水文地質(zhì)學(xué)-毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng).ppt

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1、第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.1 毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì),5.2 毛細(xì)負(fù)壓,5.3 包氣帶水水分分布及運(yùn)動(dòng),5.3.1 土層中的毛細(xì)水帶,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,5.4 毛細(xì)水上升高度與土的物理特性的關(guān)系,5.5 毛細(xì)現(xiàn)象與災(zāi)害,5.5.1 鹽漬土與路基,5.5.2 毛細(xì)現(xiàn)象、凍融、季節(jié)性凍土與路基,,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,液體表面張力是分子間相互作用的結(jié)果。就水來(lái)說(shuō)，內(nèi)部的水分子處于其他水分子的包圍之中，各個(gè)方向分子的引力會(huì)相互抵消。 但是表層水分子受到的內(nèi)部水分子引力遠(yuǎn)大于外部空氣分子的引力。 所以，表面的水分子永遠(yuǎn)受到指向液體內(nèi)部的力，總是趨向向內(nèi)部移動(dòng)。這樣，

2、液體總是會(huì)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(duì)水的不浸潤(rùn)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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,表面張力不僅液體有，固體也有，只是因?yàn)楣腆w分子排列的非常緊密，表層的分子不容易“縮回”到固體的內(nèi)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(huì)像氣體一樣沒(méi)有形狀和體積，世界上所有的一切，都是虛無(wú)飄渺的了。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.1 毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì),將細(xì)小的玻璃管插入水中，水會(huì)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(chǎn)生

3、的毛細(xì)現(xiàn)象。,水,水銀,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,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(jì)算：,毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個(gè)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(rùn)現(xiàn)象。這種內(nèi)凹的彎液面表明管壁和液體是互相吸引的（即可濕潤(rùn)的）。,如果管壁和液體之間不互相吸引，稱為不可濕潤(rùn)的，那么毛細(xì)管內(nèi)液體彎液面的形狀是外凸的，如毛細(xì)管內(nèi)的水銀柱面就是這樣。,表面張力系數(shù)，單位為dyn/cm（1dyn=10-5N，達(dá)因）,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,切取一個(gè)半徑為

4、 R 的半圓球形液面,此時(shí)彎液面下的液體實(shí)際承受到的表面壓強(qiáng),任何形狀的彎液面所產(chǎn)生的附加表面壓強(qiáng)Pc都可以用拉普拉斯公式表示,液體表面的兩個(gè)主要曲率半徑,,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,當(dāng)液面為凸形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是正的。此時(shí)，實(shí)際表面壓強(qiáng),拉普拉斯公式的涵義：彎曲的液面將產(chǎn)生一個(gè)指向液面凹側(cè)的附加表面壓強(qiáng)，附加表面壓強(qiáng)與表面張力系數(shù)成正比，與表面的曲率半徑成反比。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,如液面為凹形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是負(fù)的，實(shí)際表面壓強(qiáng),平的液面不產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)，實(shí)際表面壓強(qiáng),第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.2 毛細(xì)負(fù)壓,凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng) Pc 是個(gè)負(fù)壓

5、強(qiáng)，稱為毛細(xì)負(fù)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(gè)相當(dāng)于 Pc 的壓強(qiáng)；或者說(shuō)，凹形彎液面下的水存在一個(gè)相當(dāng)于Pc的真空值。毛細(xì)負(fù)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(shuō)明松散巖石實(shí)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(nèi)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(guān)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(shí)的含水量,飽和差：飽和含水量與

6、實(shí)際含水量之間的差值,飽和度：實(shí)際含水量與飽和含水量之比,比重：也稱相對(duì)密度，固體和液體的比重是該物質(zhì)的密度與在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，3.98時(shí)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(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度的比值。液體或固體的比重說(shuō)明了它們?cè)诹硪环N流體中是下沉還是漂浮。 比重是無(wú)量綱量，即比重是無(wú)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(wú)量綱的量。,,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3 包氣帶水水分分布及運(yùn)動(dòng),打井出水,5.3.1 土層中的毛細(xì)水帶,上層毛細(xì)水帶,支持毛細(xì)水帶,毛細(xì)飽和帶,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3.1

