地下水問題在工程地質(zhì)勘察中的重要性

喬紅斌

在工程勘察設(shè)計和施工過程中,地下水問題始終是一個極為重要但也易于被忽視的問題。由于沒有足夠的重視,導(dǎo)致地下水引起的各種巖土工程危害時有發(fā)生。地下水在巖土孔隙中能夠滲流,我們將巖土能被水或其他液體透過的性質(zhì)稱為滲透性。這種滲透性對巖土的強(qiáng)度和變形會發(fā)生作用,使地質(zhì)條件更為復(fù)雜,甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。地下水滲流會引起巖土體的滲透變形,直接影響建筑物及其地基的穩(wěn)定與安全?？梢?地下水是工程地質(zhì)勘察分析、評價和地質(zhì)災(zāi)害防治中的一個極其重要的影響因素。

1 土的滲透性

工程地質(zhì)勘察中,由于缺少結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計和施工需要評價地下水對巖土工程的作用和危害,在很多地區(qū)已發(fā)生多起因地下水造成基礎(chǔ)下沉和建筑物開裂的質(zhì)量事故,總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),我認(rèn)為在今后的工程勘察中,地下水問題的評價主要考慮以下內(nèi)容：1)滲透破壞問題：土中的滲流會對土顆粒施加作用力即滲流力,當(dāng)滲流力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動,產(chǎn)生滲透變形,甚至滲透破壞,如邊坡破壞、地面隆起、堤壩失穩(wěn)等現(xiàn)象。近年來高層建筑基坑失穩(wěn)事故有不少就是由滲透破壞引起的。2)滲透破壞與控制：滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：a.由于滲流力的作用,使土質(zhì)顆粒流失或局部土質(zhì)產(chǎn)生移動,甚至失穩(wěn);b.由于滲流作用,使水壓力或浮力發(fā)生變化,導(dǎo)致土質(zhì)或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)。

滲透破壞的防治措施：防治流土的關(guān)鍵在于控制溢出處的水力坡降,為了保證實(shí)際的溢出坡降不超過允許坡降,工程上可采取如下措施：1)上游做垂直防滲帷幕,如混凝土防滲墻,打鋼板柱或灌漿帷幕等。根據(jù)實(shí)際需要,帷幕可完全切斷地基的透水層,徹底解決地基土的滲透變形問題,也可不完全切斷透水層,做成懸掛式,起延長滲流途徑,降低下游溢出坡降的作用。2)上游做水平防滲鋪蓋,以延長滲流途徑,降低下游溢出坡降。3)水利工程中,下游挖減壓溝或打減壓井,貫穿滲透性小的黏性土層,以降低作用在黏性土層底面的滲透壓力。4)下游加透水蓋重,以防止黏土被滲透力所懸浮。5)土層加固處理,如凍結(jié)法。這幾種工程措施往往是聯(lián)合使用的,具體的設(shè)計方法可參閱有關(guān)書籍。

2 巖土水理性質(zhì)

巖土水理性質(zhì)是指巖土與地下水相互作用時顯示出來的各種性質(zhì)。巖土水理性質(zhì)與巖土的物理性質(zhì)都是巖土重要的工程地質(zhì)性質(zhì)。巖土的水理性質(zhì)不僅影響巖土的強(qiáng)度和變形,而且有些性質(zhì)還直接影響到建筑物的穩(wěn)定性。下面介紹一下巖土的幾個重要的水理性質(zhì)。

巖土的水理性質(zhì)主要有含水性、給水性和透水性。1)含水性：巖土含水的性質(zhì)叫含水性。通常巖土能容納和保持水分多少的表示方法有以下兩種：a.容水度：巖土空隙完全被水充滿時的含水量稱為容水度,它用容積表示時即為：巖土空隙中所能容納的最大的水的體積與巖土體積之比,以小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。b.持水度(最大分子含水量)：巖石顆粒的結(jié)合水達(dá)到最大數(shù)值時的含水量稱為持水度(最大分子含水量)。持水度實(shí)際上說明巖土中結(jié)合水含量的多少。2)給水度：飽水巖土在重力作用下排出水的體積與巖石體積之比稱為給水度。給水度在數(shù)值上等于容水度減去持水度。巖土給水度的大小與有效空隙度有關(guān),不同的巖土其給水度相差很大。給水度可用野外抽水試驗(yàn)確定(無試驗(yàn)資料時)。3)透水性：巖土允許重力水滲透的能力稱為透水性。通常用滲透系數(shù)表示。巖土空隙愈小,結(jié)合水所占據(jù)的空間比例愈大,實(shí)際透水?dāng)嗝婢陀??？障兜拇笮『投嗌贈Q定著巖石透水性的好壞,但兩者的影響并不相等,空隙大小經(jīng)常起主要作用。

3 地下水對建筑工程的影響

地下水對建筑工程的不良影響主要有：降低地下水位會使軟土地基產(chǎn)生固結(jié)沉降;不合理的地下水流動誘發(fā)某些土層出現(xiàn)機(jī)械潛蝕;地下水對位于水位以下的巖石、土層和建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托作用;某些地下水對鋼筋混凝土基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕。

