[最新]岩土工程与地下水

1、第一节 引起地下水环境变化的因素 第二节 地面沉降 第三节 地而塌陷 第四节 滑坡 第五节 水位水压变化对地基基础的有害作用 第六节 地下水对地基土的渗流破坏 第七节 地下水对混凝土基础的侵蚀破坏作用,岩土工程与地下水,世界上任何岩土工程都建在岩石圈上即建在岩土体上。岩土体是与大气圈、水圈、生物圈高紧密联系的地质体，而不是孤立的材料体。 地质环境系统中最容易发生变化的是地下水。地下水位的变化能引起整个地质环境的变化。 据统计，67% 的建筑物被破坏是由于地下水位局部变化引起的，甚至诸如城市输水管道破损渗漏也能破坏地质环境的稳定性，导致建筑物遭受破坏。 岩土工程应重视地下水工作。,第一节 引起地

2、下水环境变化的因素,引起地下水位变化的因素可分为3 类： 自然因素、温室效应、人类工程活动 人类工程活动： 人类工程活动是指人类为提高生存质量，对自然环境进行改造、利用的各种工程活动的总称。人类工程活动已成为改造地质环境的强大力量， 它改变地下水的赋存环境，危害岩土工程。,引起地下水赋存环境变化的人类活动可分为两大类: 1、引起地下水位上升的人类工程活动 2 、引起地下水位下降的人类工程活动,1. 引起地下水位上升的人类工程活动： 在城市地区将水引入地质环境造成地下水位上升的人类工程活动有： 人工补给地下水源或为防止地面沉降，对含水层进行回灌； 农田灌溉水渗流； 园林绿化浇水渗漏； 水库蓄水池

3、渗漏； 横切地下水流向的线型工程(如地铁、隧道、人防工程等)的上方地下壅水； 地面输水沟渠渗漏； 地下输水管道渗漏； 冷库地下凝结水聚集。,2. 引起地下水位下降的人类工程活动: 在城市地区引起地下水位下降的类工程活动有: 开采地下水； 矿山排水硫干； 采油工程抽水 (水油混合体)； 沼泽地、盐碱地排水疏干； 横切地下水流向的钱型工程使下游水位下降； 城市地下排水管网排水、建筑物和沥青水泥铺面减少降水入渗； 地下工程（商场、仓库、停车场等)排水疏于； 基坑工程降水； 地下水面下排水管断裂排水等。,第二节 地面沉降,本节叙述的地面沉降主要是指由于抽汲液体( 以地下水为主，也包括油、气) 所引起的

4、区域性地面沉降，沉降面积一般都在100km2 以上。 其它非抽汲地下水、油和气所引起的地面沉降，如构造活动所造成的地壳沉降，海平面上升造成的地面相对下降等不属于本节研究的范围。,一、地面沉降的危害 (1)降低城市抵御洪水、潮水和海水入侵的能力。 据对1983 年至1989 年苏州地面沉降灾害的评估，由于地面沉降必须增加的新建筑物垫高基础费、抗洪筑蜒费等10项市政直出就这2.6 亿元。 (2) 地面沉降引起桥墩、码头、仓库地坪下沉，桥面下净空减小，不利于航运。 (3) 地面沉降还会引起建筑物向沉降中心的水平移动，使建筑物倾斜或损坏，桥墩错动，铁路和管道凸起拉断。,二、地面沉降地区的特点 （1）沉

5、降都发生于从地层中抽取一定量的流体(石油或地下水)之后。 （2） 流体在地层中都处于相对封闭条件之下，井具有相当高的压力，抽取流体后，压力降低。 （3）发生地面沉降的地层都很新， 一般不早于第三纪，即发生于未很好固结的地层中。 （4）发生地面沉降的时间、范围和幅度，都与流体压力减低的时间、范围和幅度相对应。 因此，在由粘性土层和砂层相互成层组成的平原地区，特别是在由淤泥或淤泥质粘士与砂土互层的滨海地区，抽取承压水都可能引起地面沉降。,三、地面沉陷的机理 抽取承压水、承压水位下降、空隙水压力下降、有效应力增加，岩土体压密（粘土层不可恢复） 从地层中抽取地下水，使得水压下降，引起地层压缩，从而出现

6、地面沉降，含水层的团结压缩量大大低于限制层的固结压缩量。 因此可以得出结论，限制层团结压缩是地面沉降的主要原因， 同时含水层压缩也可能有些影响。,第三节 地面塌陷,地面塌陷是松散土层中所产生的突发性断裂陷落，多发生于岩溶地区，在非岩溶地区也能见到。 地面塌陷是我国岩溶地区常见的一种灾害地质现象，多为人为因素破坏天然环境的稳定状态引起的。 地面塌陷危害很大，能够破坏农田、水利工程、交通线路.引起房屋破裂倒塌、地下管网断裂。 徐州市区新生街的一次大塌陷， 波及范围达南北长约190m ，东西宽约110m. 直接倒榻房屋224 间，经济损失高达3000万元。,地面塌陷的分布规律： （1）地面塌陷多分布