7、土層中的毛細(xì)水帶,在理想條件下，即包氣帶由均質(zhì)土構(gòu)成，無(wú)蒸發(fā)與下滲，包氣帶水水分分布穩(wěn)定時(shí)，含水量的垂向分布如圖（c）所示。,支持毛細(xì)水帶:由此往下，進(jìn)入支持毛細(xì)水帶，含水量隨著接近潛水面而增高（圖a）。,上層毛細(xì)水帶:由地表向下某一深度內(nèi)含水量為一定值，相當(dāng)于殘留含水量（Wc）。構(gòu)成殘留含水量的包括結(jié)合水、孔隙毛細(xì)水與部分懸掛毛細(xì)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(xì)水及潛水不發(fā)生水力聯(lián)系。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3.1 土層中的毛細(xì)水帶,毛細(xì)飽和帶:在潛水面之上有一個(gè)含水量飽和（體積含水量等于孔隙度）的帶，稱為毛細(xì)飽和帶（圖a）。,毛細(xì)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(huì)隨著地下水位的升降作相應(yīng)的移動(dòng)。,為什么含水量飽和帶接近潛水？ 細(xì)小的孔道毛細(xì)水上升高，最寬大的孔隙通道也被支持毛細(xì)水充滿的范圍。,地下水位急劇下降時(shí)，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(dòng),,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,1）毛細(xì)負(fù)壓,包氣帶中毛細(xì)負(fù)壓隨著含水量的變小而負(fù)值變大。這是因?yàn)?，隨著含水量降低，毛細(xì)水退縮到孔隙度更加細(xì)小處，彎液面的曲率增加（曲率半徑變小），造成毛細(xì)負(fù)壓的負(fù)值更大，因此，毛細(xì)負(fù)壓是含水量的函數(shù)：,2）滲透系數(shù),飽水帶中，任一特定的均質(zhì)土層，滲

9、透系數(shù)K是常數(shù)；但在包氣帶中，滲透系數(shù) K 隨含水量降低而迅速變小，K也是含水量的函數(shù)：K=K（W），原因是：,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,含水量降低，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝骐S之減少； 含水量降低，水流實(shí)際流動(dòng)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(dòng)，阻力增加。,K = K（W）,3）達(dá)西定律,包氣帶水的非飽和流動(dòng)，仍可用達(dá)西定律描述。作一維垂直下滲運(yùn)動(dòng)時(shí)，滲透流速可表示為：,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.3.2 包氣帶中水的滲透討論,綜上所述，包氣帶水的運(yùn)動(dòng)，同樣可以用達(dá)西定律描述，但與飽水帶的運(yùn)動(dòng)相比，有以下三點(diǎn)不同

10、：,飽水帶只存在重力勢(shì)，包氣帶同時(shí)存在重力勢(shì)與毛細(xì)勢(shì)； 飽水帶任一點(diǎn)的壓力水頭是個(gè)定值，包氣帶的壓力水頭則是含水量的函數(shù)； 飽水帶的滲透系數(shù)是個(gè)定值，包氣帶的滲透系數(shù)隨含水量的降低而變小。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.4 毛細(xì)水上升高度與土的物理特性的關(guān)系,一、不同粒組毛細(xì)水上升的特征,土的顆粒愈細(xì)，毛細(xì)水上升高度愈大，但其上升的速度在毛細(xì)水上升整個(gè)過(guò)程中，并不是簡(jiǎn)單地土顆粒愈細(xì)上升速度愈快、愈粗速度愈慢。 圖1為分別由粗、中、細(xì)、極細(xì)4種粒組所組成的4組試樣，其毛細(xì)水上升高度與時(shí)間的關(guān)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(zhì)和工程分類,,粒組劃分,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,為了更清晰地反映毛細(xì)水初期上升速度的變化規(guī)律，圖2為上面粗、中、細(xì)、極細(xì)4組試樣前1000s內(nèi)毛細(xì)水上升高度與時(shí)間的關(guān)系曲線。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,通過(guò)曲線和試驗(yàn)觀測(cè)得出： 在開(kāi)始階段由中粒組成的試樣上升速度最大，而中、細(xì)、極細(xì)粒3組試樣比較，是隨著顆粒愈細(xì)上升速度愈慢。 隨著時(shí)間的推移，顆粒愈細(xì)上升的速度相對(duì)加快，粗顆粒達(dá)到最大高度所需的時(shí)間比細(xì)顆粒短。,二、同一類土級(jí)配不同其毛細(xì)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(shí)內(nèi)毛細(xì)水上升高度變化情況；,試樣以中砂為代表。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,含量不同兩種粒組組成的中砂138.9 h毛細(xì)水上升高度,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,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(xì)水上升高度。,表2不同顆粒級(jí)配的中砂138.9 h毛細(xì)水上升高度,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,從表1、表2和圖3中可以看出： 1）同一類土隨著細(xì)顆粒含量的增多毛細(xì)水上升高度增大對(duì)毛細(xì)水上升高度影響較大的是細(xì)粒組的含量。 2）對(duì)于同一類土但其顆粒級(jí)配不同毛細(xì)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(xì)水上升

