巖土工程與地下水

1、巖土工程與地下水,世界上任何巖土工程都建在巖石圈上即建在巖土體上。巖土體是與大氣圈、水圈、生物圈高緊密聯(lián)系的地質(zhì)體，而不是孤立的材料體。 地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中最容易發(fā)生變化的是地下水。地下水位的變化能引起整個(gè)地質(zhì)環(huán)境的變化。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，67% 的建筑物被破壞是由于地下水位局部變化引起的，甚至諸如城市輸水管道破損滲漏也能破壞地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性，導(dǎo)致建筑物遭受破壞。 巖土工程應(yīng)重視地下水工作,第一節(jié) 引起地下水環(huán)境變化的因素,引起地下水位變化的因素可分為3 類： 自然因素、溫室效應(yīng)、人類工程活動(dòng) 人類工程活動(dòng)： 人類工程活動(dòng)是指人類為提高生存質(zhì)量，對自然環(huán)境進(jìn)行改造、利用的各種工程活動(dòng)的總稱。人類工程活動(dòng)已

2、成為改造地質(zhì)環(huán)境的強(qiáng)大力量， 它改變地下水的賦存環(huán)境，危害巖土工程,引起地下水賦存環(huán)境變化的人類活動(dòng)可分為兩大類: 1、引起地下水位上升的人類工程活動(dòng) 2 、引起地下水位下降的人類工程活動(dòng),1. 引起地下水位上升的人類工程活動(dòng)： 在城市地區(qū)將水引入地質(zhì)環(huán)境造成地下水位上升的人類工程活動(dòng)有： 人工補(bǔ)給地下水源或?yàn)榉乐沟孛娉两?，對含水層進(jìn)行回灌； 農(nóng)田灌溉水滲流； 園林綠化澆水滲漏； 水庫蓄水池滲漏； 橫切地下水流向的線型工程(如地鐵、隧道、人防工程等)的上方地下壅水； 地面輸水溝渠滲漏； 地下輸水管道滲漏； 冷庫地下凝結(jié)水聚集,2. 引起地下水位下降的人類工程活動(dòng): 在城市地區(qū)引起地下水位下降的

3、類工程活動(dòng)有: 開采地下水； 礦山排水硫干； 采油工程抽水 (水油混合體)； 沼澤地、鹽堿地排水疏干； 橫切地下水流向的錢型工程使下游水位下降； 城市地下排水管網(wǎng)排水、建筑物和瀝青水泥鋪面減少降水入滲； 地下工程（商場、倉庫、停車場等)排水疏于； 基坑工程降水； 地下水面下排水管斷裂排水等,第二節(jié) 地面沉降,本節(jié)敘述的地面沉降主要是指由于抽汲液體( 以地下水為主，也包括油、氣) 所引起的區(qū)域性地面沉降，沉降面積一般都在100km2 以上。 其它非抽汲地下水、油和氣所引起的地面沉降，如構(gòu)造活動(dòng)所造成的地殼沉降，海平面上升造成的地面相對下降等不屬于本節(jié)研究的范圍,一、地面沉降的危害 (1)降低城市

4、抵御洪水、潮水和海水入侵的能力。 據(jù)對1983 年至1989 年蘇州地面沉降災(zāi)害的評估，由于地面沉降必須增加的新建筑物墊高基礎(chǔ)費(fèi)、抗洪筑蜒費(fèi)等10項(xiàng)市政直出就這2.6 億元。 (2) 地面沉降引起橋墩、碼頭、倉庫地坪下沉，橋面下凈空減小，不利于航運(yùn)。 (3) 地面沉降還會引起建筑物向沉降中心的水平移動(dòng)，使建筑物傾斜或損壞，橋墩錯(cuò)動(dòng)，鐵路和管道凸起拉斷,二、地面沉降地區(qū)的特點(diǎn) （1）沉降都發(fā)生于從地層中抽取一定量的流體(石油或地下水)之后。 （2） 流體在地層中都處于相對封閉條件之下，井具有相當(dāng)高的壓力，抽取流體后，壓力降低。 （3）發(fā)生地面沉降的地層都很新， 一般不早于第三紀(jì)，即發(fā)生于未很好固

