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①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；②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；③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、地程下水压野力对地姓基基础股的破坏过作用1、基像坑突芦水当基坑挥下伏有箩承压含鸣水层时充如果开隐挖后基族坑底所赵留隔水蒜层支持仁不住承校压水压造力的作医用，隔索水层将查被顶裂喷，发趋生冒水禾冒砂、请淹水甚馆至毁坑伴事故。暮这一工保程地质滤现象称但为基坑核突水。2、潜是水浮紫托力阅与基党础抬畅起在地下市水位埋射深浅的岩地区，填通常果茄用人工销降水的肉方法进机行基础爪工程施忆工。在异这种情肉况下基孔础施工折完成后宰的维护危期仍需姨继续进蒙行排水先，否则弃地下水碎位恢复梯上升所辈产生的峰浮刀能损使基础蠢抬起。3、承压督水压力头与基础蛾抬起在一睛些地规区，掉当承焰压含诊水层主埋藏烛较浅渣且承豪压水减压力旺较大悔时，膨地下誉构筑味物可乔能破欲坏承谢压水忽压力刮与上冬覆地兆层压筹力的艺平衡断关系冤，承各压水姨压力塔可使沃基础刷抬起汇，导撒致房浑屋向尸上隆洽起变能形甚井至开县裂。在进女行岩貌土工笔程勘洽察时芒，要红重视灵对基尺础下柿伏第呆一个再承压素含水滔层的偷勘察掠工作稼，特茎别是焦要查输清含哈水层璃的承厕压水妖压力烂，以坛便为身基础俭设计惨和施茧工提泳供重馆要的啊依据获。第六革节骨地维下水给对地队基土直的渗涛流破穿坏岩土舟工程渠活动配可在尿小范弊围内赶改变贩地下偏水位肝。地渐下水守位无蓄论是叛上升返或是洁下降火均可下以使方局部因的水寨位差傻增大极，掺读流作是用增蛋强。东渗流碑作用疲可引垃起地充基土套的潜绣蚀、凑流砂刑和管触涌的哥发生书。1、潜泰蚀——在较高仰的渗透潜速度或绍水力梯教度作用跨下，地秘下水流采从孔酿谦或裂隙旺中携出莫细小颗污植的作许用。结果——使土擦层孔搅隙连拔渐变救大，脏甚至座形成螺洞穴塔导致捡岩、发土体佣结构毙松动预或破芝坏，井以致吹产生童地表怠裂缝渐、崩悔陷、鸟影响扫建筑焰工程锻的稳厚定。分类——①机受械潜厌蚀；②化学潜纸蚀。机械葱潜蚀却和化必学溶谁蚀一抄般是聋同时截进行因的，枝且两劫者是缩慧相互龟影响须相互蔑促进火的。防止——①改升变渗甘透水阅流的著水动挖力条袍件，予使水恨流梯宫度小塞于临歉界水槽力梯牌度。措施减有堵础截地莫表水牵流入逃岩土鹿层；浇阻止暮地下抵水在诞岩土资层中腊流动型；设亡反滤限层；精减小奇地下英水的念流速亿等。②改善兽岩土锈的性扑质，戚增强馅其抗暂渗能竹力。如爆炸帐、压密每、打桩什、化学顽加固处贡理等方蜘法，可咬以增加裤岩土的疫密实度吴，降低俘岩土层雀的渗透钉性能。2、流砂——松散俯细颗蛇控土辞被地缝下水番饱和南后，波在动你水压钻力即千水头西差的短作用死下，苍产生借的悬疗浮流罩动现顿象。耳流砂言多发依生在盈颗粒完级配张均匀痕的粉馋、细伪砂等暑砂性炊土中避，有阀时在样粉土扇中亦遇会发展生。慕其表枪现形摧式是温所有猛颗挝骑同时赵从一恋近似遍于管旅状通挎道被剩串透泊革流经冲走外。结果——使基础勾发生滑仇移或不坛均匀下卡沉，基播坑坍塌纪，基础宇悬浮等杜。防止——流砂巴对岩叨土工郊程危慎害很逆大，糊所韵以在沿可以鹿发生骗流砂串的地芦区应锦尽量牧利用罪其上毒面的逢土层徐做天炎然地嘴基，撑也可严利用科桩基泼穿透响流沙捧层。鸣总之侦，幻玉应尽勿最避冒免水拆下大疲开挖棋施工俘。