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

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

15、態(tài),,,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,對(duì)低液限粉土，仍遵循粗粒土規(guī)律。比如粉土中毛細(xì)水上升高度比粉砂大。,對(duì)高液限黏土，隨著壓實(shí)度的增加，毛細(xì)水的上升速度明顯降低。,原因：,壓實(shí)度的增加，使得毛細(xì)孔隙變小。 高液限黏土中細(xì)粒含量高，塑性指數(shù)大，土粒的結(jié)合水可形成較厚的結(jié)合水膜，結(jié)合水膜中重合比較多，使得原本變小的部分孔隙被結(jié)合水阻斷，形成使水分不能流動(dòng)的死端孔隙，沒(méi)有阻斷的空襲也變得更加細(xì)小，水分遷移迂回度增加，毛細(xì)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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.5 毛細(xì)現(xiàn)象與災(zāi)害,5.5.1 土的毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)工程有影響,4）毛細(xì)水的上升是引起路

16、基凍害的因素之一。,2）對(duì)于房屋建筑，毛細(xì)水的上升會(huì)引起地下室過(guò)分潮濕；,1）毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對(duì)路基與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)都有很大影響；,3）當(dāng)?shù)叵滤薪g性時(shí)，毛細(xì)水上升對(duì)建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)中的混凝土、鋼筋等形成浸蝕作用；,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.5.1 鹽漬土與路基,1）鹽滯土的危害,對(duì)作物：由于土壤鹽分過(guò)高，使土壤溶液濃度增加，導(dǎo)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(lái)的，也由于土壤板結(jié)影響了氧氣進(jìn)入根部，不能有效地進(jìn)行呼吸作用，從而變得稀疏、枯萎。,（滲透壓即當(dāng)兩種水溶液的濃度不同時(shí)

17、，會(huì)在它們之間產(chǎn)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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.5.1 鹽漬土與路基,1）鹽滯土的危害,對(duì)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(shí)：鹽分呈結(jié)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(jié)晶，體積膨脹，溶解后體積縮小，易使地基土的結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低并形成松脹鹽土； 由于鹽類遇水溶解，使地基容易產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，降低地基的穩(wěn)定性。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,2）克服鹽漬土地區(qū)公路的病害,分析路基設(shè)計(jì)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(yīng)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(guò)，便于設(shè)置封閉性的隔斷層后，回填非鹽漬土。,預(yù)防鹽漬土的病害,預(yù)防鹽漬土的病害應(yīng)該圍繞解決毛細(xì)水?dāng)y鹽上聚問(wèn)題，其措施：,A） B） C）,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,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(dú)和綜合處理措施來(lái)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(xì)管道：切斷上下土層的聯(lián)接，要做到這一點(diǎn)只有采取封閉性的隔斷層，用來(lái)隔斷毛細(xì)水?dāng)y鹽

19、上升。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,a）從環(huán)保的角度來(lái)講，目前社會(huì)上有大量廢棄塑料編織袋,b）從經(jīng)濟(jì)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(xué)成分是聚丙烯，其具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，一條二級(jí)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(huì)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(qiáng)的延展性，當(dāng)其材料鋪在路基下受到鹽脹頂推時(shí)，它可以隨意變形而不被頂爛，經(jīng)緯強(qiáng)度高,從而可以達(dá)到阻止毛細(xì)水?dāng)y鹽上升的目的。,B）為了阻止毛細(xì)水上升攜鹽積聚，設(shè)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(qiáng)度,柔性好的

