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1、岩 土 工 程 勘 察,教师：徐国栋Email:手机：13931631850,防灾科技学院,第8章 地下水勘察,建设场地中的地下水会直接影响场地的工程地质条件，影响工程建筑物的稳定性和耐久性。地下水在岩土工程勘察、设计和施工过程中始终是一下重要问题。岩土工程勘察时，应着眼于建筑工程的设计和施工需要，提供地下水的完整资料，评价地下水的作用和影响，预测地下水可能带来的后果并提出工程措施。,第一节 水在岩土中的存在形式,自然界中岩土体的孔隙中赋存着各种形式的水，按物理性质的不同，可分为气态水、吸着水、重力水、毛细水和固态水等。（1）气态水 水呈气体状态，和气体一起充填在非饱和土的岩土孔隙中。气态水可
2、由湿度相对较大的地方向较小的地方移动。（2）重力水 存在于地下水位以下透水岩土层中的地下水，在重力或压力差的作用下在岩土层中流动。对土颗粒有浮力作用，能传递静水压力和动力压力，当重力水在土体孔隙中流分理处时，对所流经的土体施加渗透力。重力水的存在直接影响土体中的应力状态的分布。,（3）吸着水 吸着水是由土颗粒表面分子吸附于土粒表面的一层水。分为强吸着水和弱吸着水。强吸着水性质接近固体，可以抗剪切，但不能传递静水压力，粘性土仅含强吸着水时呈固体状态。弱吸着水也称为薄膜水，由于距土颗粒表面较远，分子力的作用较小，成粘滞状态，不能传递静水压力，也不能在孔隙中自由流动。弱吸着水的存在，使土具有塑性、粘
3、性，影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。,第一节 水在岩土中的存在形式,（4）毛细水 毛细水是由于毛细管力支持充填在岩土中细小孔隙中的水。它同时受毛细管力和重力作用，当毛细管力大于水的重力时毛细管水就会上升到地下水面以上形成毛细管水带。毛细水能垂直上下运动，传递静水压力。在工程中，毛细管水上升高度对构筑物地下部分的防潮措施以及地基土的浸湿和冻胀等都有重要影响。此外，在干旱区当地下水位埋藏较浅（小于毛细水上升高度时），地下水中的可溶性盐随毛细水上升后不断蒸发，盐分逐渐积累在靠近地表处而形成盐渍土，造成土壤盐碱化。,第一节 水在岩土中的存在形式,（5）固态水 在地下一定深度范围内，当地层温度
4、降至摄氏零度以下时，岩土体孔隙中的液态水（甚至气态水）会凝结成冰，形成固态水。固态水在水中起到胶结作用，形成冻土。某些细粒土在冻结时，往往发生体积膨胀，即冻胀现象。土体冻胀后，土的孔隙增大，结构变松，解冻后土的压缩性增大，强度降低。,第一节 水在岩土中的存在形式,地下水的类型：地下水是指赋存于地面以下岩土孔隙中的水，包括岩土体饱水带和包气带中所含的水。地下水的赋存特征不同，对岩土工程的影响有较大差别，其中最重要的是地下水的埋藏条件与含水介质的类型。地下水的埋藏条件是指含水岩层在地质剖面中的部位及受隔水层（弱透水层）限制的情况。根据地下水的埋藏条件可将地下水区分为包气带水、潜水和承压水。按含水层
5、空隙性质的不同，又可划分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类。,第一节 水在岩土中的存在形式,（1）包气带水 指地下以下、潜水位以上，位于包气带中的水，包括土壤水、毛细水等。（2）潜水 指饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。潜水没有隔水顶板，潜水的表面为自由水面，称为潜水面。（3）承压水 充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水称为承压水。,第一节 水在岩土中的存在形式,第二节 地下水在岩土工程中的作用,1.地下水的浮托作用 地下水对水位以下的岩土体有静水压力作用，并产生浮托力。当岩土体的节理裂隙或孔隙中的水与岩土体外界的地下水相通时，其浮托力应为岩土体的岩石体积部分或土颗粒体积部分的浮力
6、。当建筑物位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上时，按设计水位的100%计算浮托力；当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基上时，按设计水位的50%计算浮托力；当建筑位于粘性土地基上时，其浮托力较难确定，应结合地区的实际经验考虑。,2.地下水的潜蚀作用 潜蚀作用常产生于粉细砂、粉土层中，即在施工降水等活动过程中产生水头差，在动水压力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，使土的结构受到破坏。产生潜蚀作用的条件如下：（1）几何条件：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，这是必要条件。当土的不均匀系数d60/d1010时易产生。（2）当上、下两土层的渗透系数K1/K22时，且其中一层
