岩土工程与地下水

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：①人工补给地下水源或为防止地面沉降，对含水层进行回灌；②农田灌溉水渗流；③园林绿化浇水渗漏；④水库蓄水池渗漏；⑤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；⑥地面输水沟渠渗漏；⑦地下输水管道渗漏；⑧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λ类工程活动有:①开采地下水；②矿山排水硫干；③采油工程抽水(水油混合体)；④沼泽地、盐碱地排水疏干；⑤横切地下水流向的钱型工程使下游水位下降；⑥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；⑦地下工程（商场、仓库、停车场等)排水疏于；⑧基坑工程降水；⑨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。第三节地地面面塌陷地面塌陷陷是松散散土层中中所产生生的突发发性断裂裂陷落，，多发生生于岩溶溶地区，，在非岩岩溶地区区也能见见到。地面塌陷陷是我国国岩溶地地区常见见的一种种灾害地地质现象象，多为为人为因因素破坏坏天然环环境的稳稳定状态态引起的的。地面塌陷陷危害很很大，能能够破坏坏农田、、水利工工程、交交通线路路.引起房屋屋破裂倒倒塌、地地下管网网断裂。。徐州市区区新生街街的一次次大塌陷陷，波波及范围围达南北北长约190m，东西宽宽约110m.直接倒榻榻房屋224间，经济济损失高高达3000万元。地面塌陷陷的分布布规律：：（1）地面塌塌陷多分分布在断断裂带及及褶皱轴轴部。（2）地面塌塌陷多分分布于溶溶蚀洼地地等地形形低洼处处。（3）地面面塌陷多多分布河河床两侧侧。（4）地面塌塌陷多分分布在土土层较薄薄的地方方，土层层越薄越越越易塌塌陷。第四节滑滑坡坡滑坡是岩岩、土边边坡丧失失原有稳稳定性.一部分岩岩、土体体对其下下面岩、、土体产产生滑动动。地下水作作用与滑滑坡的稳稳定性：：地下水对对滑体的的作用主主要有两两种：即即地下水水的物理理化学作作用和地地下水的的力学作作用。1、地下水水对滑体体的物理理理化学学作用①软化岩岩土，降降低潜在在滑动面面的内摩摩擦角和和内聚力力，影响响边接稳稳定；②②地下水水位上升升，边坡坡岩体重重量增加加，滑动动力增大大，滑体体容易滑滑动；③地下水流流可能造造成冲刷刷、潜蚀蚀、管涌涌等的发发生，对对边坡稳稳定不利利。2、地下水水对滑坡坡的力学学作用地下水的的力学作作用能改改变构成成岩、土土体的环环境应力力：孔隙水压压力和渗渗透压力力。当滑体相相对不透透水，潜潜滑面有有地下水水活动时时，所形形成的孔孔隙水压压力可以以致使边边坡破坏坏。第五节水水位位水压变变化对地地基基础础的有害害作用一、地下下水位变变化对地地基土物物理力学学性质的的影响1、地下下水位上上升的影影响（1）地基基土承载载力降低低。无论是砂砂性土或或是粘性性土地基基，其承承载力都都具有随随地下水水上升而而下降的的必然性性。（2）地基土土湿陷。。在干旱、、半干早早地区的的土处于于干燥状状态，湿湿陷性性黄土浸浸水后发发生湿陷陷，引起起地面塌塌陷、沉沉降。我国西北北某市一一教学楼楼竣工时时，地下下水位距距基底10m左右，施施工时总总沉降量量为10-30rnm。