地下水位下降引起軟土地基沉降：在沿海軟土層中進(jìn)行基礎(chǔ)施工時,往往需要人工降低水位。若降水措施不當(dāng),會使周圍地基層產(chǎn)生固結(jié)沉降,輕則造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降;重則使建筑物基礎(chǔ)下的土體顆粒流失,甚至掏空,導(dǎo)致建筑物開裂和危及安全使用。另一方面,井管埋設(shè)完成抽水開始時,井內(nèi)水位下降,井外含水層中的地下水不斷流向?yàn)V管,經(jīng)過一段時間后,在井周圍形成漏斗狀的彎曲水面——降水漏斗。在這一降水漏斗范圍內(nèi)的軟土層會發(fā)生滲透固結(jié)而造成地基沉降。而且,由于土層的不均勻性和邊界條件的復(fù)雜性,降水漏斗往往是不對稱的,因而使周圍建筑物或地下管線產(chǎn)生不均勻沉降,甚至開裂。

動水壓力產(chǎn)生流砂和潛蝕：流砂是一種不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象,在建筑物深基礎(chǔ)工程和地下建筑工程的施工中所遇到的流砂現(xiàn)象,按其嚴(yán)重程度可分為下列三種：1)輕微流砂：當(dāng)基坑圍護(hù)樁排間隙處隔水措施不當(dāng)或施工質(zhì)量欠缺時,或當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻接頭的施工質(zhì)量不佳時,有些細(xì)小的土顆粒會隨著地下水滲漏一起穿過縫隙而流入基坑,增加坑底的泥濘程度。2)中等流砂：在基坑底部,尤其是靠近圍護(hù)樁墻的地方,常常會出現(xiàn)一堆粉細(xì)砂緩緩冒起,仔細(xì)觀察,可以看到粉細(xì)砂堆中形成許多小小的排水溝,冒出的水夾帶著細(xì)小土粒在慢慢地流動。3)嚴(yán)重流砂：基坑開挖時如發(fā)生上述現(xiàn)象而仍然繼續(xù)往下開挖,流砂的冒出速度會迅速增加,有時會像開水初沸時的翻泡,此時基坑底部成為流動狀態(tài),給施工帶來很多困難,甚至影響鄰近建筑物的安全。如果在沉井施工中產(chǎn)生嚴(yán)重流砂,那么沉井就突然下沉,無法用人力控制,以致沉井發(fā)生傾斜,甚至發(fā)生重大事故。根據(jù)對上海軟土地層的研究,得出易產(chǎn)生流砂的土層條件為：1)粘粒含量小于10%～15%,粉粒含量大于65%～75%;2)顆粒級配不均勻系數(shù)u＜5;3)土的空隙比e＞0.85;4)土的含水量大于30%;5)地層中粉細(xì)砂或粉土層厚度大于25 cm。

如果地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力小于土顆粒的有效重度r',即滲流水力坡度小于臨界水力坡度。那么,雖然不會發(fā)生流砂現(xiàn)象,但是土中細(xì)小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流攜帶而走。時間長了,在土層中將形成管狀空洞,使土體結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度降低,壓縮性增加,我們將這種現(xiàn)象稱為機(jī)械潛蝕。

地下水的浮托作用：當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時,地下水對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力,即產(chǎn)生浮托力。如果基礎(chǔ)位于粉土、砂土碎石土和節(jié)理縫隙發(fā)育的巖石地基上,則按地下水位100%計算浮托力;如果基礎(chǔ)位于節(jié)理裂縫不發(fā)育的巖石地基上,則按地下水位50%計算浮托力;如果基礎(chǔ)位于黏性土地基上,其浮托力較難確切地確定,應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)考慮。

地下水對鋼筋混凝土的腐蝕：硅酸鹽水泥遇水硬化,并且形成Ca(OH)2、水化硅酸鈣CaOSiO2?12H2O、水化鋁酸鈣 CaOAl2O3等,這些物質(zhì)往往會受到地下水的腐蝕。根據(jù)地下水對建筑結(jié)構(gòu)材料腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn),將腐蝕類型分為三種：1)結(jié)晶類腐蝕。2)分解類腐蝕。3)結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕。地下水對混凝土建筑物腐蝕是一項(xiàng)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。

4 結(jié)語

巖土工程問題中,地下水問題占有相當(dāng)重要的位置,準(zhǔn)確合理地查明地下水位,不僅可以排除危害,而且可以應(yīng)用其有利方面為地質(zhì)勘察服務(wù)。因此,提高工程勘察質(zhì)量,消除地下水對巖土工程的危害,隨著工程勘察的發(fā)展,其必將受到越來越廣泛的重視,切實(shí)做好水文地質(zhì)工作將對勘察水平的提高起到極大的推動作用。

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[4]楊守臻,王天翔,劉 杰.地下水滲流對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響[J].山西建筑,2008,34(13)：97-98.