7、为粉土或粉细砂时，在两土层界面处易产生。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,2.地下水的潜蚀作用（3）水力条件。当渗透水流的水力坡度大于产生潜蚀的临界水力坡度时易产生，产生潜蚀的临界水力坡度按下式进行计算：Ic=(G-1)(1-n)+0.5n 式中Ic为临界水力坡降，G为土颗粒密度，n为土的孔隙度，以小数计。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,2.地下水的潜蚀作用 防治地下水潜蚀作用，一般可从下列两个方面采取措施：改变几何条件，在潜蚀逸出部位铺设反滤层是防止潜蚀破坏的有效措施。改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,第二节 地下水在岩土工程中的作用,3.流砂现
8、象 流砂现象通常在颗粒级配均匀的粉细砂和粉土层中产生，即饱水的粉细砂和粉土等无粘性土在动水压力作用下同时整体浮动而产生的流动现象。流砂产生的条件如下：（1）水力坡度大于临界水力坡度Ic。Ic=(G-1)(1-n)（2）粉细砂或粉土的孔隙度愈大，愈易形成流砂。（3）粉细砂或粉土的渗透系数愈小，排水性能愈差，愈易形成流砂。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,4.管涌 指在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙孔道中发生移动并被带出，逐渐形成管形通道，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳的现象。管涌产生的条件：多发生在非粘性土中；颗粒大小比值差异较大，往往缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直
9、径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满空隙；有较大的和良好的渗透水流出路等。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,5.基坑突涌 当基坑下部有承压水时，应评价基坑涵盖挖所引起的承压水头压力，冲毁基坑底板造成突涌的可能性，通常按压力平衡进行验算。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,6.地面沉降 进行基坑降水或工程排水时，在地下水位下降的影响范围内，应考虑由于排水是否能造成地面沉降及其对工程以及邻近建筑物的危害。对于欠固结饱和土体以及部分正常固结的饱和土体，根据有效应力原理，地基所受的总的应力等于有效应力与孔隙水应力之和：=+u,在上式中，地基所受的总的应力（上覆压力）不变，而随着水位的降低，孔隙
10、水压力逐渐减小，土骨架间的有效应力增大，引起土层的压缩，导致地面沉降。,第二节 地下水在岩土工程中的作用,7.水和土对建筑材料的腐蚀性 建筑基础通常埋于地下，周围的土和地下水中的有害离子成分会对混凝土和钢筋产生腐蚀作用。这种腐蚀作用对建筑材料的危害很大，严重时会影响建筑物的安全与稳定。建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）规定，当基础处于侵蚀性环境或受深度影响时，采取相应防护措施。在勘察中，除对有足够经验和充分资料的地区可以不进行水、土腐蚀性评价外，其它地区均应采取水、土试样，进行腐蚀性分析。,第三节 岩土工程中的地下水勘察,1.岩土工程对地下水勘察的要求 掌握下列水文地质条件：（
11、1）地下水的类型和赋存条件。查清地下水的埋藏条件和类型，判断地下水是潜水或是承压水，根据含水介质的类型，确定地下水是孔隙水、裂隙水或岩溶水。（2）主要含水层的分布规律 含水层及隔水层的厚度、空间变化情况等。,第三节 岩土工程中的地下水勘察,1.岩土工程对地下水勘察的要求（3）区域性气候资料，如降水量、蒸发量等对地下水位的影响。（4）查清岩土工程场地及其附近地下水的补给排泄条件、地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响。（5）查清地下水的水质、污染程度等。,2.专门水文地质勘察 对于高层建筑及重大工程的岩土工程，例如大型滑坡、边坡、水利工程、深基坑工程等，当水文地质条件对地基、基础、岩土工程