不到一一年后沉沉降即稳稳定，楼楼房投用用后地下下水位逐逐渐上升升，数年年后水位位距基底底仅3m.附加沉降降量达300mm。（3）砂土土地震液液化加剧剧。地下水与与砂土液液化密切切相关，，没有水水，也就就没有所所谓砂土土的液化化。经研研究发现现，随着着地下水水位上升升，砂砂土抗地地震液化化能力随随之减弱弱。（4）地基土土冻胀。。在寒冷地地区，由由于冻结结作用，，岩土中中水分迁迁移并集集中，形形成冰夹夹层或冰冰椎等，，造成地地基土冻冻胀、地地面隆起起、桩台台隆胀等等。（5）地基基土盐渍渍化。在干旱、、半干旱旱平原地地区，当当潜在位位上升接接近地表表时，由由于强烈烈的蒸发发浓缩作作用，使使盐分在在上部土土层聚集集形成盐盐渍土，，这不仅仅改变了了土的物物理力学学性质，，而且还还改变了了潜水的的化学成成分。地地下水水矿化度度增高，，增强了了土及地地下水对对基础和和建筑物物的腐蚀蚀作用。。2、地下水水位下降降的影响响当地下水水位升降降变化只只在地基基基础底底面以下下较深的的范围内内发生时时，地下下水位下下降对地地基基础础影响不不大。当地下水水位在基基础底面面以下压压缩层范范围内下下降时，，土的自自重应力力增加，，可能引引起地基基基础的的附加沉沉降，如如果土质质不均匀匀或地下下水突然然下降，，可能造造成建筑筑物变形形破坏。。二、地下下水压力力对地基基基础的的破坏作作用1、基坑突水当基坑下伏有有承压含水层层时如果开挖挖后基坑底所所留隔水层支支持不住承压压水压力的作作用，隔水层层将被顶裂，，发生冒水水冒砂、淹水水甚至毁坑事事故。这一工工程地质现象象称为基坑突突水。2、潜水浮托力力与基础抬起起在地下水位埋埋深浅的地区区，通常果用用人工降水的的方法进行基基础工程施工工。在这种情情况下基础施施工完成后的的维护期仍需需继续进行排排水，否则地地下水位恢复复上升所产生生的浮刀能使使基础抬起。。3、承压水压力力与基础抬起起在一些地区，，当承压含水水层埋藏较浅浅且承压水压压力较大时，，地下构筑物物可能破坏承承压水压力与与上覆地层压压力的平衡关关系，承压水水压力可使基基础抬起，导导致房屋向上上隆起变形甚甚至开裂。在进行岩土工工程勘察时，，要重视对基基础下伏第一一个承压含水水层的勘察工工作，特别是是要查清含水水层的承压水水压力，以便便为基础设计计和施工提供供重要的依据据。第六节地地下水对地基基土的渗流破破坏岩土工程活动动可在小范围围内改变地下下水位。地下下水位无论是是上升或是下下降均可以使使局部的水位位差增大，掺掺流作用增强强。渗流作用用可引起地基基土的潜蚀、、流砂和管涌涌的发生。1、潜蚀——在较高的渗透透速度或水力力梯度作用下下，地下水流流从孔酿或裂裂隙中携出细细小颗植的作作用。结果——使土层孔隙连连渐变大，甚甚至形成洞穴穴导致岩、土土体结构松动动或破坏，以以致产生地表表裂缝、崩陷陷、影响建筑筑工程的稳定定。分类——①机械潜蚀；；②化学潜蚀。机械潜蚀和化化学溶蚀一般般是同时进行行的，且两者者是相互影响响相互促进的的。防止——①改变渗透水水流的水动力力条件，使水水流梯度小于于临界水力梯梯度。措施有堵截地地表水流入岩岩土层；阻止止地下水在岩岩土层中流动动；设反滤层层；减小地下下水的流速等等。②改善岩土的性性质，增强其其抗渗能力。。如爆炸、压密密、打桩、化化学加固处理理等方法，可可以增加岩土土的密实度，，降低岩土层层的渗透性能能。