·208 北京科技大学学报 2006年第3期 力学性质也在发生变化：含水量减少，孔隙比降 限含水量但大于塑限含水量，埋深进一步加大，深 低，密度增大，液性指数由正值变为负值，土层的 部弱透水层含水量变为小于塑限含水量；其次，随 工程地质性质变好.其中有两点值得注意：首先， 着埋深的增大，液性指数由浅部的大于1变化到 粘性土含水量逐渐降低，含水量降低的规律是浅 深部的小于0，说明弱透水层土体的状态发生了 部弱透水层中粘性土含水量大于液限的含水量， 本质变化，从流塑变为坚硬 随着深度增加，中部弱透水层含水量变为小于液 表1不同深度弱透水层的主要的物理、力学指标 Table 1 Physical and mechanical indexes of different depths of aquitard 啊透水层埋深/m 含水量/% 湿密度/(gcm3) 孔隙比 液限/% 塑限/% 25.00 38-59 1.70-1.80 1.070-1.270 33.80-50.30 22.80-40.901,380-1.930 100.00 26.00 1.99 0.718 32.14 19.27 0.523 200.00 19.30 2.06 0.562 30.97 18.66 0.052 300.00 20.50 2.06 0.596 35.15 19.78 0.047 331.15 18.60 2.13 0.383 48.30 26.70 -0.380 588.52 21.20 2.10 0.355 45.80 26.40 -0.260 2弱透水层释水变形机理 小于液限含水量但大于塑限含水量→小于塑限含 水量.根据土质学原理3]可以得出与之相对应 2.1不同深度弱透水层粘性土体的孔隙水类型 的孔隙水类型为：当含水量大于等于液限时，土粒 讨论弱透水层释水机理的前提是明确弱透水 扩散层外围出现自由水，粘土颗粒之间距离已超 层中水的存在形式.弱透水层的主要组成物质是 出相互引力范围，粒间连结力几乎消失，此时孔隙 粘性土，粘性土主要由粘粒组成，粘粒具有胶体或 水以自由水为主，自由水起主要作用，土体难以维 准胶体的特性，它在沉积过程中和周围的溶液发 持一定形状，呈流动状态；当含水量小于液限含水 生复杂的物理化学作用，并在其表面形成不同类 量但大于塑限含水量时，土粒间距离减小，粒间靠 型的结合水，按其与粘粒表面结合的牢固程度的 重叠的扩散层连结，连结力得到增加，孔隙水主要 不同，结合水可分成吸附结合水和渗透吸附水 为扩散层内渗透吸附水和少量的自由水（接近液 除此之外，在粘性土形成的弱透水层的孔隙中还 限含水量时)，土体呈塑性状态；当含水量小于塑 有其他类型的孔隙水，如毛细水，重力水.在下文 限含水量时，土粒间距离进一步减小，孔隙水主要 中为了讨论方便，把毛细水和重力水归为自由水 为吸附结合水，粒间连结以吸附结合水连结为主， 的范围.兹洛切夫斯卡娅提出了直观、形象的结 连结力明显增强，土体处于半固态一固态状态 合水结构示意图3)，如图1所示 2.2不同深度弱透水层释水变形机理 ① 弱透水层的埋深不同，孔隙中所含孔隙水类 ③ 型不同.由于不同类型的水在水力梯度作用下在 土体中的运移规律不同，导致不同埋深弱透水层 释水变形机理的差异， s2 孔隙水以自由水为主，含水量大于液限的浅 部弱透水层，在水力梯度作用下，孔隙中的自由水 就会发生渗流排出，使粘性土层失水产生明显的 ④ ⑤ 压缩变形. ①双电层；②吸附层：③扩散层；④吸附结合水；⑤渗透吸附水； ⑥自由水：得水化阳离子严水分子定向 孔隙水主要以扩散层中渗透吸附水为主，含 图】粘土结合水组构示意图 少量自由水的中部弱透水层，在水力梯度作用下， Fig.1 Structural sketch map of bound water 首先是少量自由水释出)，孔隙被压缩，当含水 层的抽水量进一步加大，水力梯度进一步增加到 在前面已经提到，随着弱透水层埋深的增加， 足以克服扩散层内渗透吸附水抗剪强度时，扩散 粘性土含水量减少：含水量由大于液限含水量→ 层内结合水转化为自由水释出，孔隙进一步压缩北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 3 期 力学 性 质 也 在发 生变 化 : 含水 量 减少 , 孔 隙比 降 低 , 密度增 大 , 液性指 数 由正值变为 负值 , 土层 的 工 程地质性质变好 . 其 中有 两点值得注 意 : 首 先 , 粘性 土含水量 逐 渐 降低 , 含 水 量 降低 的 规律 是 浅 部弱透 水层 中粘 性土 含水 量大 于 液 限 的含 水 量 , 随着深度增加 , 中部弱透 水 层 含水量变 为小 于 液 限 含水量 但大于塑限 含水量 , 埋深进一步 加大 , 深 部弱 透水层含水 量变为小于塑 限含水 量 ; 其 次 , 随 着埋 深的增 大 , 液 性指 数 由浅 部 的大 于 1 变 化 到 深部 的小于 O , 说 明弱 透水 层 土体 的状 态 发 生 了 本质变化 , 从流塑变为坚硬 . T a b l e l 表 1 不同深度弱透水层的主要的物理 、 力学指标 p h y s i c a l a n d m e hca ` c a l i n吻 e s o f d i fe er n t d e tP 俪 o f a q u i t adr 弱透水层埋深 / m 含水量 / % 湿 密度 / ( g · c m 一 ” ) 孔隙比 液限 / % 塑 限 / % 2 5 00 1 0 0 . 