，毛细上升高度随压实度增大而增大。对对同类同类土料，毛细上升随含泥量增多而变大；土料，毛细上升随含泥量增多而变大；液限液限：黏质土流动状态与可塑状态间的界限含水率黏质土流动状态与可塑状态间的界限含水率塑限塑限：黏质土可塑状态与半固体状态间的界限含水率黏质土可塑状态与半固体状态间的界限含水率流动状态流动状态可塑状态可塑状态半固体状态半固体状态第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 对对低液限低液限粉土，仍遵循粗粒土规律。比如粉土中毛细粉土，仍遵循粗粒土规律。比如粉土中毛细水上升高度比粉砂大。水上升高度比粉砂大。对对高液限高液限

29、黏土，随着压实度的增加，毛细水的上升速黏土，随着压实度的增加，毛细水的上升速度明显降低。度明显降低。原因：原因：压实度的增加，使得毛细孔隙变小压实度的增加，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，结合水膜中水可形成较厚的结合水膜，结合水膜中重合比较多重合比较多，使得，使得原本原本变小的部分孔隙被结合水阻断变小的部分孔隙被结合水阻断，形成使水分不能流动，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，

30、上升速度变得更慢，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。高度更小。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.5 毛细现象与灾害毛细现象与灾害5.5.1 土的毛细现象对工程有影响土的毛细现象对工程有影响4）毛细水的上升是引起毛细水的上升是引起路基冻害路基冻害的因素之一的因素之一。2）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿地下室过分潮湿；1）毛细水的上升可能毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化引起土的沼泽化和盐渍化，对，对路基路基与与农业经济农业经济都有很大影响都有很大影响；3）当地下水有浸蚀性时，毛细水上升

31、对建筑物和构筑物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、钢筋等形成的基础中的混凝土、钢筋等形成浸蚀浸蚀作用作用；第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.5.1 盐渍土与路基盐渍土与路基1 1）盐滞土的危害盐滞土的危害对作物对作物：由于土壤盐分过高，使土壤溶液浓度增加，导：由于土壤盐分过高，使土壤溶液浓度增加，导致致渗透压渗透压不断提高，植物从土壤中吸收水分的能力减小，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即使是能生存

32、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、进入根部，不能有效地进行呼吸作用，从而变得稀疏、枯萎。枯萎。（渗透压渗透压即当两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产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渗入）第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.5.1 盐渍土与路基盐渍土与路基1 1）盐滞土的危害盐滞土的危害对对路基路基：具有溶陷性、膨胀性和腐蚀性，地基承载力变化大具有溶陷性、膨胀性和腐蚀性，地基承载力变化大。干燥时干燥时：盐分

33、呈结晶状态，地基承载力较高盐分呈结晶状态，地基承载力较高；浸水后浸水后：晶体溶解变为液体，承载力降低，压缩性增大；晶体溶解变为液体，承载力降低，压缩性增大；土中含硫酸盐类土中含硫酸盐类结晶，体积膨胀结晶，体积膨胀，溶解后体积缩小溶解后体积缩小，易使，易使地基土的结构破坏，强度降低并形成松胀盐土；地基土的结构破坏，强度降低并形成松胀盐土；由于由于盐类遇水溶解盐类遇水溶解，使地基容易产生，使地基容易产生溶蚀溶蚀现象，降低地基现象，降低地基的稳定性。的稳定性。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动2 2）克服盐渍土地区公路的病害克服盐渍土地区公路的病害分析路基设计条件分析路基

34、设计条件 了解了解盐渍土地区不同类型的盐渍土盐渍土地区不同类型的盐渍土分布范围分布范围，含盐特含盐特征及地下水、地面水征及地下水、地面水等情况；等情况；盐渍土地区的公路应保证盐渍土地区的公路应保证排水畅通排水畅通，不致因，不致因积水积水使土使土中的盐分发生不利的变化；中的盐分发生不利的变化；在盐渍土地段修筑公路，宜以在盐渍土地段修筑公路，宜以填土填土路基通过，便于设路基通过，便于设置封闭性的隔断层后，回填非盐渍土。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 预防盐渍土的病害应该围绕预防盐渍土的病害应该围绕解决毛细水携盐上聚问题解决毛细水携盐上聚问题，其措施：其措施：A）

35、B）C）第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动A）降低地下水位，迅速疏干土中的水，做）降低地下水位，迅速疏干土中的水，做砂砾隔断层砂砾隔断层，最，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，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。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，这些方法都不能从理论分析，这些方法都不能从根本上从根本上切断水的毛细管切断水的毛细管道：切断上下土层的联接，要做到这一点道：切断上下土层的联接，要做到这一点只有采取封闭性的只有采取封闭性的隔断层隔断层，用来隔断毛细水携盐

36、上升。，用来隔断毛细水携盐上升。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动a）从）从环保环保的角度来讲，目前社会上有大量废弃塑料编织袋的角度来讲，目前社会上有大量废弃塑料编织袋b）从）从经济经济上分析，塑料编织袋是废弃的东西上分析，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）从原材料分析，塑料编织袋的主要化学成分是聚丙烯，其具有极强的具有极强的抗腐蚀能力抗腐蚀能力，一条二级公路的使用年限是二十年，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

37、一条公路完成它的使命。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）其它方面，聚丙烯编织袋具有极强的延展性延展性，当其材料铺，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，经纬强度高纬强度高,从而可以达到阻止毛细水携盐上升的目的。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）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，高强度高科技材料出现，选用一种抗老化，防腐蚀，高强度,柔性好柔性好的薄膜；的薄膜；建议利用废弃的

