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1、第6章 地下水及其对工程的影响,6.1 地下水的分类6.2 地下水的物理化学性质6.3 土的渗透性与渗流6.4 地下水对工程的影响,1,地下水是埋藏和运移在地表以下土层及岩石空隙中的水。地下水主要来源于大气降水、冰雪融水、地面流水、湖水及海水等，经土壤渗入地下形成的。地下水与大气水、地表水是统一的，共同组成地球水圈，在岩土空隙中不断运动，参与全球性陆地、海洋之间的水循环，只是其循环速度比大气水、地表水慢得多。地下水对土木工程的影响主要表现在能影响地基基础的稳定性；基坑开挖时要止水以利于工程施工，基坑等降低地下水位要对周边环境产生影响；地下水常常是滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀等各种不良的
2、地质灾害发生的主要诱因；有一些特殊的地下水还可能腐蚀建筑材料，给基础工程的正常使用造成危害。本章主要介绍了地下水的分类、地下水的物理化学性质、土的渗透性与渗流及地下水对工程的影响等方面的内容。,2,6.1 地下水的分类,3,6.1.1 地下水按埋藏条件分类 地下水按埋藏条件可分为包气带水、潜水和承压水。1.包气带水 包气带水处于地表面以下潜水位以上的包气带岩土层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水等,4,2.潜 水 潜水指的是埋藏在地表以下第一个连续隔水层之上潜水位以下具有自由表面的含水层中的水。,5,3.承压水 1）承压水的概念 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，如
3、未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为含水层的厚度。,6,2）承压水的埋藏类型 承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是向斜构造和单斜构造。a.向斜构造,7,b.单斜构造(自流水斜地),8,6.1.2 地下水按含水层空隙性质分类 地下水按含水层空隙性质(含水介质)的不同，可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。1.孔隙水 孔隙水分布于第四系各种不同成因类型的松散沉积物中。其主要特点是水量在空间分布上相对均匀，连续性好。它一般呈层状分布，同一含水层的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一的地下水面。1）冲积物中的地
4、下水 2）洪积物中的地下水 2.裂隙水 充填于坚硬基岩中各种成因裂隙中的水，称为裂隙水。裂隙水按其赋存的裂隙成因不同分为：风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。3.岩溶水 赋存和运移于可溶岩的溶隙溶洞(洞穴、管道、暗河)中的地下水叫岩溶水。,9,10,6.1.3 地下水按结合方式分类 地下水按结合方式分为结合水和非结合水。结合水是指受分子引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水。非结合水为土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的一般液态水。非结合水可分为液态水、气态水和固态水。,11,6.2 地下水的物理化学性质,6.2.1 地下水物理性质 地下水的物理性质，主要包括颜色、气味、口味、透明度或浑浊度
5、、温度、密度、导电性和放射性等。(1)温度 地下水的温度变化范围很大。地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。通常随埋藏深度不同而异，埋藏越深的，水温越高，见表6-2。(2)颜色一般地下水是无色的。但根据水中化学成分及悬浮杂质含量不同，地下水可呈不同的颜色，见表6-3。,12,(3)透明度或浑浊度决定于水中固体和胶体悬浮物的含量。(4)气味地下水一般闻起来是无嗅、无味的，但当水中含有硫化氢气体时，水便有臭鸡蛋气味；含腐蚀性细菌时，有鱼腥味或霉臭味等等。(5)味道地下水喝起来的味道由水中的化学成分决定。如含NaCl的水具咸味，含MgCl2的水有苦味。(6)密度质量密度的大小，决定于水中所
6、溶解的盐分和其它物质的含量。一般蒸馏水在4时的密度为1g/cm3。(7)导电性地下水导电性决定于水中含有电解质的性质及含量。通常以电导率表示。(8)放射性地下水放射性决定于水中放射性物质含量。地下水中常见的放射性物质有镭、铀、锶、氡及氢、氧同位素。,13,6.2.2 地下水化学性质 地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。1.地下水中常见的成分 地下水含有多种元素，有的含量大，有的含量甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水
