第五章-上海交大-工程地质课件

第五章地下水,5.1地下水概述,基本概念地下水的广义概念：赋存于地面以下岩石空隙中的水地下水的狭义概念：赋存于饱水带岩石空隙中的水,5.1.1地下水及含水层,A产生毛细压力，使砂土（主要是细砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；B毛细水会影响土中气体的分布与流通，常常会导致产生封闭气体；C当地下水位埋深变浅时，由于毛细水上升，可助长地基土的冰冻现象；使地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面，促使土的沼泽化、盐渍化。,毛细水指在岩土细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水，它是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。,毛细水对建筑工程的意义主要有：,（1）毛细水,地下水位,毛细上升高度(hc),毛细带,土粒直径水的重度表面张力,粒径大小与上升高度的关系粉土最利于毛细水的形成,(2)重力水：,不受静电引力的影响，在重力作用下运动，可传递静水压力。,重力水能产生浮托力、孔隙水压力。流动的重力水在运动过程中会产生动水压力。重力水具有溶解能力，对岩土产生化学潜蚀，导致土的成分及结构的破坏。,含水层和透水层,含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层或土层，称为含水层。构成含水层的条件，一是岩土中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩土空隙中自由运动。,隔水层：不能给出并透过水的岩层、土层，或者这些岩土层给出与透过水的数量是微不足道的。,岩土的水理性质：含水性给水性透水性,5.1.2岩土的水理性质岩土的水理性质是指岩土与水相互作用时岩土显示出来的各种性质。,含水性：容水度；持水度,容水度(饱和含水量)：岩土空隙完全被水充满时的含水量。用容积表示时为：岩土空隙中所能容纳的最大的水的体积与岩土体积之比，与孔隙度、裂隙率或岩溶率相等。但是，对于具有膨胀性的粘土来说，充水后体积扩大，容水度可以大于孔隙度。,持水度(最大分子含水量)：岩土颗粒的结合水达到最大数值时的含水量。指受重力作用时岩土仍能保持的水的体积与岩土体积之比。在重力作用下，岩石空隙中所保持的主要是结合水。因此持水度实际上说明岩石中结合水含量的多少。,给水性：给水度,给水度：饱水岩土在重力作用下排出的水的体积与岩土体积之比。数值上等于容水度减去持水度。大小与有效孔隙有关，不同的岩土其给水度相差很大。,透水性,由于结合水对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最靠近边缘的重力水，流速趋近于零，向中心流速逐渐变大，中心部分流速最大。因此，空隙愈小，重力水所能达到的最大流速便愈小，透水性也越差。当空隙直径小于两倍结合水的厚度，在通常条件下便不透水。,另一方面，在空隙透水、空隙大小相等的前提下，孔隙度越大，能够透过的水量愈多，岩土层的透水性也愈好。,总之，空隙的大小和多少决定着岩石透水性的好坏，但两者的影响并不相等，空隙大小经常起主要作用。例如，砂性土的空隙度小于粘性土，但前者的渗透系数大于后者。,达西定律（线性渗透定律）,v=Q/A=KIV：渗透速度K：渗透系数，单位水力梯度时的渗透速度I：水力梯度适用于雷诺数=10的层流运动,5.2地下水的基本类型和特征,1.按地下水的埋藏条件包气带水、潜水、承压水。,2.按地下水的含水介质类型孔隙水、裂隙水、岩溶水。,5.2.1.包气带水,处于地表面以下、潜水位以上的包气带岩土层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳(粘土裂隙)中季节性存在的水。,主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。,包气带水对农业有很大意义，对工程建筑有一定影响。,5.2.2.