38、尿素袋建议利用废弃的尿素袋，它的优势在于：它的优势在于：第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 下层土的盐胀力远远小于上层下层土的盐胀力远远小于上层土土的压力，隔断膜受土的压力，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。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

39、问题，从而保证路基的稳定。上层非盐渍土的次生盐渍化问题，从而保证路基的稳定。这一设想这一设想具有可行性。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土壤是对栽培植物的有害有害环境，但对许多盐生植物却是环境，但对许多盐生植物却是适生适生环境环境 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。麻、骆驼刺、黑

40、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。基的稳定，而且有利于生态环境。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动骆驼刺骆驼刺黑果枸杞黑果枸杞第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动5.5.2 毛细现象、冻融、季节性冻土与路基毛

41、细现象、冻融、季节性冻土与路基1 1）土的毛细水与土冻融特性的关系）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，亦即土的冻融亦即土的冻融特性。特性。冻胀和融陷对工程都将产生不利影响。冻胀和融陷对工程都将产生不利影响。特别是高寒地区，发生特别是高寒地区，发生冻胀冻胀时，使路基隆起，路面冻胀、开裂、时，使路基隆起，路面冻胀、开裂、错缝或折断；错缝或折断；发生发生融陷融陷后，路基土强度降低，重者产生翻浆。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。地面下一定深度的水温，随大气温度的改变而改变。当当

42、大气负温大气负温传人土中时，土中的传人土中时，土中的自由水首先结合成冰晶体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，使冰晶体逐冰晶体逐渐扩大渐扩大。冻融过程冻融过程第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动 由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生了了渗透压力渗透压力 在这在这两种引力两种引力的作用下，下卧未冻结区水膜较厚处的弱结合的作用下，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，水，被吸引到水

43、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。而不平衡引力却继续存在。假使下卧假使下卧未未冻结区存在着冻结区存在着水源水源（如地下水距冻结区很近）及（如地下水距冻结区很近）及适当的适当的水源补给通道水源补给通道（如（如毛细通道毛细通道），水能够源源不断地补充到），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，即成冰夹层，土体随之发生隆起，即冻胀现象冻

44、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，土粒就产生剩余的的分子引力分子引力。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，即出现出现融陷现象融陷现象。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动2 2）影响冻胀的影响冻胀的三个三个因素因素第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动2 2）影响冻胀的影响冻胀的三个三个因素因素土的因素土的因素 通常发生在细粒土中，特别是通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质粘土粉砂、粉土、粉质粘土等，冻等，冻结时结

45、时水分迁移积聚最为强烈水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这类土，冻胀现象严重。这类土具有效显著的具有效显著的毛细现象毛细现象，毛细水上升，毛细水上升高度大高度大，上升，上升速度快速度快，具有较，具有较通畅通畅的水源补的水源补给给通道通道。同时，这类土的颗粒较细，同时，这类土的颗粒较细，表面能大表面能大，土粒矿物成分亲水性强，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多的结合水，从而能使大量能持有较多的结合水，从而能使大量结合水结合水迁移和积囊。迁移和积囊。相反相反，粘土粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，对水分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

46、胀性较上述迁移的阻力很大，没有通畅的水源补给通道，所以其冻胀性较上述土类为小。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，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，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。以防治冻胀。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动水的因素水的因素 土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚所致。因此，土层发生冻胀的原因是

47、水分的迁移和积聚所致。因此，当冻当冻结区附近地下水位较高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，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。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。温度的因素温度的因素 当当气温骤降气温骤降且冷且冷却强度很大却强度很大时，土的冻结面迅速向下推移，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，区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶

48、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。于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。如如气温缓慢下降气温缓慢下降，冷却强度小，但负温持续的时间较长，则，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，出现夹层，出现明显的冻胀现象明显的冻胀现象。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动3 3）季节性冻土对公路工程危害及防冻措

49、施季节性冻土对公路工程危害及防冻措施 防治季防治季节节性性冻冻土土对对公路工程的危害，一般采取以下几公路工程的危害，一般采取以下几种种办办法：法：设设置砂置砂砾垫层砾垫层A）能起隔离能起隔离层层的作用，当地下水通的作用，当地下水通过过路基土毛路基土毛细细管上升到砂管上升到砂砾垫层时砾垫层时，因砂，因砂砾垫层砾垫层孔隙孔隙较较大，形成的毛大，形成的毛细细管少，管少，控制了地控制了地下水的上升下水的上升数量；数量；B）路基路基设设置在寒冷地区冰置在寒冷地区冰冻线冻线以上，基底以上，基底还还有不同深度的路基有不同深度的路基土受土受冻冻，如果在基底，如果在基底设设置砂置砂砾垫层砾垫层，可，可减少减少冻

50、胀冻胀路基土的厚度路基土的厚度从而减从而减轻冻轻冻土的膨土的膨胀胀程度，削弱程度，削弱冻胀冻胀土的抬拱力土的抬拱力。第五章第五章 毛毛细现细现象与包气象与包气带带水的运水的运动动提高路基填筑高度提高路基填筑高度 选择选择高路基，提高路基填筑高度，使高路基，提高路基填筑高度，使路基高度超路基高度超过过冰冰冻线冻线的的深度深度，避免路基上中的毛，避免路基上中的毛细细水受水受冻结冻结冰，保冰，保证证基底不基底不冻冻。基底基底铺设铺设土工土工织织物物 在基地铺设土工织物，使地下水与路基土隔离，并在基地铺设土工织物，使地下水与路基土隔离，并阻断毛细水阻断毛细水设设置排水沟、截水沟置排水沟、截水沟 路基两