水文地質(zhì)學基礎(chǔ)實驗三毛細水上升高測定

1、 毛細水是賦存在包氣帶巖石毛細水是賦存在包氣帶巖石 空隙中的地下水空隙中的地下水, 它同時承受著它同時承受著 重力和毛細力的共同作用。最受重力和毛細力的共同作用。最受 人類關(guān)注的主要是地下水面以上人類關(guān)注的主要是地下水面以上 的支持毛細水的支持毛細水, 它分布在包氣帶它分布在包氣帶 下部形成毛細水帶下部形成毛細水帶, 毛細水上升毛細水上升 高度決定著該帶的厚度。高度決定著該帶的厚度。 飽水帶的地下水只所以能沿飽水帶的地下水只所以能沿 毛細空隙上升毛細空隙上升, 主要是受毛細力的主要是受毛細力的 牽引。毛細力是發(fā)生在巖石介質(zhì)牽引。毛細力是發(fā)生在巖石介質(zhì) 空隙中固、液、氣三相界面上的空隙中固、液、

2、氣三相界面上的 一個向上的力一個向上的力, 它是由巖石顆粒它是由巖石顆粒 表面張力和水的作用產(chǎn)生的。形表面張力和水的作用產(chǎn)生的。形 成指向彎液面凹側(cè)向上的附加表成指向彎液面凹側(cè)向上的附加表 面壓強面壓強, 該附加壓強因彎液面上該附加壓強因彎液面上 凹而向上凹而向上, 為一負值為一負值, 稱為毛細負稱為毛細負 壓。因此壓。因此, 凹液面所受的大氣壓凹液面所受的大氣壓 強要比水平液面小一個毛細壓強強要比水平液面小一個毛細壓強, 相當于凹液面之下存在一個與毛相當于凹液面之下存在一個與毛 細壓強相等的真空值。所以細壓強相等的真空值。所以, 可認可認 為該毛細負壓力就是一個向上的為該毛細負壓力就是一個向

3、上的 彎液面力。該彎液面力抵抗著大彎液面力。該彎液面力抵抗著大 氣壓力和重力使水沿毛細管上升氣壓力和重力使水沿毛細管上升, 直至液柱重力與之平衡。若換算直至液柱重力與之平衡。若換算 成水柱高度可表示為：成水柱高度可表示為： h = 0.03 / Dh = 0.03 / D 式中式中, h, h為水柱最大毛細上升為水柱最大毛細上升 高度高度( (單位：單位：m); Dm); D為毛細管的直為毛細管的直 徑徑( (單位：單位：mm)mm)。 由上式看出由上式看出, ,毛細管直徑越小毛細管直徑越小, , 水的毛細上升高度越大水的毛細上升高度越大, ,反之則越反之則越 小。因而在大孔隙的粗砂中小。因而

4、在大孔隙的粗砂中, , 毛毛 細管直徑較大細管直徑較大, , 毛細水上升高度毛細水上升高度 較小較小, 而細砂、粘土而細砂、粘土, 由于孔隙直由于孔隙直 徑較小徑較小, 毛細水上升高度則較大。毛細水上升高度則較大。 巖石中毛細水上升高度對于巖石中毛細水上升高度對于 研究包氣帶水運動、大氣降水入研究包氣帶水運動、大氣降水入 滲補給地下水、農(nóng)田灌溉、鹽堿滲補給地下水、農(nóng)田灌溉、鹽堿 地改良、地下水污染及工程建筑地改良、地下水污染及工程建筑 地基處理設(shè)計與穩(wěn)定性評價等地基處理設(shè)計與穩(wěn)定性評價等, , 都具有重要意義。都具有重要意義。 松散巖石的毛細水上升高度松散巖石的毛細水上升高度 測定方法測定方法

5、, , 有直接觀察法和卡明有直接觀察法和卡明 斯基儀法。前者適用于粗砂和中斯基儀法。前者適用于粗砂和中 砂砂, , 后者則適用于粉砂和粘土。后者則適用于粉砂和粘土。 一、直接觀察法一、直接觀察法 該法是將試樣裝入有刻度的該法是將試樣裝入有刻度的 玻璃管中玻璃管中, ,管的底部縛有濾網(wǎng)管的底部縛有濾網(wǎng), ,并并 放置于盛水槽中放置于盛水槽中, , 直接觀測毛細直接觀測毛細 水的上升高度。水的上升高度。 玻璃管架玻璃管架 鐵皮水槽鐵皮水槽 帶刻度玻璃管帶刻度玻璃管 1、測定裝置、測定裝置 2、測定操作步驟、測定操作步驟 3、實驗數(shù)據(jù)記錄表、實驗數(shù)據(jù)記錄表 觀觀 察察 次次 數(shù)數(shù) 觀察時間觀察時間

