對于均質(zhì)的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有關(guān)〔張蔚榛等，1983〕。

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巖性對給水度的影響主要表現(xiàn)為空隙的大小與多少，顆粒粗大的松散巖石，裂隙比較寬大的堅(jiān)硬巖石，以及具有溶穴的可溶巖，空隙寬大，重力釋水時(shí)，滯留于巖石空隙中的結(jié)合水與孔角毛細(xì)水較少，理想條件下給水度的值接近孔隙度、裂隙率與巖溶率。若空隙細(xì)小(如粘性土)，重力釋水時(shí)大部分水以結(jié)合水與懸掛毛細(xì)水形式滯留于空隙中，給水度往往很小。 當(dāng)初始地下水位埋藏深度小于最大毛細(xì)上升高度時(shí)，地下水位下降后，重力水的一部分將轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水而保留于地下水面之上，從而使給水度偏小。觀測與實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)叵滤�位下降速率大時(shí)，給水度偏小，此點(diǎn)對于細(xì)粒松散巖石尤為明顯〔張蔚榛等，1983〕〔裴源生，1983〕�？赡艿脑�因是，重力釋水并非瞬時(shí)完成，而往往滯后于水位下降；此外，迅速釋水時(shí)大小孔道釋水不同步，大的孔道優(yōu)先釋水，在小孔道中形成懸掛毛細(xì)水而不能釋出〔張人權(quán)等，1985〕。

對于均質(zhì)的顆粒較細(xì)小的松散巖石，只有當(dāng)其初始水位埋藏深度足夠大、水位下降速率十分緩慢時(shí)，釋水才比較充分，給水度才能達(dá)到其理論最大值。

均質(zhì)松散巖石的給水度值可參見表2—2。

表2—2 常見松散巖石的給水度〔Fetter，1980〕 巖石名稱

粘 土

亞粘土

粉 砂

細(xì) 砂

中 砂

粗 砂

礫 砂

細(xì) 礫

中 礫

粗 礫 給水度（%） 最 大 最 小 平 均 7

粗細(xì)顆粒層次相間分布的層狀松散巖石，地下水位下降時(shí)，細(xì)粒夾層中的水會以懸掛毛細(xì)水形式滯留而不釋出，這種情況下，給水度就更偏小了〔張人權(quán)等，1985〕。

2．3．4 持水度

如前所述，地下水位下降時(shí)，一部分水由于毛細(xì)力（以及分子力）的作用而仍舊反抗重力保持于空隙中。地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量，稱作持水度（Sr）。

給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系是：

μ+Sr=n

顯然，所有影響給水度的因素也就是影響持水度的因素。

包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時(shí)的含水量稱作殘留含水量（W0）數(shù)值上相當(dāng)于最大的持水度。

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圖2—9 理想圓管狀空隙中重力水流速分布

（陰線部分代表結(jié)合水，箭頭長度代表重力水質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流速）

圖2—10 理想化孔隙介質(zhì)

2．3．5 透水性

巖石的透水性是指巖石允許水透過的能力。表征巖石透水性的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。關(guān)于滲透系數(shù)將在第四章專門討論。在此僅討論影響巖石透水性的因素。

我們以松散巖石為例，分析一個(gè)理想孔隙通道中水的運(yùn)動情況。圖2—9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運(yùn)動的結(jié)合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及重力水質(zhì)點(diǎn)之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。由此可得出：孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的無效空間愈大，實(shí)際滲流斷面就愈�。煌瑫r(shí)，孔隙直徑愈小，可能達(dá)到的最大流速愈小。因此孔隙直徑愈小，透水性就愈差。當(dāng)孔隙直徑小于兩倍結(jié)合水層厚度時(shí)，在尋常條件下就不透水。 如果我們把松散巖石中的全部孔隙通道概化為一束相互平行的等徑圓管（圖2—10），則不難推知：當(dāng)孔隙度一定而孔隙直徑愈大，則圓管通道的數(shù)量愈少，但有效滲流斷面愈大，透水能力就愈強(qiáng)；反之，孔隙直徑愈小，透水能力就愈弱。由此可見，決定透水性好壞的主要因素是孔隙大��；只有在孔隙大小達(dá)到一定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。