必摘须时吃，可蠢以利兰用下问列方酬法防检止波帅砂：①人工烦降低宫地下殊水位凡，将存地下疼水位淘降至沫可能许产生必流砂理的地篇层以臂下，交然后锋再开累挖；②打板桩伞。一方废面是加挤固坑壁槐，另一抢方面是畜改善地蚂下水的现径流条何件，即闹增长渗概流途径府，减小钓水力梯大度和流真速。③水下逢开挖缝。在井基坑盾开挖架期间辨，使洽基坑衔中始永终保丙持足津够的推水头等（可匠加水栏），虹尽量挣避免眼产生鸭流砂拣的水改头差须，增兴加基申坑侧介壁土弊体的浪稳定薪性。④其它随方法梁。如钥冻结酬法、墙化学赚加固告法、丹加重直法、提爆炸卡法等毅。3、管刃涌——地基搁土在成具有鼻某种滨渗透安速度（或梯薪度）泡的渗宋透水首流作绢用下半，其朵细小垦颗粒五被冲忆走，算岩便土的灭孔除茂逐渐织增大菊，慢秋慢形苗成一旨种能茎穿越险地基汗的细谨管状蕉渗流逝通路铲，从拦而掏咱空地惭基或塞土坝臭，使狸地基举或斜蜜坡变卷形、图失稳屡。产生律条件——管涌多属发生在赛非粘性题土中。付具体条翁件包括闸：①土由粗法颗粒（姑粒径为D）和贱细颗夸粒（槐粒径蹄为d）组胡成，别其D/呜d渠>1许0；②土的不欢均匀系炊数d60/d10>茧10；③两填种互怪相接嫂触土涛层渗旺透系究数之竭比K1/K2>件2傻~3；④渗透童水流半的水粗力梯右度大惭于土脑的临译界水语力梯旧度时膜。防止——在可换能发圣生管泥涌的嫂地层说中修火建挡医水坝执、挡理土墙霉工程将及进叉行基汉坑排听水工载程时申，为膜了防显止流窃砂、判管涌据的发占生，挡设计神时必搭须控绢制地颗下在刑逸出缓处的惨水力咽梯度伴，使丙其小埋于容库许水心力梯真度。防止悼管涌惯发生报最常线用的吹方法礼与防葛止流贪砂的第方法傻相同粘，盐主要殿是控制储渗流辽，降水低水亲力梯色度，吹设置番保护副层，陕打板讽桩等协。第七仅节虚地迈下水愿对混要凝土督基础趴的侵厉蚀破肢坏作倍用混凝询土基肺础的夕强度凯很高丸，但失一些目具有疑侵蚀妈性的稍环境骂水能撤对其档进行驴溶蚀椅破坏队。这灿种对欧混凝合土的取破坏剪作用绑在一敏些地趴方甚挡为强否烈，育因斥此，医有人户把其奏称为水泥“癌症”。混凝土然遭受地肢下水侵藏蚀常见库的破坏主肉要方式有：混凝币土中套某些害组分吨被水港溶解岸，或绕形成状盐类包结晶嫩产生适过大只的体螺积膨普胀。环境水萝对混凝远土侵蚀法常见的洲类型有毫：碳酸侵晕蚀、酸吵性侵蚀遗、碱类拆侵蚀、陆盐类侵牧蚀、溶荒出侵蚀滤、海水讽侵蚀等。1、碳酸林侵蚀硅酸盐截水泥遇尽水生成Ca（OH）2。如微地下用在水拖含有CO2，它芬与Ca（OH）2作用生镜成碳酸耍钙沉淀:上为突可逆鸟反应访，当智水中CO2的含绳量小术于平朋衡所苦需数达量时窃，反呆应向庭左方员进行早，生靠成Ca风CO3沉淀；健当CO2的含院量大怠于平是衡所浪需数垂量时迅，反蓝应向减右方合进行妨，则具将使CaC著O3溶解鹿。因此拼，当您水中墓游离CO2含量旧超过诸平衡胜需要研时，庄水中恰就含义有一竞定数镰量的躬侵蚀彩性CO2，此秋时会武对混术凝土饭产生利侵蚀因作用编。2、酸性哀侵蚀硅酸盐喇水泥硬膊化后生弦成大量势的喊性错水化物Ca（OH)2，在熟酸的脾作用书下中拣和生巧成盐服，这脱些盐馋或易侍溶于甜水，湖或体室积膨旦胀，料使混德凝土续受到沾不同巡寿程度殿的破躺坏，涛如使混凝路土受到回侵蚀作决用的酸秋，可分捕为无机腔酸和有闲机酸两宜大类。屡无论何那种酸都坏有一定棚的侵蚀型作用，埋特别是恼无机酸参中的三供大强酸(H略CI、H2SO4、HNO3)对混凝宴士的侵攀蚀最为怀严重。3、碱类喂侵蚀铝酸盐绕含量较治高的硅从酸盐水渴泥遇强伪碱(如NaO相H)作用后蝴会受到奴破坏。罚碱类侵尿蚀混凝撕土的主少要表现并为化学擦侵蚀和董结晶侵偏蚀两种订。结晶筒侵蚀胸是由强于喊抽溶液烫侵入断混凝质土孔派隙中割，在纺空气青中的CO2的作用铅下，