6、各種粒度成分砂毛細上升高度各種粒度成分砂毛細上升高度(cm) 日日 時時分分 間隔間隔 (分分) 極細砂極細砂 細細 砂砂 中中 砂砂 粗粗 砂砂 4、實驗數(shù)據(jù)整理、實驗數(shù)據(jù)整理 將記錄表中數(shù)據(jù)將記錄表中數(shù)據(jù), 在同一座標在同一座標 紙上分別繪出粗砂、中砂、細砂紙上分別繪出粗砂、中砂、細砂 和極細砂的毛細水上升高度與時和極細砂的毛細水上升高度與時 間關(guān)系曲線。該曲線可用如下經(jīng)間關(guān)系曲線。該曲線可用如下經(jīng) 驗式表示：驗式表示： Hn = m t 上式中上式中, n一般大于一般大于2, m隨土隨土 質(zhì)而異。可利用作圖分析方法分質(zhì)而異。可利用作圖分析方法分 別確定三條曲線的實用經(jīng)驗式。別確定三條曲線

7、的實用經(jīng)驗式。 將上式兩邊取對數(shù)得：將上式兩邊取對數(shù)得： lgt = nlgH lgm 顯然上式為一線性方程顯然上式為一線性方程, 將所測的將所測的t 和和H 取對數(shù)取對數(shù), 然后在雙對數(shù)紙上作其關(guān)系曲線然后在雙對數(shù)紙上作其關(guān)系曲線, 其其 直線的斜率為直線的斜率為n, 截距為截距為lgm。取其反對數(shù)。取其反對數(shù) 就可求出就可求出m來。來。 lgt lgH (lgH1 , lgt1) (lgH2 , lgt2) lgt2 lgt1 n = tg = lgH2 lgH1 lgm 二、卡明斯基儀測定法二、卡明斯基儀測定法 1、原理、原理 該法是根據(jù)彎液面力能產(chǎn)生該法是根據(jù)彎液面力能產(chǎn)生 一定負壓力

8、一定負壓力, 使供水中的靜水壓使供水中的靜水壓 力小于外界大氣壓力。其壓差所力小于外界大氣壓力。其壓差所 支持的毛細水柱高度即為被動的支持的毛細水柱高度即為被動的 毛細力支持的下降水柱高度毛細力支持的下降水柱高度, 用連用連 通管等壓面原理就可進行測定。通管等壓面原理就可進行測定。 2、測定裝置、測定裝置 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 鐵夾子鐵夾子 調(diào)流量閥調(diào)流量閥 固定鐵架子固定鐵架子 鐵架子鐵架子 接水桶接水桶 A B 3、測定步驟、測定步驟 4、實驗數(shù)據(jù)記錄表、實驗數(shù)據(jù)記錄表 實實 驗驗 次次 數(shù)數(shù) 巖巖 性性 粒粒 徑徑 (mm) 測定累計時間測定累計時間 毛細上升毛細上升 高高 度度 (cm) 備備 注

9、注 時時 分分 秒秒 平平 均均 值值 三、撰寫實驗報告三、撰寫實驗報告 包括直接觀測法和卡明斯基包括直接觀測法和卡明斯基 儀測定法的實驗體會和看法。描儀測定法的實驗體會和看法。描 述負水頭法測定過程中值得注意述負水頭法測定過程中值得注意 的現(xiàn)象等。分析實驗講義中相應的現(xiàn)象等。分析實驗講義中相應 的思考題。的思考題。 石家莊經(jīng)濟學院工程學院石家莊經(jīng)濟學院工程學院 水文與水資源工程教研室監(jiān)制水文與水資源工程教研室監(jiān)制 2004. 11 強要比水平液面小一個毛細壓強強要比水平液面小一個毛細壓強, 相當于凹液面之下存在一個與毛相當于凹液面之下存在一個與毛 細壓強相等的真空值。所以細壓強相等的真空值。

10、所以, 可認可認 為該毛細負壓力就是一個向上的為該毛細負壓力就是一個向上的 彎液面力。該彎液面力抵抗著大彎液面力。該彎液面力抵抗著大 氣壓力和重力使水沿毛細管上升氣壓力和重力使水沿毛細管上升, 直至液柱重力與之平衡。若換算直至液柱重力與之平衡。若換算 成水柱高度可表示為：成水柱高度可表示為： 測定方法測定方法, , 有直接觀察法和卡明有直接觀察法和卡明 斯基儀法。前者適用于粗砂和中斯基儀法。前者適用于粗砂和中 砂砂, , 后者則適用于粉砂和粘土。后者則適用于粉砂和粘土。 一、直接觀察法一、直接觀察法 該法是將試樣裝入有刻度的該法是將試樣裝入有刻度的 玻璃管中玻璃管中, ,管的底部縛有濾網(wǎng)管的底部縛有濾網(wǎng), ,并并 放置于盛水槽中放置于盛水槽中, , 直接觀測毛細直接觀測毛細 水的上升高度。水的上升高度。 玻璃管架玻璃管架 鐵皮水槽鐵皮水槽 帶刻度玻璃管帶刻度玻璃管 1、測定裝置、測定裝置 4、實驗數(shù)據(jù)整理、實驗數(shù)據(jù)整理 將記錄表中數(shù)據(jù)將記錄表中數(shù)據(jù), 在同一座標在同一座標 紙上分別繪出粗砂、中砂、細砂紙上分別繪出粗砂、中砂、細砂 和極細砂的毛細水上升高度與時和極細砂的毛細水上升高度與時 間關(guān)系曲線。該曲線可用如下經(jīng)間關(guān)系曲線。該曲線可用如下經(jīng) 驗