地下水對建筑工程的影響.doc

地下水對建筑工程的影響Influence of ground water on construction projects【作者】：郭浩飛，土木工程系1545班，學(xué)號：201515503028；【Author】：GuoHaofei；【摘要】:地下水的變化能對建筑地基工程產(chǎn)生不良的影響。因此,必須認(rèn)真對待,做好地下水的監(jiān)測和防護(hù)工作。主要表現(xiàn)是地下水水位變化可能導(dǎo)致現(xiàn)有建筑物基礎(chǔ)出現(xiàn)開裂或者破壞，地下水賦存運(yùn)動影響樁基工程的承載力，基礎(chǔ)底面下的地下水水位突然下降影響相鄰建筑物的正常使用。要減小地下水對建筑物的影響，就應(yīng)當(dāng)重視地下透水層水文地質(zhì)狀況的測定和判斷?！続bstrate】Changes of groundwater can have an adverse effect on construction foundation engineering. Therefore, must be taken seriously, ground water monitoring and protection work. Mainly groundwater level variation may result in an existing building Foundation with a cracked or damaged, groundwater movement in the bearing capacity of pile foundation engineering, under the bottom surface of the base adjacent to the sudden decline in groundwater levels affect the normal use of the building. To reduce the effect of groundwater on the building, they should pay attention to the underground permeable and judge for determination of hydro-geological conditions.【關(guān)鍵詞】:地下水;地質(zhì)作用;【Keywords】Groundwater;Geologicprocess;1、前言地下水是地質(zhì)體賦存環(huán)境-水資源的重要組成部分,也是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)和城市建設(shè)的重要水源之一，也是影響地質(zhì)工程穩(wěn)定性的重要條件。地質(zhì)體內(nèi)的地下水可以由于開挖而涌出或突出;也可以由于人類活動而向地質(zhì)體內(nèi)充水,增加濕度,提高地下水水位,所有這些都可以引起地質(zhì)災(zāi)害。而在自然地質(zhì)災(zāi)害形成中,地下水也是重要的誘發(fā)因素之一,70%80%的地質(zhì)災(zāi)害的形成都與地下水有關(guān)。因此在地質(zhì)工程設(shè)計或地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)計中都必需慎重地考慮地下水這個因素。在建筑工程的質(zhì)量安全事故中，地基事故往往占到較大比例，一旦出現(xiàn)這類情況，不僅會導(dǎo)致建筑物的傾斜或者裂縫，直接影響到建筑物的正常使用，甚至?xí)斐山ㄖ锏牡顾蛉藛T死亡。究其原因，就是施工中忽略了建筑場地的具體水文地質(zhì)狀況，或者是對地下水對建筑工程所產(chǎn)生的影響認(rèn)識不足，所以探討和研究地下水文地質(zhì)狀況對建筑物的影響有著重要的意義。2、地下水對建筑工程的影響當(dāng)建筑物場內(nèi)有地下水存在時,地下水的水位變化及其腐蝕性和滲流破壞等不良地質(zhì)作用,對工程的穩(wěn)定性、施工及正常使用都能產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響,必須予以重視。2.1地面沉降：（由于地下水位下降引起的地面沉降）全國有近70個城市因不合理開采地下水誘發(fā)了地面沉降，沉降范圍6.4萬平方千米，沉降中心最大沉降量超過2m的有上海、天津、太原、西安、蘇州、無錫、常州等城市，天津塘沽的沉降量居然達(dá)到3.1m。西安、大同、蘇州、無錫、常州等市的地面沉降同時伴有地裂縫。發(fā)生地裂縫的地區(qū)還有河北、山東、云南、廣東、海南等地。