12、稳定、基坑降水等有重大影响时，宜进行专门的水文地质勘察工作。（1）查明含水层和隔水层的埋藏条件，地下水的类型、流向、水位及其动态变化。（2）当工程场地存在多层对工程有影响的地下水时，应分层量测地下水水位、并查明隔、含水层之间的水力联系及其补给关系。,第三节 岩土工程中的地下水勘察,2.专门水文地质勘察（3）如有必要时，应设置地下水观测孔进行地下水动态的长期观测，或者在不同深度处埋设孔隙水压力计，量测压力水头随深度的变化。（4）通过现场试验和室内试验测定地层的渗透系数等水文地质参数。（5）在冻土地区，应评价地下水对土的冻胀和融陷的影响。,第三节 岩土工程中的地下水勘察,第四节 地下水参数测量,地
13、下水参数的测定方法,1.地下水位的测定 地下水位的测定符合下列规定：（1）可在钻孔或探井内直接量测初见水位和静止水位（稳定水位）。（2）对多层含水层的水位量测，必要时应采取止水措施与其它含水层隔开。（3）量测读数到厘米，误差不得大于2cm。,第四节 地下水参数测量,1.地下水位的测定（4）稳定水位的量测需有一定的稳定时间，稳定时间按含水土层的渗透性确定，对砂土和碎石土不得少于0.5h，对粉土和粘性土不得少于8h，并宜在勘察结束后统一量测静止水位。水位计类型可选用电池水位计或自动水位记录仪。,第四节 地下水参数测量,2.地下水流向及流速测定 测定地下水流向宜采用几何法，即沿等边三角形顶点布置三个
14、钻孔，孔距50-100米（水力坡降越小，钻孔间距越大），同时量测各钻孔内水位，用等水位线的垂线确定流向。,地下水流速测定宜采用指示剂法。当地下水流向确定后，沿流向线布置两个钻孔，上游钻孔投放指示剂，下游钻孔进行观测。指示剂投放孔与观测孔的间距由含水层的透水条件确定。为避免指示剂绕观测孔流过，可在观测孔两侧0.5-1.0米处各布置一辅助观测孔。,指示剂投放孔与观测间距,3.渗透系数测定 渗透系数的测定可选择抽水试验、注水试验或压水试验等方法。（1）抽水试验 用于查明建筑场地的地层渗透性和富水性、测定有关水文地质参数等。,抽水试验方法和应用范围,3.渗透系数测定(1)抽水试验 抽水孔位置应根据试验
15、的目的，结合场地水文地质条件、地形地貌条件等，布置在有代表性的地段。观测孔的布置应围绕抽水孔，可布置1-2排，首先应布置在与地下水流向相垂直的方向，当布置两排时，另一排布置在平行地下水流向的方向上。与抽水孔的距离以1-2个含水层厚度为宜。观测孔深度一般要求进入抽水试验段的厚度之中。若为非均质含水层，观测孔的深度应与抽水孔相一致。,3.渗透系数测定（2）注水（渗水）试验 钻孔注水（渗水）试验是野外测定岩（土）层渗透性的一种简单方法，原理与抽水试验相似。地下水位埋藏较深，而不便于进行抽水试验；在干的透水岩层，常用注水试验获得渗透性资料；（3）压水试验 主要为了探查天然岩（土）层的裂隙性和渗透性，获
16、得单位吸水量等参数，多用于水库、水坝工程。,4.毛细上升高度测定 由毛细力支持充填在岩土微细孔隙中的水称为毛细水。地下水面以上被毛细水饱和的部分称为毛细水带。毛细水能作垂直运动，能传递静水压力，毛细水对工程性质有一定影响。（1）试坑直接观测法 适用于毛细水上升高度较大的粉土、粘性土。在试坑中观察坑壁潮湿变化情况，在干湿明显交界处为毛细水上升带的分界点，该点至地下水静止水面的距离即为毛细水上升高度。,4.毛细上升高度测定（2）塑限含水量法 适用于粉土、粘性土。自地面至地下水面每隔15-20cm取土样测定天然含水量与塑限，并分别绘出其随深度的变化曲线，两线的交点至地下水面的高度，即为毛细水上升高度
17、。（3）最大分子吸水量法 适用于砂土，对中粗砂用高柱法测定，对粉细砂用吸水介质法测定。以最大分子吸水量与天然含水量曲线的交点至地下水面的距离为毛细水上升高度。,5.孔隙水压力的测定,在饱和的地基土层中进行地基处理和基础施工过程中，往往产生孔隙水压力的变化。而孔隙水压力对土体的变形和稳定性有较大影响，必要时需量测土体中孔隙水压力。,第五节 水和土的腐蚀性评价,在岩土工程勘察中，必须查明工程场地的水（包括地下水和地表水）和土对建筑材料是否具有腐蚀性。当具有充分的资料或足够的经验能够认定工程场地的水或土对建筑材料不具有腐蚀性时，可不进行腐蚀性评价。否则应采取水样和土样进行试验，并对水和土的腐蚀性做出