7、中却大量存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中，而以离子状态为主。,14,地下水中含有数十种离子成分，常见的阳离子主要有：H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe3+及Fe2+等，阴离子主要有：OH-、C1-、及等，但一般情况下在地下水化学成分中占主要地位的是以下六种离子：Na+（K+）、Ca2+、Mg2+、Cl-、及离子。它们决定了地下水化学成分的基本类型和特点，是人们评价地下水化学成分的主要项目。地下水中溶解的气体有N2、O2、CO2、H2S、CH4及Rn(氡)等。一般情况下，地下水的气体含量不高，每公升只有几毫克到几十毫克。
8、地下水中的氧气和氮气主要来源于大气，它们随着大气降水及地表水补给地下水；而硫化氢是在缺氧的环境中由于微生物的作用，将还原成H2S的。CO2来源于大气中的CO2，或有机物氧化以及深部碳酸盐岩石在高温下分解而成的。,15,以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。大量有机质的存在，有利于进行还原作用，从而使地下水化学成分发生变化。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在于地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2、Al(OH)3及SO2。,16,2.氢离子浓度（pH值）,17,3.总矿化度,18,4.硬度,19,6.2.3 地下水对建筑材料腐蚀性的评价 1.地下水对混凝土的腐蚀
9、原理及评价 1）腐蚀类型 a.结晶类腐蚀 b.分解类腐蚀 c.结晶分解复合类腐蚀,20,2)腐蚀性评价标准,21,2.对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价,22,3.地下水对钢结构的腐蚀性评价,23,4.钢筋混凝土防腐措施1)水泥和骨料材料的选择2)掺入高效活性矿物掺料3)掺入高效减水剂4)掺加防腐剂5）建筑混凝土内配钢筋应采用未锈蚀的新钢筋，钢筋出露部分应做防锈处理。6）建筑用型钢和钢管需要做防腐处理。,24,6.3 土的渗透性与渗流,6.3.1 土的渗透性 地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。砂土是粒状固体颗粒与孔隙的集合体，土孔隙的存在给非结合水（主要是重力水）提供了在水头差作用下发
10、生渗流的可能条件。土的渗透性是指土体被水渗透的能力，它是土体渗透性、强度和变形特性三大主要性质之一，是土体有别于其他致密工程材料如钢材和混凝土等的独特性质。土的渗透性和土中渗流对土体的强度和变形性能局有重要影响。,25,1.达西渗透定律 达西(HDarcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基本规律达西渗透定律。,26,达西定律的适用范围 由达西定律可知：流速与水力梯度成正比。在水力学中，这种水
11、流属于层流流态，当孔隙较大，流速较大，水流就进入紊流流态，流速与水力梯度不再是线性关系，对于完整岩石，其孔隙尺寸非常小，一般不会越出层流界限。但是，由于孔隙的尺寸甚小，孔隙中的水受到固体骨架的吸附作用，达西定律同样不再适用而需要修正。,大量试验结果表明，黏性土的渗流在水力坡度大于时基本上服从这一规律，而砾石土则在水力坡度小于时适用达西定律。所以达西渗透定律的适用范围主要与渗透水流在土中的流动状态有关，属于层流状态者适用，紊流状态则不适用。,27,2.土的渗透性影响因素无黏性土，影响渗透系数的主要因素是颗粒大小和级配、土体的孔隙比及饱和度、水的黏滞阻力等物理因素。黏性土,渗透性的影响因素要比无黏
12、性土复杂。黏性土的渗透系数不但与颗粒大小和级配、土体密度和饱和度等因素有关，而且还受到矿物成分等其他因素影响。,28,6.3.2 土中二维渗流与流网,29,1.平面稳定渗流基本微分方程,2.二维稳定渗流的流网性质和绘制1)流网及其性质,30,对于各向同性渗流介质，流网具有下列性质：a流线与等势线互相正交。b在流网网格中，流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为1时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网；c任意两相邻等势线间的水头损失相等；d任意两相邻流线间的单位渗流量相等。相邻流线间的渗流区域称为流槽，每一个流槽的单位渗流量与总水头，渗流系数及等势线间隔数有关，与流槽位置无关。
13、由流网的上述性质可知，流网中等势线越密的部位，水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。,31,2)流网的绘制 目前常用的方法是近似作图法。近似作图法的步骤大致为：先按照流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。a按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；b判定边界条件：图中aa/和bb/为等势线(透水面)；abc、ss/为流线(不透水面)；c先试绘若干条流线(应相互平行，不交叉且是缓和曲线)；流线应与进水面、出水面(等势线aa/和bb/)正交，并与不透水面(流线ss/)接近平行，不交叉；d加绘等势线。须与流线正交，且