地面沉降以及地裂縫，對城市基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因其引起垂直移動以及向沉降中心的水平移動，使建筑物基礎(chǔ)、橋墩錯動，鐵路和管道扭曲拉斷等現(xiàn)象不斷發(fā)生，給地面沉降影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物、市政道路、上下水管道、煤氣熱力管道、電力通訊管線等都帶來極大危害；不得不引起人們高度重視，這也只是國內(nèi)僅有的問題，國外沿海軟土地區(qū)也存在這種現(xiàn)象，這是一個全球性的環(huán)境工程地質(zhì)問題。通過國內(nèi)外同行多年的監(jiān)測、分析和研究，控制方法：合理開采地下水；對已開發(fā)的地區(qū)，對含水層進(jìn)行回灌。2.2地面塌陷：（巖溶地區(qū)人為局部改變地下水位引起的）地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動力地質(zhì)現(xiàn)象。其類型可分為巖溶塌陷和非巖溶塌陷。巖溶塌陷是由于可溶巖（以碳酸巖為主，其次有石膏、巖鹽等）中存在的巖溶洞隙而產(chǎn)生的。在可溶巖上有松散土層覆蓋的覆蓋巖溶區(qū)，塌陷主要產(chǎn)生在土層中，稱為“土層塌陷”，其發(fā)育數(shù)量最多、分布最廣；當(dāng)組成洞隙頂板的各類巖石較破碎時，也可發(fā)生頂板陷落的“基巖塌陷”。據(jù)統(tǒng)計，全國巖溶塌陷總數(shù)達(dá)2841處，塌陷坑33192個，塌陷面積約332平方公里，造成年經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.2億元以上。由于非巖溶洞穴產(chǎn)生的塌陷，如采空塌陷，黃土地區(qū)黃土陷穴引起的塌陷，玄武巖地區(qū)其通道頂板產(chǎn)生的塌陷等。后兩者分布較局限。采空塌陷指煤礦及金屬礦山的地下采空區(qū)頂板易落塌陷，在我國分布較廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，在全國21個省區(qū)內(nèi)，共發(fā)生采空塌陷182處以上，塌坑超過1592個，塌陷面積大于1150平方公里，年經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.17億元。2.3地下水的水位變化對建筑工程的影響從地基與基礎(chǔ)這一角度來說,地下水位的變化能引起不良的后果。當(dāng)?shù)叵滤坏纳抵辉诨A(chǔ)底面以上某一范圍內(nèi)變化時,影響不大。若地下水位在基礎(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)發(fā)生變化,情況就不同了。若水位上升,水浸濕和軟化巖土,從而使地基土的強(qiáng)度降低,壓縮性增大。尤其是對結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的巖土(如濕陷性土、膨脹性巖土、鹽漬土等),這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重,能導(dǎo)致建筑物的嚴(yán)重變形或破壞。對于沒有地下室的建筑或地下建筑工程,對其防潮、防濕均不利。若地下水在壓縮層范圍內(nèi)下降,則增 1加土的自重應(yīng)力,引起基礎(chǔ)的附加沉降。如果地基土質(zhì)不均勻,或地下水位的下降不是在整個建筑物下面均勻而緩慢地進(jìn)行,基礎(chǔ)就會產(chǎn)生不均勻沉降。此外,膨脹土及粘土等失水會發(fā)生收縮,能使建筑物變形或破壞。地下水對地下結(jié)構(gòu)物有浮托作用,在不利的荷載情況下(例如鋼筋混凝土水池空池時),地下水位的突然上升(例如降大雨)可能引起結(jié)構(gòu)物的上浮或破壞。地下水位的變化還可直接影響到河谷階地,岸坡或邊坡巖土體的穩(wěn)定。河水上漲時,地下水位升高,巖土被軟化而抗剪強(qiáng)度降低;河水下落時,水沿岸坡滲出,產(chǎn)生動水力,成為巖土不穩(wěn)定的條件之一。甚至形成滑坡。因此,應(yīng)事先了解地下水變化的影響。2.4地下水對建筑工程施工的影響地下水是影響建筑工程安全穩(wěn)定性的最活躍因素之一。地下水對建筑工程的作用有以下特點(diǎn):(1)周期性、多變性、長期性。(2)直接作用和間接作用。(3)瞬時作用和緩慢作用。(4)參與作用的地下水類型的復(fù)雜性和研究的廣泛性。建筑工程施工,為維護(hù)工程場地穩(wěn)定性采取截斷滲流和防止地下水危害的排水措施,以及基礎(chǔ)工程為保證正常施工而采取的降水措施,都是針對地下水的作用而進(jìn)行的。施工排水與降水方法的選取及其實(shí)效,直接影響施工速度和質(zhì)量。