7、在断裂带及褶皱轴部。 （2）地面塌陷多分布于溶蚀洼地等地形低洼处。 （3） 地面塌陷多分布河床两侧。 （4）地面塌陷多分布在土层较薄的地方，土层越薄越越易塌陷。,第四节 滑坡,滑坡是岩、土边坡丧失原有稳定性. 一部分岩、土体对其下面岩、土体产生滑动。 地下水作用与滑坡的稳定性： 地下水对滑体的作用主要有两种：即地下水的物理化学作用和地下水的力学作用。 1、地下水对滑体的物理理化学作用 软化岩土，降低潜在滑动面的内摩擦角和内聚力，影响边接稳定；地下水位上升，边坡岩体重量增加，滑动力增大，滑体容易滑动；地下水流可能造成冲刷、潜蚀、管涌等的发生，对边坡稳定不利。,2 、地下水对滑坡的力学作用 地下水

8、的力学作用能改变构成岩、土体的环境应力：孔隙水压力和渗透压力。 当滑体相对不透水，潜滑面有地下水活动时，所形成的孔隙水压力可以致使边坡破坏。,第五节 水位水压变化对地基基础的有害作用,一、地下水位变化对地基土物理力学性质的影响 1、 地下水位上升的影响 （1） 地基土承载力降低。无论是砂性土或是粘性土地基，其承载力都具有随地下水上升而下降的必然性。 （2）地基土湿陷。在干旱、半干早地区的土处于干燥状态， 湿陷性黄土浸水后发生湿陷，引起地面塌陷、沉降。我国西北某市一教学楼竣工时，地下水位距基底10m 左右，施工时总沉降量为10 - 30rnm。不到一年后沉降即稳定，楼房投用后地下水位逐渐上升，数

9、年后水位距基底仅3m. 附加沉降量达300mm。,（3） 砂土地震液化加剧。地下水与砂土液化密切相关，没有水，也就没有所谓砂土的液化。经研究发现，随着地下水位上升， 砂土抗地震液化能力随之减弱。 （4）地基土冻胀。在寒冷地区，由于冻结作用，岩土中水分迁移并集中，形成冰夹层或冰椎等，造成地基土冻胀、地面隆起、桩台隆胀等。 （5） 地基土盐渍化。在干旱、半干旱平原地区，当潜在位上升接近地表时，由于强烈的蒸发浓缩作用，使盐分在上部土层聚集形成盐渍土，这不仅改变了土的物理力学性质，而且还改变了潜水的化学成分。 地下水矿化度增高，增强了土及地下水对基础和建筑物的腐蚀作用。,2 、地下水位下降的影响 当地

10、下水位升降变化只在地基基础底面以下较深的范围内发生时，地下水位下降对地基基础影响不大。,当地下水位在基础底面以下压缩层范围内下降时，土的自重应力增加，可能引起地基基础的附加沉降，如果土质不均匀或地下水突然下降，可能造成建筑物变形破坏。,二、地下水压力对地基基础的破坏作用,1、基坑突水 当基坑下伏有承压含水层时如果开挖后基坑底所留隔水层支持不住承压水压力的作用，隔水层将被顶裂， 发生冒水冒砂、淹水甚至毁坑事故。这一工程地质现象称为基坑突水。,2、潜水浮托力与基础抬起 在地下水位埋深浅的地区，通常果用人工降水的方法进行基础工程施工。在这种情况下基础施工完成后的维护期仍需继续进行排水，否则地下水位恢

11、复上升所产生的浮刀能使基础抬起。 3 、承压水压力与基础抬起 在一些地区，当承压含水层埋藏较浅且承压水压力较大时，地下构筑物可能破坏承压水压力与上覆地层压力的平衡关系，承压水压力可使基础抬起，导致房屋向上隆起变形甚至开裂。 在进行岩土工程勘察时，要重视对基础下伏第一个承压含水层的勘察工作，特别是要查清含水层的承压水压力，以便为基础设计和施工提供重要的依据。,第六节 地下水对地基土的渗流破坏,岩土工程活动可在小范围内改变地下水位。地下水位无论是上升或是下降均可以使局部的水位差增大，掺流作用增强。渗流作用可引起地基土的潜蚀、流砂和管涌的发生。 1、潜蚀在较高的渗透速度或水力梯度作用下，地下水流从孔