然而，實(shí)際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復(fù)雜的管道系統(tǒng)（圖2—11，a）。巖石的透水能力并不取決于平均孔隙直徑（圖2—11，b），而在很大程度上取決于最小的孔隙直徑（圖2—11，c）。

此外，實(shí)際的孔隙通道也不是直線的，而是曲折的（圖2—11，a）�？紫锻ǖ烙鷱澢�，水質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流程就愈長，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。

顆粒分選性，除了影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性（圖2—11，a），因此，分選程度對于松散巖石透水性的影響，往往要超過孔隙度。

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圖 2－11 實(shí)際孔隙通道及其概化 a—孔隙通道原型；b—概化為沿程等經(jīng)的圓管；c—概化為沿程不等徑圓管

2．4
2．4．1

有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密

有效應(yīng)力原理

太沙基（Terzaghi，1925）所提出的有效應(yīng)力原理可以幫助我們分析地下水位變動情況 下巖石有效應(yīng)力的變化以及由此引起的松散巖石壓密問題。 為分析簡單起見， 我們假定所討論的是松散沉積物質(zhì)構(gòu)成的飽水砂層， 取任一水平單元 面積 AB（或取飽水砂層頂面的 A′B′水平單元面積也可） （圖 2—12） 。則作用在所研究的 單元面積 AB 上的總應(yīng)力 P 為該單元之上松散巖石骨架與水的重量之和。 此總應(yīng)力戶由砂層骨架（固體顆粒）與水共同承受。水所承受的應(yīng)力相當(dāng)于孔隙水壓力 u：

u = γ wh
式中：

（2—1）

γ w ——水的容重；

h ——AB 平面上水的測壓管高度。 孔隙水壓力 u 可理解為 AB 平面處水對上覆地層的浮托力。由于這種浮托力的存在，使
實(shí)際作用于砂層骨架（顆粒）上的應(yīng)力小于總應(yīng)力。實(shí)際作用于砂層骨架上的應(yīng)力，稱作有 效應(yīng)力 Pz。
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由于AB平面處應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，總應(yīng)力等于孔隙水壓力及有效應(yīng)力之和。故得：

P=u+PZ （2—2）

Pz=P?u （2—3）

有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力，這就是著名的太沙基有效應(yīng)力原理。

圖2－12有效應(yīng)力與松散巖石壓密

〔據(jù)貝爾，1985，略有修改〕

2．4．2 地下水位變動引起的巖土壓密

為了簡便起見，我們假設(shè)整個(gè)含水砂層充滿水，且水位下降后其測壓管高度仍高出飽水砂層頂面。這種情況下，當(dāng)由于抽水而引起測壓管高度降低時(shí)，可近似地認(rèn)為總應(yīng)力P不變，孔隙水壓力降低Δu，相應(yīng)地有效應(yīng)力增加ΔPZ。意即原先由水承受的應(yīng)力由于水頭降低，浮托力減少而部分地轉(zhuǎn)由砂層骨架（顆粒本身）承擔(dān)：

PZ+ΔPZ=P?(u?Δu) (2—4) 砂層是通過顆粒的接觸點(diǎn)承受應(yīng)力的�？紫端畨毫�降低，有效應(yīng)力增加，顆粒發(fā)生位移，排列更為緊密，顆粒的接觸面積增加，孔隙度降低，砂層受到壓密。與此同時(shí)，砂層中的水則因減壓而有少量膨脹。

砂層因孔隙水壓力下降而壓密，待孔隙水壓力恢復(fù)后，砂層大體上仍能恢復(fù)原狀。砂礫類巖土基本上呈彈性變形。但是，如果同樣的壓密發(fā)生于粘性土中，則由于粘性土釋水壓密時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，即使孔隙水壓力復(fù)原，粘性土基本上仍保持其壓密狀態(tài)。粘性土以塑性變形為主。

抽水引起地下水位下降，松散巖石將被壓密，從而其孔隙度、給水度、滲透系數(shù)等參數(shù)均將變小。對于粘性土來說，這種參數(shù)值的降低是不可逆的。

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