巖土工程與地下水課件

第一節(jié)引起地下水環(huán)境變化的因素第二節(jié)地面沉降第三節(jié)地而塌陷第四節(jié)滑坡第五節(jié)水位水壓變化對地基基礎(chǔ)的有害作用第六節(jié)地下水對地基土的滲流破壞第七節(jié)地下水對混凝土基礎(chǔ)的侵蝕破壞作用巖土工程與地下水世界上任何巖土工程都建在巖石圈上即建在巖土體上。巖土體是與大氣圈、水圈、生物圈高緊密聯(lián)系的地質(zhì)體，而不是孤立的材料體。地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中最容易發(fā)生變化的是地下水。地下水位的變化能引起整個地質(zhì)環(huán)境的變化。據(jù)統(tǒng)計，67%的建筑物被破壞是由于地下水位局部變化引起的，甚至諸如城市輸水管道破損滲漏也能破壞地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性，導(dǎo)致建筑物遭受破壞。巖土工程應(yīng)重視地下水工作。第一節(jié)引起地下水環(huán)境變化的因素引起地下水位變化的因素可分為3類：

自然因素、溫室效應(yīng)、人類工程活動人類工程活動：人類工程活動是指人類為提高生存質(zhì)量，對自然環(huán)境進行改造、利用的各種工程活動的總稱。人類工程活動已成為改造地質(zhì)環(huán)境的強大力量，它改變地下水的賦存環(huán)境，危害巖土工程。1.引起地下水位上升的人類工程活動：在城市地區(qū)將水引入地質(zhì)環(huán)境造成地下水位上升的人類工程活動有：①人工補給地下水源或為防止地面沉降，對含水層進行回灌；②農(nóng)田灌溉水滲流；③園林綠化澆水滲漏；④水庫蓄水池滲漏；⑤橫切地下水流向的線型工程(如地鐵、隧道、人防工程等)的上方地下壅水；⑥地面輸水溝渠滲漏；⑦地下輸水管道滲漏；⑧冷庫地下凝結(jié)水聚集。2.引起地下水位下降的人類工程活動:在城市地區(qū)引起地下水位下降的λ類工程活動有:①開采地下水；②礦山排水硫干；③采油工程抽水(水油混合體)；④沼澤地、鹽堿地排水疏干；⑤橫切地下水流向的錢型工程使下游水位下降；⑥城市地下排水管網(wǎng)排水、建筑物和瀝青水泥鋪面減少降水入滲；⑦地下工程（商場、倉庫、停車場等)排水疏于；⑧基坑工程降水；⑨地下水面下排水管斷裂排水等。第二節(jié)地面沉降本節(jié)敘述的地面沉降主要是指由于抽汲液體(以地下水為主，也包括油、氣)所引起的區(qū)域性地面沉降，沉降面積一般都在100km2以上。其它非抽汲地下水、油和氣所引起的地面沉降，如構(gòu)造活動所造成的地殼沉降，海平面上升造成的地面相對下降等不屬于本節(jié)研究的范圍。二、地面沉降地區(qū)的特點（1）沉降都發(fā)生于從地層中抽取一定量的流體(石油或地下水)之后。（2）流體在地層中都處于相對封閉條件之下，井具有相當(dāng)高的壓力，抽取流體后，壓力降低。（3）發(fā)生地面沉降的地層都很新，一般不早于第三紀(jì)，即發(fā)生于未很好固結(jié)的地層中。（4）發(fā)生地面沉降的時間、范圍和幅度，都與流體壓力減低的時間、范圍和幅度相對應(yīng)。因此，在由粘性土層和砂層相互成層組成的平原地區(qū)，特別是在由淤泥或淤泥質(zhì)粘士與砂土互層的濱海地區(qū)，抽取承壓水都可能引起地面沉降。三、地面沉陷的機理抽取承壓水、承壓水位下降、空隙水壓力下降、有效應(yīng)力增加，巖土體壓密（粘土層不可恢復(fù)）從地層中抽取地下水，使得水壓下降，引起地層壓縮，從而出現(xiàn)地面沉降，含水層的團結(jié)壓縮量大大低于限制層的固結(jié)壓縮量。因此可以得出結(jié)論，限制層團結(jié)壓縮是地面沉降的主要原因，同時含水層壓縮也可能有些影響。第三節(jié)地面塌陷地面塌陷是松散土層中所產(chǎn)生的突發(fā)性斷裂陷落，多發(fā)生于巖溶地區(qū)，在非巖溶地區(qū)也能見到。