在各類軟土分布區(qū),因降水十分困難(空隙細(xì)小且富含結(jié)晶水)不得不采取特殊方法(如電滲析法)而使造價提高。與此同時,還可能出現(xiàn)以下不良作用:(1)強(qiáng)侵蝕性地下水及環(huán)境水滲入,對施工管材和基礎(chǔ)產(chǎn)生侵蝕、 3腐蝕作用。(2)因排水導(dǎo)致地下水動力條件改變,促使細(xì)顆粒地基土形成流砂。(3)深開挖時下伏承壓水可能產(chǎn)生突涌。(4)施工降水可導(dǎo)致毗鄰自然邊坡或人工邊坡失穩(wěn)。(5)排水引至場外任意流失滲漏,可成為鄰區(qū)地基變形新隱患。以基坑工程為例。2.4.1地下水對基坑開挖造成的影響地下水可能造成的影響(以排樁加錨桿為例):(1)在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,無論采取何種計算方法,地下水的存在和狀態(tài)都會影響水平荷載的取值大小。從而可能直接造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效或過大的位移。(2)地下水可能引起錨桿或周圍土體之間握裹力的降低從而降低抗拔力。(3)地下水的存在可能造成施工的困難,常常會使支護(hù)結(jié)構(gòu)在嵌固深度不足條件下工作。(4)地下水的存在可能降低支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性。(5)地下水控制不當(dāng),可能造成潛蝕,嚴(yán)重時威脅體系的整體穩(wěn)定性。(6)對于槽底土質(zhì)為粉土或砂土?xí)r,可能造成基地的管涌或基坑隆起失效。(7)由于施工降水失當(dāng),造成基坑側(cè)面變形過大,引起臨近建筑、道路或地下設(shè)施的破壞。2.4.2基坑的降水方案當(dāng)?shù)叵滤绊懟邮┕r,應(yīng)采取人工降低地下水或隔水措施。降水、隔水方案應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料、基坑開挖深度、支護(hù)方式及降水影響區(qū)域內(nèi)的建筑物、管線對降水反應(yīng)的敏感程度等因素確定。當(dāng)采用降水方案時,為減少對工程本身的不利影響,井點(diǎn)施工必須執(zhí)行現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)地基和基礎(chǔ)工程施工及驗收規(guī)范的規(guī)定,嚴(yán)格控制出水的含泥量。2.5地下水的腐蝕性當(dāng)?shù)叵滤械哪承┗瘜W(xué)成分含量過高時,水對建筑材料有腐蝕性。地下水對建筑材料的腐蝕類型分為3種:(1)結(jié)晶類腐蝕如果地下水中SO4生成二水石膏結(jié)晶體CaSO42H2O,這種石膏再與水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成水化硫鋁酸鈣,這是一種鋁和鈣的復(fù)合硫酸鹽,習(xí)慣上稱為水泥桿菌。由于水泥桿菌結(jié)合了許多的結(jié)晶水,因而其體積比化合前增大很多,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,使混凝土的結(jié)構(gòu)遭受破壞。(2)分解類腐蝕地下水中含有CO2和HCO3,CO2與混凝土中的Ca(OH)2作用,生成碳酸鈣沉淀。當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過一定數(shù)值,再與碳酸鈣反應(yīng),生成重碳酸鈣并溶于水,即:CaCO3+H2O+CO2=Ca2HCO3。所以地下水中腐蝕性的CO2愈多,對混凝土的腐蝕愈強(qiáng)。地下水流量、流速都很大時,CO2易補(bǔ)充,平衡難以建立,因而腐蝕加快。另一方面,HCO3離子含量愈高,對混凝土腐蝕愈強(qiáng)。(3)結(jié)晶分解復(fù)合腐蝕當(dāng)?shù)叵滤蠳H4,NO3,Cl和Mg離子的含量超過一定數(shù)量時,與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng),生成Mg(OH)2不易溶解;CaCl2則易溶于水,并隨之流失;硬石膏CaSO4一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水泥桿菌;另一方面,硬石膏遇水后生成二水石膏;二水石膏在結(jié)晶時,體積膨脹,破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。綜上所述,地下水對混凝土建筑物的腐蝕是一項復(fù)雜的物理化學(xué)過程,在一定的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下,對建筑材料的耐久性影響很大。