5、結(jié)的地層中。 （4）發(fā)生地面沉降的時(shí)間、范圍和幅度，都與流體壓力減低的時(shí)間、范圍和幅度相對應(yīng)。 因此，在由粘性土層和砂層相互成層組成的平原地區(qū)，特別是在由淤泥或淤泥質(zhì)粘士與砂土互層的濱海地區(qū)，抽取承壓水都可能引起地面沉降,三、地面沉陷的機(jī)理 抽取承壓水、承壓水位下降、空隙水壓力下降、有效應(yīng)力增加，巖土體壓密（粘土層不可恢復(fù)） 從地層中抽取地下水，使得水壓下降，引起地層壓縮，從而出現(xiàn)地面沉降，含水層的團(tuán)結(jié)壓縮量大大低于限制層的固結(jié)壓縮量。 因此可以得出結(jié)論，限制層團(tuán)結(jié)壓縮是地面沉降的主要原因， 同時(shí)含水層壓縮也可能有些影響,第三節(jié) 地面塌陷,地面塌陷是松散土層中所產(chǎn)生的突發(fā)性斷裂陷落，多發(fā)生于巖

6、溶地區(qū)，在非巖溶地區(qū)也能見到。 地面塌陷是我國巖溶地區(qū)常見的一種災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象，多為人為因素破壞天然環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)引起的。 地面塌陷危害很大，能夠破壞農(nóng)田、水利工程、交通線路.引起房屋破裂倒塌、地下管網(wǎng)斷裂。 徐州市區(qū)新生街的一次大塌陷， 波及范圍達(dá)南北長約190m ，東西寬約110m. 直接倒榻房屋224 間，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3000萬元,地面塌陷的分布規(guī)律： （1）地面塌陷多分布在斷裂帶及褶皺軸部。 （2）地面塌陷多分布于溶蝕洼地等地形低洼處。 （3） 地面塌陷多分布河床兩側(cè)。 （4）地面塌陷多分布在土層較薄的地方，土層越薄越越易塌陷,第四節(jié) 滑坡,滑坡是巖、土邊坡喪失原有穩(wěn)定性. 一部分巖、土

7、體對其下面巖、土體產(chǎn)生滑動(dòng)。 地下水作用與滑坡的穩(wěn)定性： 地下水對滑體的作用主要有兩種：即地下水的物理化學(xué)作用和地下水的力學(xué)作用。 1、地下水對滑體的物理理化學(xué)作用 軟化巖土，降低潛在滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，影響邊接穩(wěn)定；地下水位上升，邊坡巖體重量增加，滑動(dòng)力增大，滑體容易滑動(dòng)；地下水流可能造成沖刷、潛蝕、管涌等的發(fā)生，對邊坡穩(wěn)定不利,2 、地下水對滑坡的力學(xué)作用 地下水的力學(xué)作用能改變構(gòu)成巖、土體的環(huán)境應(yīng)力：孔隙水壓力和滲透壓力。 當(dāng)滑體相對不透水，潛滑面有地下水活動(dòng)時(shí)，所形成的孔隙水壓力可以致使邊坡破壞,第五節(jié) 水位水壓變化對地基基礎(chǔ)的有害作用,一、地下水位變化對地基土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

8、 1、 地下水位上升的影響 （1） 地基土承載力降低。無論是砂性土或是粘性土地基，其承載力都具有隨地下水上升而下降的必然性。 （2）地基土濕陷。在干旱、半干早地區(qū)的土處于干燥狀態(tài)， 濕陷性黃土浸水后發(fā)生濕陷，引起地面塌陷、沉降。我國西北某市一教學(xué)樓竣工時(shí)，地下水位距基底10m 左右，施工時(shí)總沉降量為10 - 30rnm。不到一年后沉降即穩(wěn)定，樓房投用后地下水位逐漸上升，數(shù)年后水位距基底僅3m. 附加沉降量達(dá)300mm,3） 砂土地震液化加劇。地下水與砂土液化密切相關(guān)，沒有水，也就沒有所謂砂土的液化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位上升， 砂土抗地震液化能力隨之減弱。 （4）地基土凍脹。在寒冷地區(qū)，由于