潜水定义：地面以下第一个稳定隔水层以上的饱和水,具自由的表面，称为潜水面（地下水面）（watertable）潜水层的水质、厚度、埋藏深度受自然地理环境和地形、季节的控制。潜水埋藏浅、分布广泛，是最常用的水源。,5.2.3.承压水充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。具有静水压力。承压水在合适的岩性、地质构造、地形等条件相互配合下形成。含水层面积大，水量丰富，动态较稳定，是理想的水源。,承压水不具自由水面，并承受一定的静水压力。承压含水层的分布区与补给区不一致，常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给。承压水的动态比较稳定，受气候影响较小。水质不易受地面污染。,承压水水头压力在有裂隙和大孔隙条件下可能引起基坑突涌，破坏坑底的稳定性。,5.2.4裂隙水与岩溶水（1）孔隙水（porewater）一般呈连续的层状分布;（2）裂隙水（fissurewater）层状裂隙水:裂隙发育密集、相通，有统一的水位；脉状裂隙水：裂隙稀疏、不均匀、相对隔绝；（3）喀斯特水（karstwater）分布于可溶性岩石中的裂隙洞穴、暗河，分布极不均匀；,5.2.5泉泉是地下水出露于地表的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式。,（1）上升泉具有压力；（2）下降泉-仅受重力驱动。（3）泉的形成原因：含水层的侵蚀；弱透水层和断层的阻挡；断层的导水作用；,5.4地下水对建筑工程的影响,地下水对土木工程建设的不良影响主要有：地下水渗透水流作用引起的流砂、管涌、潜蚀；地下水对位于水位下的岩石、土层和建筑物基础产生的浮托作用；人工降低地下水位产生的地基沉降以及地下水渗流引起的水库及坝体渗漏等问题。,一、地基沉降（1）松散沉积层中进行深基础施工时，人工降低地下水位使周围土层产生固结沉降。（2）抽水井的滤网和砂滤层设计不合理或施工质量差，抽水时细小颗粒同地下水一起带出地面周围地面土层不均匀沉降造成地面建筑物和地下管线损坏。（3）抽水时在水周围形成降水漏斗使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。,在细砂或粉砂土层的基坑开挖时，地下水位以下的土在动水压力的推动下极易失去稳定，随着地下水涌入基坑。称为流砂现象。流砂发生后，土完全丧失承载力，土体边挖边冒，施工条件极端恶化，基坑难以达到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方,临近建筑物出现下沉、倾斜甚至倒塌。,广佛地铁桂城站基坑出现流砂，地面下沉约1.5m图为砂包封堵抢险现场,二、流砂,产生流砂现象的原因有内因和外因。,产生流砂的原因,流砂发生基坑满目狼籍流砂支挡强行施工,取决于土的性质，当土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均容易产生流砂现象。流砂现象极易发生在细砂、粉砂和亚粘土中，但是否发生流砂现象，还取决于一定的外因条件。,内因,外因,式中：I水力坡度（I=（h1-h2）/L）；h1h2水位差；W水的重度。,是地下水在土中渗流所产生的动水压力GD的大小，为：,当地下水位较高、基坑内排水所形成的水位差较大时,动水压力也愈大,当GD(土的浮重)时就会推动土壤失去稳定，形成流砂现象。,上海地铁4号线流砂事故2003年7月1日,造价过亿的泵站已倾斜、下沉,泡在水里,武警在沉陷和开裂的黄浦江防汛墙段抢险,流砂破坏示意图,斜坡条件时地基条件时,原坡面；流砂后坡面；流砂堆积物；地下水位；建筑物原位置；流砂后建筑物位置；滑动面；流砂发生区,三、潜蚀,1.类型,1）机械潜蚀：2）化学潜蚀：,1）机械潜蚀：土粒在地下水的动水力作用下受到冲刷，将细粒土冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用，形成管涌。,2）化学潜蚀：在地下水和一氧化碳等作用下，能使岩石中的长石、云母等矿物变为高岭石、绢云母和其他粘土矿物。,管涌破坏示意图,斜坡条件时,地基条件时,四、地下水的浮托作用,建筑物基础底面位