當(dāng)有足夠經(jīng)驗或充分資料認(rèn)定工程場地及其附近的地下水(或地表水)和土對建筑材料無腐蝕性時,可不取樣進(jìn)行試驗。否則,應(yīng)取水或土試樣進(jìn)行實(shí)驗,評定其對建筑材料的腐蝕性。2.6動水力及滲流破壞形式滲流破壞系指土(巖)體在地下水滲流的作用下其顆粒發(fā)生移動,或顆粒成分及土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的現(xiàn)象。它與地下水的動水力密切相關(guān)。主要形式有潛蝕和流砂(土),以及介于兩者之間的過渡型。(1)潛蝕潛蝕有機(jī)械和化學(xué)兩種形式。機(jī)械潛蝕是指地質(zhì)體中顆粒材料被地下水沖走,形成穴洞現(xiàn)象;化學(xué)潛蝕是指地質(zhì)體中可溶物質(zhì)在水的酸堿度作用下被溶蝕,使地質(zhì)體的顆粒間聯(lián)結(jié)力削弱、破壞,導(dǎo)致巖體疏松,強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致工程破壞?；瘜W(xué)潛蝕又有兩種類型,一種是可溶性鹽類礦物在酸性水作用下溶解,在這種環(huán)境水里混凝土可以變成豆腐渣一樣;另一種是游離的硅、鐵、鋁氧化物在地下水中堿度pH=9的情況下,亦可游離成溶膠或凝膠,使地質(zhì)體的膠結(jié)作用削弱。潛蝕產(chǎn)生的條件主要有:不均勻系數(shù)大于10時,極易產(chǎn)生潛蝕;兩種互相接觸的地質(zhì)體,其滲透系數(shù)之比k1/k22時易產(chǎn)生潛蝕;當(dāng)?shù)叵滤疂B透水流的水力坡度大于臨界水力坡度時,易產(chǎn)生潛蝕。防止機(jī)械潛蝕作用的措施主要有兩種,一種是改善滲透水的水力條件,使水力坡度小于臨界水力坡度,如打板樁;另一種是改善地質(zhì)材料條件,增加其抗沖能力,如在滲流溢出部位鋪設(shè)反濾層。對化學(xué)潛蝕最好是隔斷這種水源,或采用抗腐蝕材料作建筑材料。(2)流砂(土)流砂(土)能造成大量的土體流動,致使地基破壞,地表塌陷,并常給基礎(chǔ)施工帶來很大的困難。滲流破壞不僅能在建筑物基坑開挖中發(fā)生,而且能在有地下水溢出的邊坡或地面出現(xiàn)。管涌破壞有一個發(fā)展的過程,而流砂(土)破壞是突然發(fā)生的。流砂現(xiàn)象的發(fā)生不僅取決于滲透水流動水力的大小,同時與土的顆粒級配、密度及透水性相關(guān)。上海地區(qū)的經(jīng)驗表明流砂現(xiàn)象多發(fā)生在下列特征的土層中:土的顆粒組成中,粘粒含量小于10%,粉粒、砂粒含量大于75%;土的不均勻系數(shù)小于5;土的含水量大于30%;土的孔隙率大于43%(孔隙比大于0.75);粘性土中有砂層時,其層厚大于25cm。國外文獻(xiàn)資料也有類似的標(biāo)準(zhǔn),即:孔隙比大于0.750.80,有效粒徑小于0.1mm及不均勻系數(shù)小于5的細(xì)砂最易發(fā)生流砂現(xiàn)象。流砂現(xiàn)象的防治原則是:減少或消除水頭差,增長滲流路徑,如在基坑四周打板樁或設(shè)置地下連續(xù)墻。在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流水;土層加固處理,如凍結(jié)法、注漿法等。2.7基坑突涌對建筑工程地基的影響建筑物基坑下有承壓水存在,開挖基坑減少底部隔水層的厚度,當(dāng)隔水層較薄時,承壓水的水頭壓力會沖破基坑底板,形成突涌現(xiàn)象。突涌產(chǎn)生后,基坑沖毀,地基被破壞。故當(dāng)基坑底部與承壓水含水層相距很近時,應(yīng)確定足以防止基坑被水沖破的最小隔水層厚度。當(dāng)工程施工需要開挖基坑后的坑底隔水層的厚度小于安全厚度時,為防止基坑突涌,必須對承壓水層進(jìn)行預(yù)先排水,以降低承壓水頭壓力。對于突涌問題,經(jīng)過系統(tǒng)的研究和實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢面理論在分析解決突涌問題方面可以提供系統(tǒng)的思路和理論指導(dǎo)。地下水突涌優(yōu)勢面理論是以優(yōu)勢結(jié)構(gòu)控制論和突涌發(fā)展系統(tǒng)論為核心的。優(yōu)勢層及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的組合,使突涌危險性的評價更可靠,使施工更科學(xué)。而對于突涌問題,臺灣某公司采取澆灌熱瀝青的方法防止突涌。2.8地下水的凍脹作用對建筑工程的影響在嚴(yán)寒地區(qū),當(dāng)建筑物地基內(nèi)埋藏有地下水時,水分往往因凍脹作