14、每个渗流区的形状接近“方块”。e逐步修改流网。上述过程不可能一次就合适，经反复修改调整，直到满足上述条件为止。根据流网，就可以直观地获得渗流特性的总体轮廓。并可定量求得渗流场中各点的水头、水力梯度、渗透速度和渗流量。,32,3.流网的应用 1)渗流速度计算,33,2)渗流量计算,34,6.4 地下水对工程的影响,当渗透压力或动水压力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏。这种工程动力地质作用或现象，称之为渗透变形或渗透破坏。另外，当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水还将对基础底面产生静水压力，即浮托力，在设计时应予
15、以考虑。在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础的土体颗粒流失，甚至掏空，导致建筑物开裂，危及安全作用。,35,36,6.4.1 渗透力与隔水层要求1.渗透力 水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。人们将渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。,37,2.防止基坑突涌的隔水层要求 当基坑下有承压含水层存在时，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，当它减小到某一临界值时，承压水在水头压力作
16、用下顶裂隆起或冲毁基坑底板土层而导致基坑失稳的现象称为基坑突涌。,38,6.4.2 渗透破坏类型及防治措施 1.流砂及防治措施1）流砂概念流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生砂与水一起悬浮流动的现象。,39,2)流砂形成的条件 a.土性条件：土层由粒径均匀的细颗粒组成(一般粒径在0.01mm以下的颗粒含量在3035以上)，土中含有较多的片状、针状矿物(如云母、绿泥石等)和附有亲水胶体矿物颗粒，从而增加了岩土的吸水膨胀性，降低了土粒重量。因此，在不大的水流冲力下，细小土颗粒即悬浮流动。b.水动力条件：水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗粒的重量时，就能使土颗
17、粒悬浮流动形成流砂。,40,3)防止流砂的措施流砂的发生常是由于在地下水位以下开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动而引起的，产生在细砂、粉砂、粉质黏土等土中。流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物地基破坏，给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。流砂对岩土工程危害很大。总之，应尽量避免水下大开挖施工。若必须时，可以利用下列方法防治流砂：a人工降低地下水位：可以采用井点降水或深井降水将地下水位降至可能产生流砂的地层以下，然后再开挖。b边坡加固：常采用锚杆注浆土钉墙、水泥搅拌桩、钻孔咬合桩或地下连续墙等加固坑壁，其目的一方面是起到支护作用，另一方面是改善地下
18、水的径流条件，即增长渗流途径，减小地下水力梯度和流速。c基坑底水泥搅拌桩或注浆加固，通过土中灌浆或水泥搅拌桩来构成防水帷幕，以防止地下水流入。d 其它方法：处理流砂的方法还有冻结法、化学加固法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石或立即灌注泵送混凝土等，可以克服流砂的活动。,41,2.管涌及防治措施1）管涌的概念 管涌是指地基土在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中发生移动并被带出，逐渐形成管状渗流通道造成水土大量涌出破坏的现象。,42,2）管涌形成的条件 管涌的形成条件主要包括土性条件和水动力条件。a土性条件,b水动力条件,43,3）管涌的处理措施a设计时堤
19、坝材料要采用无粘性土或用混凝土坝。b设计要考虑控制最大洪水位时堤坝内外水力坡度差和坝内的隔水措施。c堤坝中间打止水帷幕桩止水（如水泥搅拌桩、钻孔咬合桩或地下连续墙等）。d暴雨季节要及时巡查，第一时间发现管涌点，并在刚发生小管涌时立即采取在管涌点周围垒止水土袋、堆土反压、灌注混凝土等办法控制水头差同时达到水头平衡。,44,3潜蚀1）潜蚀的概念 潜蚀是渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大形成洞穴导致地下岩土体结构破坏从而产生地表裂缝、塌陷，影响建（构）筑物地基稳定的一种地质现象。2）潜蚀产生的条件,45,3）潜蚀的防治措施a改变渗透水