12、酿或裂隙中携出细小颗植的作用。 结果使土层孔隙连渐变大，甚至形成洞穴导致岩、土体结构松动或破坏，以致产生地表裂缝、崩陷、影响建筑工程的稳定。,分类机械潜蚀； 化学潜蚀。 机械潜蚀和化学溶蚀一般是同时进行的，且两者是相互影响相互促进的。 防止 改变渗透水流的水动力条件，使水流梯度小于临界水力梯度。措施有堵截地表水流入岩土层；阻止地下水在岩土层中流动；设反滤层；减小地下水的流速等。 改善岩土的性质，增强其抗渗能力。如爆炸、压密、打桩、化学加固处理等方法，可以增加岩土的密实度，降低岩土层的渗透性能。,2、流砂松散细颗控土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。流砂多发生在颗粒

13、级配均匀的粉、细砂等砂性土中，有时在粉土中亦会发生。其表现形式是所有颗挝同时从一近似于管状通道被串透革流冲走。 结果使基础发生滑移或不均匀下沉，基坑坍塌，基础悬浮等。,防止流砂对岩土工程危害很大， 所以在可以发生流砂的地区应尽量利用其上面的土层做天然地基，也可利用桩基穿透流沙层。总之， 应尽最避免水下大开挖施工。必须时，可以利用下列方法防止波砂： 人工降低地下水位，将地下水位降至可能产生流砂的地层以下，然后再开挖； 打板桩。一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗流途径，减小水力梯度和流速。 水下开挖。在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够的水头（可加水），尽量避免产生流砂的水

14、头差，增加基坑侧壁土体的稳定性。 其它方法。如冻结法、化学加固法、加重法、爆炸法等。,3、管涌地基土在具有某种渗透速度（或梯度）的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走， 岩土的孔除逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或土坝，使地基或斜坡变形、失稳。,产生条件 管涌多发生在非粘性土中。具体条件包括： 土由粗颗粒（粒径为D ）和细颗粒（粒径为d ）组成， 其D / d 10； 土的不均匀系数d60 /d10 10 ； 两种互相接触土层渗透系数之比K1 / K2 2 3 ； 渗透水流的水力梯度大于土的临界水力梯度时。 防止 在可能发生管涌的地层中修建挡水坝、挡土墙工程及进行基坑

15、排水工程时，为了防止流砂、管涌的发生，设计时必须控制地下在逸出处的水力梯度，使其小于容许水力梯度。 防止管涌发生最常用的方法与防止流砂的方法相同， 主要是控制渗流，降低水力梯度，设置保护层，打板桩等。,第七节 地下水对混凝土基础的侵蚀破坏作用,混凝土基础的强度很高，但一些具有侵蚀性的环境水能对其进行溶蚀破坏。这种对混凝土的破坏作用在一些地方甚为强烈， 因此，有人把其称为水泥“癌症” 。 混凝土遭受地下水侵蚀常见的破坏主要方式有：混凝土中某些组分被水溶解，或形成盐类结晶产生过大的体积膨胀。 环境水对混凝土侵蚀常见的类型有：碳酸侵蚀、酸性侵蚀、碱类侵蚀、盐类侵蚀、溶出侵蚀、海水侵蚀等。,1、碳酸侵

16、蚀 硅酸盐水泥遇水生成Ca（OH）2 。如地下在水含有CO2，它与Ca（OH）2作用生成碳酸钙沉淀: 上为可逆反应，当水中CO2的含量小于平衡所需数量时，反应向左方进行，生成CaCO3沉淀；当CO2的含量大于平衡所需数量时，反应向右方进行，则将使CaCO3溶解。 因此，当水中游离CO2含量超过平衡需要时，水中就含有一定数量的侵蚀性CO2 ，此时会对混凝土产生侵蚀作用。,2、酸性侵蚀 硅酸盐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盐，这些盐或易溶于水，或体积膨胀，使混凝土受到不同程度的破坏，如 使混凝土受到侵蚀作用的酸，可分为无机酸和有机酸两大类。无论何种酸都有一定的

17、侵蚀作用，特别是无机酸中的三大强酸(HCI 、H2SO4、HNO3)对混凝士的侵蚀最为严重。,3、碱类侵蚀 铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇强碱(如NaOH) 作用后会受到破坏。碱类侵蚀混凝土的主要表现为化学侵蚀和结晶侵蚀两种。 结晶侵蚀是由于喊溶液侵入混凝土孔隙中，在空气中的CO2的作用下，生成含有大量结晶水的碳酸钠晶体析出，体积比原来增加2.5倍，从而产生很大的结晶压力，引起混凝土结构的破坏，其化学反应过程如下：,4、溶出侵蚀 5、硫酸盐侵蚀 由反应的生成物可见，水化硫铝酸钙结合着很多的化合水，因而比原反应物体积增大很多，约为原体积的221. 86 %，于是在混凝土中产生很大的内应力,使混凝土破坏