20、薄膜；建議利用廢棄的尿素袋，它的優(yōu)勢(shì)在于：,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,下層土的鹽脹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)?shù)捻g性，抗拉強(qiáng)度大，這樣就可以達(dá)到隔水、隔氣、隔土粒間的聯(lián)接，即使下部土鹽脹也不會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)。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(wèn)題，從而保證路基的穩(wěn)定。這一設(shè)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(hù)墻。鹽漬化土壤是對(duì)栽培植物的有害環(huán)境，但對(duì)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(guān)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(zhǎng)。,因此，在公路建設(shè)中，應(yīng)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(hù)了路基的穩(wěn)定，而且有利于生態(tài)環(huán)境。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,5.5.2 毛細(xì)現(xiàn)象、凍融、季節(jié)性凍土與路基,1）土的毛細(xì)水與土凍融特性的關(guān)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(duì)工程都將產(chǎn)生不利影響。 特別是高寒地區(qū)，發(fā)生凍脹時(shí)，使路基隆起，路面凍脹、開(kāi)裂、錯(cuò)縫或折斷； 發(fā)生融陷后，路基土強(qiáng)度降低，重者產(chǎn)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(dāng)大氣負(fù)溫傳人土中時(shí)，土中的自由水首先結(jié)合成冰晶體，隨著溫度繼續(xù)下降，弱結(jié)合水的最外層也開(kāi)始凍結(jié)，使冰晶體逐漸擴(kuò)大。,,凍融過(guò)程,,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,由于結(jié)合水膜的減薄，使得水膜中的離子濃度增加，產(chǎn)生了滲透壓力,在這兩種引力的作用下，下臥未凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的弱結(jié)合水，被吸引到水膜較薄的凍結(jié)區(qū)，并參與凍結(jié)，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(jié)區(qū)存在著水源（如地下水距凍結(jié)區(qū)很近）及適當(dāng)?shù)乃囱a(bǔ)給通道（如毛細(xì)通道），水能夠源源不斷地補(bǔ)充到凍結(jié)區(qū)來(lái)，那么，未凍結(jié)區(qū)的水分（包括弱結(jié)合水和自由水）就會(huì)不斷地向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚，使冰晶體不斷擴(kuò)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?chē)亮５慕Y(jié)合水膜減薄，土粒就產(chǎn)生剩余的分子引力。,當(dāng)土層解凍時(shí)，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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,2）影響凍脹的三個(gè)因素,土的因素 通常發(fā)生在細(xì)粒土中，特別是粉砂、粉土、粉質(zhì)粘土等，凍結(jié)時(shí)水分遷移積聚最為強(qiáng)烈，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。這類土具有效顯著的毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)水上升高度大，上升速度快，具有較通暢的水源補(bǔ)給通道。 同時(shí)，這類土的顆粒較細(xì)，表面能大，土粒礦物成分親水性強(qiáng)，能持有較多的結(jié)合水，從而能使大量結(jié)合水遷移和積囊。 相反，粘土雖有較厚的結(jié)合水膜，但毛細(xì)孔隙很小，對(duì)水分

24、遷移的阻力很大，沒(méi)有通暢的水源補(bǔ)給通道，所以其凍脹性較上述土類為小。 砂礫等粗顆粒土，沒(méi)有或具有很少量的結(jié)合水，孔隙中自由水凍結(jié)后，不會(huì)發(fā)生水分的遷移積聚，同時(shí)由于砂礫無(wú)毛細(xì)現(xiàn)象，因而不會(huì)發(fā)生凍脹。所以在工程實(shí)踐中常在地基或路基中換填砂土，以防治凍脹。,第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,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(dāng)凍結(jié)區(qū)附近地下水位較高，毛細(xì)水上升高度能夠達(dá)到或接近凍結(jié)線，使凍結(jié)區(qū)能得到外部水源的補(bǔ)給時(shí)，將發(fā)生比較強(qiáng)烈的凍脹現(xiàn)象。,溫度的因素 當(dāng)氣溫驟降且冷卻強(qiáng)度很大時(shí)，土的凍結(jié)面迅速向下推移，即凍結(jié)速度很快。這時(shí)，土中弱結(jié)合水及毛細(xì)水還來(lái)不及向凍

25、結(jié)區(qū)遷移就在原地凍結(jié)成冰，毛細(xì)通道也被冰晶體所堵塞。這樣，水分的遷移和積聚不會(huì)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(shí)形成的凍土一般無(wú)明顯的凍脹。 如氣溫緩慢下降，冷卻強(qiáng)度小，但負(fù)溫持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，則就能促使未凍結(jié)區(qū)水分不斷地向凍結(jié)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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,3）季節(jié)性凍土對(duì)公路工程危害及防凍措施,防治季節(jié)性凍土對(duì)公路工程的危害，一般采取以下幾種辦法：,設(shè)置砂礫墊層,A）能起隔離層的作用，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^(guò)路基土毛細(xì)管上升到砂礫墊層時(shí)，因砂礫墊層孔隙較大，形成的毛細(xì)管少，控制了地下水的上升數(shù)量；,B）路基設(shè)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(shè)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(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動(dòng),,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(guò)冰凍線的深度，避免路基上中的毛細(xì)水受凍結(jié)冰，保證基底不凍。,基底鋪設(shè)土工織物,在基地鋪設(shè)土工織物，使地下水與路基土隔離，并阻斷毛細(xì)水,設(shè)置排水溝、截水溝,路基兩側(cè)邊內(nèi)底部低于地下水水位處，設(shè)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。,