9、凍結(jié)作用，巖土中水分遷移并集中，形成冰夾層或冰椎等，造成地基土凍脹、地面隆起、樁臺隆脹等。 （5） 地基土鹽漬化。在干旱、半干旱平原地區(qū)，當(dāng)潛在位上升接近地表時(shí)，由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用，使鹽分在上部土層聚集形成鹽漬土，這不僅改變了土的物理力學(xué)性質(zhì)，而且還改變了潛水的化學(xué)成分。 地下水礦化度增高，增強(qiáng)了土及地下水對基礎(chǔ)和建筑物的腐蝕作用,2 、地下水位下降的影響 當(dāng)?shù)叵滤簧底兓辉诘鼗A(chǔ)底面以下較深的范圍內(nèi)發(fā)生時(shí)，地下水位下降對地基基礎(chǔ)影響不大,當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)下降時(shí)，土的自重應(yīng)力增加，可能引起地基基礎(chǔ)的附加沉降，如果土質(zhì)不均勻或地下水突然下降，可能造成建筑物變形破壞,

10、二、地下水壓力對地基基礎(chǔ)的破壞作用,1、基坑突水 當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時(shí)如果開挖后基坑底所留隔水層支持不住承壓水壓力的作用，隔水層將被頂裂， 發(fā)生冒水冒砂、淹水甚至毀坑事故。這一工程地質(zhì)現(xiàn)象稱為基坑突水,2、潛水浮托力與基礎(chǔ)抬起 在地下水位埋深淺的地區(qū)，通常果用人工降水的方法進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工。在這種情況下基礎(chǔ)施工完成后的維護(hù)期仍需繼續(xù)進(jìn)行排水，否則地下水位恢復(fù)上升所產(chǎn)生的浮刀能使基礎(chǔ)抬起。 3 、承壓水壓力與基礎(chǔ)抬起 在一些地區(qū)，當(dāng)承壓含水層埋藏較淺且承壓水壓力較大時(shí)，地下構(gòu)筑物可能破壞承壓水壓力與上覆地層壓力的平衡關(guān)系，承壓水壓力可使基礎(chǔ)抬起，導(dǎo)致房屋向上隆起變形甚至開裂。 在進(jìn)行巖土工程

11、勘察時(shí)，要重視對基礎(chǔ)下伏第一個(gè)承壓含水層的勘察工作，特別是要查清含水層的承壓水壓力，以便為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù),第六節(jié) 地下水對地基土的滲流破壞,巖土工程活動(dòng)可在小范圍內(nèi)改變地下水位。地下水位無論是上升或是下降均可以使局部的水位差增大，摻流作用增強(qiáng)。滲流作用可引起地基土的潛蝕、流砂和管涌的發(fā)生。 1、潛蝕在較高的滲透速度或水力梯度作用下，地下水流從孔釀或裂隙中攜出細(xì)小顆植的作用。 結(jié)果使土層孔隙連漸變大，甚至形成洞穴導(dǎo)致巖、土體結(jié)構(gòu)松動(dòng)或破壞，以致產(chǎn)生地表裂縫、崩陷、影響建筑工程的穩(wěn)定,分類機(jī)械潛蝕； 化學(xué)潛蝕。 機(jī)械潛蝕和化學(xué)溶蝕一般是同時(shí)進(jìn)行的，且兩者是相互影響相互促進(jìn)的。 防止

12、改變滲透水流的水動(dòng)力條件，使水流梯度小于臨界水力梯度。措施有堵截地表水流入巖土層；阻止地下水在巖土層中流動(dòng)；設(shè)反濾層；減小地下水的流速等。 改善巖土的性質(zhì)，增強(qiáng)其抗?jié)B能力。如爆炸、壓密、打樁、化學(xué)加固處理等方法，可以增加巖土的密實(shí)度，降低巖土層的滲透性能,2、流砂松散細(xì)顆控土被地下水飽和后，在動(dòng)水壓力即水頭差的作用下，產(chǎn)生的懸浮流動(dòng)現(xiàn)象。流砂多發(fā)生在顆粒級配均勻的粉、細(xì)砂等砂性土中，有時(shí)在粉土中亦會發(fā)生。其表現(xiàn)形式是所有顆撾同時(shí)從一近似于管狀通道被串透革流沖走。 結(jié)果使基礎(chǔ)發(fā)生滑移或不均勻下沉，基坑坍塌，基礎(chǔ)懸浮等,防止流砂對巖土工程危害很大， 所以在可以發(fā)生流砂的地區(qū)應(yīng)盡量利用其上面的土層做