20、流的水动力条件使水流梯度小于临界水力梯度，可用堵截地表水流入地下岩土层；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。b改善岩土体的性质增强岩土体的抗渗能力。如对溶洞等爆炸压密、注浆加固、打止水桩等措施可以增加岩土的密实度，降低岩土层的渗透性能。,46,6.4.3 降低地下水位的技术措施,47,1.明沟排水 明沟排水是在基坑(槽)内设置排(截)水沟和集水井，用抽水设备将地下水从集水井内排走，以达到疏干基坑内地下水的目的。明沟排水一般适用于渗透性差的黏性土地基排水。,48,2.井点降水 井点降水是利用井(孔)在基坑周围同时抽水，把地下水位降低到基坑底面以下的降水方法。井点降水常适用于粉
21、砂、砂土地基降水。井点降水分为轻型井点、喷射井点、管井井点，深井井点和电渗井点等，这里只着重介绍轻型井点降水方法。,49,50,井点降水,51,深井降水,52,本章小结,53,(6)提高钢筋混凝土的耐久性措施包括：水泥和骨料材料的选择，掺入高效活性矿物掺料，掺入高效减水剂，掺加防腐剂，建筑混凝土内配钢筋应采用未锈蚀的新钢筋，钢筋出露部分应做防锈处理，建筑用型钢和钢管需要做防腐处理。(7)地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。土的渗透性是指土体被水渗透的能力。土中水呈层流运动时，可用Darcy渗透定律来求解土体的渗透系数。当土中水呈紊流运动状态时，Darcy渗透定律就不再适用。(8)影响无黏
22、性土渗透系数的主要因素是颗粒大小和级配、土体的孔隙比及饱和度、水的黏滞阻力等物理因素。黏性土的渗透系数不但与颗粒大小和级配、土体密度和饱和度等因素有关，而且还受到矿物成分等其他因素影响。(9)二维渗流问题可用渗流区平面内两簇相互正交的曲线（流网）来表示。流网绘制时常用近似作图法，其步骤大致为：先按照流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。正确地绘制出流网后，可以用它来求解渗流速度和渗流量。(10)渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。当水力梯度超过一定的界限值后，土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出
23、、带走、导致局部土体发生位移，位移达到一定距离，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透破坏。渗透变形主要有三种形式，即流砂、管涌和潜蚀。,54,(11)流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生砂与水一起悬浮流动的现象。防治流砂的措施包括：人工降低地下水位、边坡加固、基坑底水泥搅拌桩或注浆加固及冻结法、化学加固法、加重法等。(12)管涌是指地基土在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中发生移动并被带出，逐渐形成管状渗流通道造成水土大量涌出破坏的现象。管涌通常需要有上下两头水位差。防止管涌最常用的方法与防止流砂的方法类似，主要采取降低水力坡度、设置保护层、打止水帷幕
24、桩止水等措施。(13)潜蚀是渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大形成洞穴导致地下岩土体结构破坏从而产生地表裂缝、塌陷，影响建（构）筑物地基稳定的一种地质现象。防止潜蚀的有效措施包括改变渗透水流的水动力条件和改善岩体的性质等。(14)人工降低地下水位的人工措施应根据基坑场地的土性、渗透系数、水动力条件和周边环境条件来合理选择。明沟排水一般适用于渗透性差的黏性土地基排水。井点降水常适用于粉砂、砂土地基降水。深井降水适用于涌水量很大很快的砂土、砂砾层基坑降水。要注意降水漏斗对周边环境沉降的影响。,55,思考题1 地下水按埋藏条件可分为哪
25、三类？包气带水、潜水和承压水各自有哪些特点？2 地下水按含水层空隙性质可分为哪三类？孔隙水、裂隙水和岩溶水各有哪些特点？3 地下水按结合方式可分为哪几类？4 地下水的物理性质包括哪些？地下水中有哪些主要的化学成分？地下水有哪些化学性质？地下水的总矿化度、酸碱度和硬度如何来表示？5 地下水对混凝土结构的腐蚀类型有哪几种？地下水对钢筋产生腐蚀的原因是什么？地下水对混凝土和钢筋腐蚀性的评价标准是什么？钢筋混凝土的防护措施有哪些？6 什么是渗流？达西定律的内容、原理和适用范围是什么？渗透系数如何测定？7 渗流常见的破坏类型有哪几种？其破坏的机理是什么？8 什么是基坑突涌？基坑突涌产生条件是什么？9 什么是流砂？流砂有哪些破坏作用？流砂形成的条件是什么？防止流砂的措施有哪些？10 什么是管涌？管涌有哪些破坏作用？管涌形成的条件是什么？防止管涌的措施有哪些？11 什么是潜蚀？潜蚀形成的条件是什么？防止潜蚀的措施有哪些？12 人工降低地下水位的方法有哪些？,56,