地面塌陷是我國巖溶地區(qū)常見的一種災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象，多為人為因素破壞天然環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)引起的。地面塌陷危害很大，能夠破壞農(nóng)田、水利工程、交通線路.引起房屋破裂倒塌、地下管網(wǎng)斷裂。徐州市區(qū)新生街的一次大塌陷，波及范圍達南北長約190m，東西寬約110m.直接倒榻房屋224間，經(jīng)濟損失高達3000萬元。第四節(jié)滑坡滑坡是巖、土邊坡喪失原有穩(wěn)定性.一部分巖、土體對其下面巖、土體產(chǎn)生滑動。地下水作用與滑坡的穩(wěn)定性：地下水對滑體的作用主要有兩種：即地下水的物理化學(xué)作用和地下水的力學(xué)作用。1、地下水對滑體的物理理化學(xué)作用①軟化巖土，降低潛在滑動面的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，影響邊接穩(wěn)定；②地下水位上升，邊坡巖體重量增加，滑動力增大，滑體容易滑動；③地下水流可能造成沖刷、潛蝕、管涌等的發(fā)生，對邊坡穩(wěn)定不利。2、地下水對滑坡的力學(xué)作用地下水的力學(xué)作用能改變構(gòu)成巖、土體的環(huán)境應(yīng)力：孔隙水壓力和滲透壓力。當(dāng)滑體相對不透水，潛滑面有地下水活動時，所形成的孔隙水壓力可以致使邊坡破壞。第五節(jié)水位水壓變化對地基基礎(chǔ)的有害作用一、地下水位變化對地基土物理力學(xué)性質(zhì)的影響1、地下水位上升的影響（1）地基土承載力降低。無論是砂性土或是粘性土地基，其承載力都具有隨地下水上升而下降的必然性。（2）地基土濕陷。在干旱、半干早地區(qū)的土處于干燥狀態(tài)，濕陷性黃土浸水后發(fā)生濕陷，引起地面塌陷、沉降。我國西北某市一教學(xué)樓竣工時，地下水位距基底10m左右，施工時總沉降量為10-30rnm。不到一年后沉降即穩(wěn)定，樓房投用后地下水位逐漸上升，數(shù)年后水位距基底僅3m.附加沉降量達300mm。2、地下水位下降的影響當(dāng)?shù)叵滤簧底兓辉诘鼗A(chǔ)底面以下較深的范圍內(nèi)發(fā)生時，地下水位下降對地基基礎(chǔ)影響不大。當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)下降時，土的自重應(yīng)力增加，可能引起地基基礎(chǔ)的附加沉降，如果土質(zhì)不均勻或地下水突然下降，可能造成建筑物變形破壞。二、地下水壓力對地基基礎(chǔ)的破壞作用1、基坑突水當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時如果開挖后基坑底所留隔水層支持不住承壓水壓力的作用，隔水層將被頂裂，發(fā)生冒水冒砂、淹水甚至毀坑事故。這一工程地質(zhì)現(xiàn)象稱為基坑突水。2、潛水浮托力與基礎(chǔ)抬起在地下水位埋深淺的地區(qū)，通常果用人工降水的方法進行基礎(chǔ)工程施工。在這種情況下基礎(chǔ)施工完成后的維護期仍需繼續(xù)進行排水，否則地下水位恢復(fù)上升所產(chǎn)生的浮刀能使基礎(chǔ)抬起。3、承壓水壓力與基礎(chǔ)抬起在一些地區(qū)，當(dāng)承壓含水層埋藏較淺且承壓水壓力較大時，地下構(gòu)筑物可能破壞承壓水壓力與上覆地層壓力的平衡關(guān)系，承壓水壓力可使基礎(chǔ)抬起，導(dǎo)致房屋向上隆起變形甚至開裂。

在進行巖土工程勘察時，要重視對基礎(chǔ)下伏第一個承壓含水層的勘察工作，特別是要查清含水層的承壓水壓力，以便為基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供重要的依據(jù)。分類——①機械潛蝕；②化學(xué)潛蝕。機械潛蝕和化學(xué)溶蝕一般是同時進行的，且兩者是相互影響相互促進的。防止——①改變滲透水流的水動力條件，使水流梯度小于臨界水力梯度。措施有堵截地表水流入巖土層；阻止地下水在巖土層中流動；設(shè)反濾層；減小地下水的流速等。