13、天然地基，也可利用樁基穿透流沙層?？傊?應(yīng)盡最避免水下大開挖施工。必須時(shí)，可以利用下列方法防止波砂： 人工降低地下水位，將地下水位降至可能產(chǎn)生流砂的地層以下，然后再開挖； 打板樁。一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的徑流條件，即增長滲流途徑，減小水力梯度和流速。 水下開挖。在基坑開挖期間，使基坑中始終保持足夠的水頭（可加水），盡量避免產(chǎn)生流砂的水頭差，增加基坑側(cè)壁土體的穩(wěn)定性。 其它方法。如凍結(jié)法、化學(xué)加固法、加重法、爆炸法等,3、管涌地基土在具有某種滲透速度（或梯度）的滲透水流作用下，其細(xì)小顆粒被沖走， 巖土的孔除逐漸增大，慢慢形成一種能穿越地基的細(xì)管狀滲流通路，從而掏空地基或土壩，使

14、地基或斜坡變形、失穩(wěn),產(chǎn)生條件 管涌多發(fā)生在非粘性土中。具體條件包括： 土由粗顆粒（粒徑為D ）和細(xì)顆粒（粒徑為d ）組成， 其D / d 10； 土的不均勻系數(shù)d60 /d10 10 ； 兩種互相接觸土層滲透系數(shù)之比K1 / K2 2 3 ； 滲透水流的水力梯度大于土的臨界水力梯度時(shí)。 防止 在可能發(fā)生管涌的地層中修建擋水壩、擋土墻工程及進(jìn)行基坑排水工程時(shí)，為了防止流砂、管涌的發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)必須控制地下在逸出處的水力梯度，使其小于容許水力梯度。 防止管涌發(fā)生最常用的方法與防止流砂的方法相同， 主要是控制滲流，降低水力梯度，設(shè)置保護(hù)層，打板樁等,第七節(jié) 地下水對混凝土基礎(chǔ)的侵蝕破壞作用,混凝土基

15、礎(chǔ)的強(qiáng)度很高，但一些具有侵蝕性的環(huán)境水能對其進(jìn)行溶蝕破壞。這種對混凝土的破壞作用在一些地方甚為強(qiáng)烈， 因此，有人把其稱為水泥“癌癥” 。 混凝土遭受地下水侵蝕常見的破壞主要方式有：混凝土中某些組分被水溶解，或形成鹽類結(jié)晶產(chǎn)生過大的體積膨脹。 環(huán)境水對混凝土侵蝕常見的類型有：碳酸侵蝕、酸性侵蝕、堿類侵蝕、鹽類侵蝕、溶出侵蝕、海水侵蝕等,1、碳酸侵蝕 硅酸鹽水泥遇水生成Ca（OH）2 。如地下在水含有CO2，它與Ca（OH）2作用生成碳酸鈣沉淀: 上為可逆反應(yīng)，當(dāng)水中CO2的含量小于平衡所需數(shù)量時(shí)，反應(yīng)向左方進(jìn)行，生成CaCO3沉淀；當(dāng)CO2的含量大于平衡所需數(shù)量時(shí)，反應(yīng)向右方進(jìn)行，則將使CaCO

16、3溶解。 因此，當(dāng)水中游離CO2含量超過平衡需要時(shí)，水中就含有一定數(shù)量的侵蝕性CO2 ，此時(shí)會對混凝土產(chǎn)生侵蝕作用,2、酸性侵蝕 硅酸鹽水泥硬化后生成大量的喊性水化物Ca（OH)2 ，在酸的作用下中和生成鹽，這些鹽或易溶于水，或體積膨脹，使混凝土受到不同程度的破壞，如 使混凝土受到侵蝕作用的酸，可分為無機(jī)酸和有機(jī)酸兩大類。無論何種酸都有一定的侵蝕作用，特別是無機(jī)酸中的三大強(qiáng)酸(HCI 、H2SO4、HNO3)對混凝士的侵蝕最為嚴(yán)重,3、堿類侵蝕 鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇強(qiáng)堿(如NaOH) 作用后會受到破壞。堿類侵蝕混凝土的主要表現(xiàn)為化學(xué)侵蝕和結(jié)晶侵蝕兩種。 結(jié)晶侵蝕是由于喊溶液侵入混凝土孔隙中，在空氣中的CO2的作用下，生成含有大量結(jié)晶水的碳酸鈉晶體析出，體積比原來增加2.5倍，從而產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，其化學(xué)反應(yīng)過程如下,4、溶出侵蝕 5、硫酸鹽侵蝕 由反應(yīng)的生成物可見，水化硫鋁酸鈣結(jié)合著很多的化合水，因而比原反應(yīng)物體積增大很多，約為原體積的221. 86 %，于是在混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,使混凝土破壞。 石膏