00 3 8 一 59 2 6 . 0 0 1 . 70 一 1 . 8 0 1 . 0 7 0 一 1 . 2 7 0 3 3 . 8 0 一 5 0 . 30 2 2 . 8 0 一 4 0 9 0 1 . 3 8 0 一 1 . 93 0 0 . 7 18 3 2 . 1 4 19 2 7 0 . 5 2 3 2 0 0 . 0 0 1 9 . 3 0 1 . 9 9 2 . 0 6 0 . 5 6 2 3 0 . 9 7 1 8 . 6 6 0 . 0 52 3 0 0 . 0 0 2 0 . 5 0 0 . 5 9 6 3 5 . 1 5 1 9 . 7 8 0 , 0 4 7 3 3 1 . 1 5 5 8 8 . 52 1 8 . 6 0 2 1 , 2 0 0 . 3 8 3 4 8 . 3 0 2 6 . 7 0 一 0 . 3 8 0 0 . 3 5 5 4 5 . 8 0 2 6 . 4 0 一 0 . 2 60 2 弱透水 层释水变形机理 2 . 1 不 同深 度弱透水层 粘性土 体的 孔隙水类型 讨论弱 透水 层释水 机理 的前提是 明确弱透水 层 中水的存 在形式 . 弱透水 层 的主要 组成 物质是 粘性 土 , 粘性土主要 由粘 粒组成 , 粘 粒具有胶体 或 准胶体的特性 , 它 在 沉积 过 程 中和 周 围 的溶液 发 生复杂 的物理 化 学作用 , 并 在 其表 面形 成 不同类 型的结合水 . 按其 与粘粒表 面 结合的牢 固程度 的 不 同 , 结 合水 可 分成 吸 附结合水和渗透 吸 附水 . 除此 之外 , 在粘 性土形 成 的 弱透水层 的孔 隙中还 有其他类型 的孔 隙水 , 如毛细 水 , 重 力水 . 在下文 中为了讨论方便 , 把 毛 细 水 和重 力 水 归为 自由 水 的范 围 . 兹 洛切 夫斯 卡 娅 提 出 了直 观 、 形 象的结 合水结构示 意 图 3[] , 如图 1 所 示 . ①一③ 卜燕如心价 攀 霎 磐 ①双电层 ; ②吸咐层 ; ③扩散层 ; ④吸附结合水 ; ⑥ 自由水 ; 刁, 水化阳离子 / 叫 尸 水分子定向 图 l 粘土结合水组构示意图 ⑥ ⑤渗透吸 附水 ; F i g . 1 St r u e l u r a l s ke t e h m a P o f b o u n d w a t e r 在前面 已经提到 , 随着弱 透水层埋深 的增加 , 粘性土含水量减少 : 含 水量 由大于液 限含 水量 ~ 小于液 限含水 量但大 于塑 限含水量~ 小于 塑限含 水量 . 根据 土质学 原理 〔3一 可 以得 出与之相 对 应 的孔 隙水类 型为 : 当含 水量大于等于液 限 时 , 土粒 扩散 层外 围 出现 自由水 , 粘 土 颗 粒之 间距 离 已 超 出相互引力 范 围 , 粒间连结力几 乎消失 , 此时 孔 隙 水 以 自由水 为主 , 自由水起主要 作用 , 土 体难 以维 持一 定形状 , 呈流动 状态 ; 当含水 量小于 液限 含水 量但大于塑 限含水量时 , 土粒 间距 离减小 , 粒间靠 重叠 的扩散层连结 , 连 结力 得到增 加 , 孔 隙水 主要 为扩散层 内渗透 吸附水和少 量的 自由水 (接近 液 限含水量 时) , 土体呈 塑 性状 态 ; 当含 水量 小于 塑 限含水量 时 , 土 粒 间距 离进 一步减 小 , 孔 隙水主要 为吸 附结 合水 , 粒 间连 结以吸附结合水连结为 主 , 连 结力 明显增强 , 土体处于半固态一 固态 状态 . 2 . 2 不 同深度 弱透水 层释水 变形机理 弱透水层的埋深不 同 , 孔隙中所 含 孔隙水 类 型不 同 . 由于 不同类 型的水在水 力梯 度作用下在 土体中的运移规律 不 同 , 导 致不 同埋 深 弱透 水层 释水变形机 理的差 异 . 孔隙水以 自由水为主 , 含水 量 大于 液 限 的浅 部弱透 水层 , 在水力 梯度作用下 , 孔隙 中的 自由水 就会发生 渗流 排出 , 使粘性 土层 失 水产 生 明显 的 压缩变形 . 孔 隙水主要 以 扩散 层 中渗透 吸附水 为 主 , 含 少 量 自由水 的中部弱透 水层 , 在水力梯度作 用下 , 首先 是 少 量 自由 水释 出 5[] , 孔 隙被 压缩 , 当含 水 层 的抽水量 进 一步 加大 , 水力 梯 度进 一 步 增 加到 足以克服扩散层 内渗透 吸 附水抗剪 强 度 时 , 扩散 层 内结合水转化为 自由水释 出 , 孔隙进 一步 压缩