18、评价。,一.取样 当需要评价地下水对混凝土及金属材料的腐蚀性时，在场地内应采取2-3个水样，如水文地质条件复杂应适当增加取水样个数。在采取水样时，先用水样将取样瓶及塞子洗净，然后取样，并立即送化验室化验。对于在钻孔中取水样时，应先进行洗孔，达到水清砂净时方可取水样。水试样应及时化验，清洁水放置时不宜超过72小时，稍受污染的水样不宜超过48小时，受污染水样不宜超过12小时。采取土样进行化学分析和腐蚀试验，每个场地的数量不少于2个。,采取水试样和土试样应符合下面规定：（1）混凝土或钢结构处于地下水位以下时，应采取地下水试样和地下水位以上的土试样，并分别做腐蚀性试验；（2）混凝土或钢结构处于地下水位
19、以上时，应采取土试样作土的腐蚀性试验；（3）混凝土或钢结构处于地表水中时，应采取地表水试样，做水的腐蚀性试验；（4）水和土的取样数量每个场地不少于各2件，对建筑群不宜少于各3样。,二.腐蚀性试验项目（1）判断土的腐蚀性时应进行下列项目的试验：pH值、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-。同时在判断土对钢结构的腐蚀性时，还应进行下列试验：氧化还原电位、极化曲线、电阻率、质量损失。（2）判断水的腐蚀性时，应进行下列项目的试验：pH值、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、侵蚀性CO2、游离CO2。同时在判断水质是否受严重污染时，还应进行下列试验：
20、NH4+、OH-、总矿化度。,水中游离CO2是以气体分子状态溶于水的，侵蚀性CO2是CO2与水反应生成了碳酸H2CO3呈现了弱酸性，和水结合后的离子态，这样才能与更多的物质反应，也才能具备侵蚀性。CO2溶于水之后，经与水化合、解离，使水中出现游离CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-、和H-等一系列离子和分子。当体系在一定温压下达到化学平衡后，这些组分浓度将保持一定数值，各个化学反应不再进行，CaCO3不再溶解，此时水中为平衡Ca2+、HCO3-等的游离CO2，称为平衡CO2。只有水中溶有超出该温压条件下平衡CO2浓度的多余部分才能进一步溶解CaCO3，超出体系平衡的一部分多余CO2称为侵
21、蚀性CO2。,侵蚀性CO2、游离CO2,极化曲线 表示电极电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线。极化作用是电流通过后，引起电极电流下降，电极反应速度降低，腐蚀速度减缓甚至腐蚀终止的现象。在腐蚀原电池中，只要有电流通过电极，就有极化作用发生。极化作用主要取决于电极和土的物理化学性质。电阻率：土的电阻率越大，腐蚀程度越低。质量损失：取钢铁结构物或普通碳素钢，加工成一定规格的钢管，埋置于盛试验土样的铁皮罐中，钢管用导线连接ZHS-10型质量测定仪的正极，铁皮罐用导线连接仪器的负极，通6V直流电使其电解24h，求电解后钢管损失的质量。,三、腐蚀性的评价（一）水和土对混凝土结构的腐蚀性评价 1.按
22、环境类型评价水和土对混凝土结构的腐蚀性 2.按地层渗透性评价水和土对混凝土结构的腐蚀性（二）水和土对混凝土结构中钢筋的腐蚀性的评价（三）水和土对钢结构的腐蚀性评价,场地环境类型的分类,按环境类型评价水和土对混凝土结构腐蚀性,上表适用于有干湿交替和不冻区（段）水的腐蚀性评价标准，对无干湿交替作用、冰冻区和微冻区，对土的腐蚀性评价，尚应乘以一定的系数，这个在表注中进行了说明，应用时应当注意。干湿交替，是指地下水位变化和毛细水升降时，建筑材料的干湿变化情况。相同浓度的盐类，有干湿交替的情况时腐蚀性更强。气候区与腐蚀性的关系比较密切。相同浓度的盐类，在干旱区和湿润区其腐蚀强度是不同的，前者可能是强腐蚀
23、，后者可能是弱腐蚀。冻融交替也是影响腐蚀的重要因素，如盐的浓度相同，在不冻区尚达不到饱和状态，因此不会析出结晶；而在冰冻区，由于气湿降低，盐分易析出结晶，从而破坏混凝土。,按地层渗透性评价水和土对混凝土的腐蚀性,按上面两表评价腐蚀性等级时，按下列规定进行综合评定：（1）各腐蚀等级只出现弱腐蚀，无中等腐蚀或强腐蚀时，应综合评价为弱腐蚀；（2）各腐蚀等级中无强腐蚀，最高为中等腐蚀时，应综合评价为中等腐蚀；（3）各腐蚀等级中有一个或多个为强腐蚀，应综合评价为强腐蚀；,钢筋长期浸泡在水中，由于氧溶入较少，不易发生电化学反应，故钢筋不易被腐蚀，相反，处于干湿交替状态的钢筋，由于氧溶入较多，易发生电化学反应，钢筋易被腐蚀。,练习：某场地处于湿润区，基础埋深1.5米，地下水位平均为地下2.0米，地下水位年变动幅度为上下1米，钻孔取水进行分析结果见下表。试评价场地地下水对混凝土、混凝土中的钢筋、钢结构的腐蚀性。,