2、流砂——松散细颗控土土被地下水饱饱和后，在动动水压力即水水头差的作用用下，产生的的悬浮流动现现象。流砂多多发生在颗粒粒级配均匀的的粉、细砂等等砂性土中，，有时在粉土土中亦会发生生。其表现形形式是所有颗颗挝同时从一一近似于管状状通道被串透透革流冲走。。结果——使基础发生滑滑移或不均匀匀下沉，基坑坑坍塌，基础础悬浮等。防止——流砂对岩土工工程危害很大大，所以在在可以发生流流砂的地区应应尽量利用其其上面的土层层做天然地基基，也可利用用桩基穿透流流沙层。总之之，应尽最最避免水下大大开挖施工。。必须时，可可以利用下列列方法防止波波砂：①人工降低地下下水位，将地地下水位降至至可能产生流流砂的地层以以下，然后再再开挖；②打板桩。一方方面是加固坑坑壁，另一方方面是改善地地下水的径流流条件，即增增长渗流途径径，减小水力力梯度和流速速。③水下开挖。在在基坑开挖期期间，使基坑坑中始终保持持足够的水头头（可加水）），尽量避免免产生流砂的的水头差，增增加基坑侧壁壁土体的稳定定性。④其它方法。如如冻结法、化化学加固法、、加重法、爆爆炸法等。3、管涌——地基土在具有有某种渗透速速度（或梯度）的渗渗透水流作用用下，其细小小颗粒被冲走走，岩土的的孔除逐渐增增大，慢慢形形成一种能穿穿越地基的细细管状渗流通通路，从而掏掏空地基或土土坝，使地基基或斜坡变形形、失稳。产生条件——管涌多发生在在非粘性土中中。具体条件件包括：①土由粗颗粒（（粒径为D）和细颗粒（（粒径为d）组成，其其D/d>10；②土的不均匀系系数d60/d10>10；③两种互相接接触土层渗透透系数之比K1/K2>2~3；④渗透水流的水水力梯度大于于土的临界水水力梯度时。。防止——在可能发生管管涌的地层中中修建挡水坝坝、挡土墙工工程及进行基基坑排水工程程时，为了防防止流砂、管管涌的发生，，设计时必须须控制地下在在逸出处的水水力梯度，使使其小于容许许水力梯度。。防止管涌发生生最常用的方方法与防止流流砂的方法相相同，主要要是控制渗流，降降低水力梯度度，设置保护护层，打板桩桩等。第七节地地下水对混凝凝土基础的侵侵蚀破坏作用用混凝土基础的的强度很高，，但一些具有有侵蚀性的环环境水能对其其进行溶蚀破破坏。这种对对混凝土的破破坏作用在一一些地方甚为为强烈，因因此，有人把把其称为水泥“癌症”。混凝土遭受地地下水侵蚀常常见的破坏主要方式式有：混凝土中某些些组分被水溶溶解，或形成成盐类结晶产产生过大的体体积膨胀。环境水对混凝凝土侵蚀常见见的类型有：：碳酸侵蚀、酸酸性侵蚀、碱碱类侵蚀、盐盐类侵蚀、溶溶出侵蚀、海海水侵蚀等。1、碳酸侵蚀硅酸盐水泥遇遇水生成Ca（OH）2。如地下在水水含有CO2，它与Ca（OH）2作用生成碳酸酸钙沉淀:上为可逆反应应，当水中CO2的含量小于平平衡所需数量量时，反应向向左方进行，，生成CaCO3沉淀；当CO2的含量大于平平衡所需数量量时，反应向向右方进行，，则将使CaCO3溶解。因此，当水中中游离CO2含量超过平衡衡需要时，水水中就含有一一定数量的侵侵蚀性CO2，此时会对混混凝土产生侵侵蚀作用。2、酸性侵蚀硅酸盐水泥硬硬化后生成大大量的喊性水水化物Ca（OH)2，在酸的作用用下中和生成成盐，这些盐盐或易溶于水水，或体积膨膨胀，使混凝凝土受到不同同程度的破坏坏，如使混凝土受到到侵蚀作用的的酸，可分为为无机酸和有有机酸两大类类。无论何种种酸都有一定定的侵蚀作用用，特别是无