②改善巖土的性質(zhì)，增強其抗?jié)B能力。如爆炸、壓密、打樁、化學(xué)加固處理等方法，可以增加巖土的密實度，降低巖土層的滲透性能。2、流砂——松散細顆控土被地下水飽和后，在動水壓力即水頭差的作用下，產(chǎn)生的懸浮流動現(xiàn)象。流砂多發(fā)生在顆粒級配均勻的粉、細砂等砂性土中，有時在粉土中亦會發(fā)生。其表現(xiàn)形式是所有顆撾同時從一近似于管狀通道被串透革流沖走。結(jié)果——使基礎(chǔ)發(fā)生滑移或不均勻下沉，基坑坍塌，基礎(chǔ)懸浮等。防止——流砂對巖土工程危害很大，所以在可以發(fā)生流砂的地區(qū)應(yīng)盡量利用其上面的土層做天然地基，也可利用樁基穿透流沙層。總之，應(yīng)盡最避免水下大開挖施工。必須時，可以利用下列方法防止波砂：①人工降低地下水位，將地下水位降至可能產(chǎn)生流砂的地層以下，然后再開挖；②打板樁。一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的徑流條件，即增長滲流途徑，減小水力梯度和流速。③水下開挖。在基坑開挖期間，使基坑中始終保持足夠的水頭（可加水），盡量避免產(chǎn)生流砂的水頭差，增加基坑側(cè)壁土體的穩(wěn)定性。④其它方法。如凍結(jié)法、化學(xué)加固法、加重法、爆炸法等。產(chǎn)生條件——管涌多發(fā)生在非粘性土中。具體條件包括：

①土由粗顆粒（粒徑為D）和細顆粒（粒徑為d）組成，其D/d>10；②土的不均勻系數(shù)d60/d10>10；③兩種互相接觸土層滲透系數(shù)之比K1/K2>2~3；

④滲透水流的水力梯度大于土的臨界水力梯度時。防止——在可能發(fā)生管涌的地層中修建擋水壩、擋土墻工程及進行基坑排水工程時，為了防止流砂、管涌的發(fā)生，設(shè)計時必須控制地下在逸出處的水力梯度，使其小于容許水力梯度。防止管涌發(fā)生最常用的方法與防止流砂的方法相同，主要是控制滲流，降低水力梯度，設(shè)置保護層，打板樁等。第七節(jié)地下水對混凝土基礎(chǔ)的侵蝕破壞作用混凝土基礎(chǔ)的強度很高，但一些具有侵蝕性的環(huán)境水能對其進行溶蝕破壞。這種對混凝土的破壞作用在一些地方甚為強烈，因此，有人把其稱為水泥“癌癥”。混凝土遭受地下水侵蝕常見的破壞主要方式有：混凝土中某些組分被水溶解，或形成鹽類結(jié)晶產(chǎn)生過大的體積膨脹。環(huán)境水對混凝土侵蝕常見的類型有：碳酸侵蝕、酸性侵蝕、堿類侵蝕、鹽類侵蝕、溶出侵蝕、海水侵蝕等。3、堿類侵蝕鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇強堿(如NaOH)作用后會受到破壞。堿類侵蝕混凝土的主要表現(xiàn)為化學(xué)侵蝕和結(jié)晶侵蝕兩種。結(jié)晶侵蝕是由于喊溶液侵入混凝土孔隙中，在空氣中的CO2的作用下，生成含有大量結(jié)晶水的碳酸鈉晶體析出，體積比原來增加2.5倍，從而產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，其化學(xué)反應(yīng)過程如下：4、溶出侵蝕5、硫酸鹽侵蝕由反應(yīng)的生成物可見，水化硫鋁酸鈣結(jié)合著很多的化合水，因而比原反應(yīng)物體積增大很多，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,使混凝土破壞。石膏在結(jié)晶時，體積膨脹，使混凝土遭到破壞。6、海水侵蝕海水含鹽量的平均值為3.5%，其中NaCl占78%，MgCl2和MgSO4占