地下水与环境岩土工程.ppt

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1、环 境 岩 土 工 程第七讲地下水与环境岩土工程,参考文献,地下水与环境岩土工程，同济大学出版社，1995,一、地下水基本概念,地下水与环境岩土工程,二、地下水位与环境岩土工程的关系,三、砂土液化及防治,四、地下水位变化对特殊土工程性质的影响,五、地下水资源保护及污染防治,一、地下水基本概念,根据含水介质情况(岩溶水)（裂隙水）（孔隙水）,根据埋藏条件分类(上层滞水)（潜水）（承压水）,根据水和含水介质的相互作用分类(结合水)（自由水）（气态水）,根据含水介质情况(岩溶水)（裂隙水）（孔隙水）,Pore water（孔隙水）,Fracture water（裂隙水）,一、地下水基本概念,根据埋藏

2、条件分类(上层滞水)（潜水）（承压水）,一、地下水基本概念,根据水和含水介质的相互作用分类,结合水 自由水,毛细水,重力水,强结合水 弱结合水,一、地下水基本概念,气态水,一、地下水基本概念,地下水与环境岩土工程,二、地下水位与环境岩土工程的关系,三、砂土液化及防治,四、地下水位变化对特殊土工程性质的影响,五、地下水资源保护及污染防治,（一）环境对地下水位的影响,1.温室效应引起的地下水位变化,二、地下水位与环境岩土工程的关系,2.人为开采引起的地下水位的降低,（二）地下水位变化对岩土工程的影响,1.地下水位上升的情况,2.地下水位下降的情况,（一）环境对地下水位的影响,1.温室效应引起的地下

3、水位变化,气温升高,冰川消退,海平面及河川水位抬高,地下水位升高,2.人为开采引起的地下水位的降低,生产生活用水超量开采河流人工改道筑坝截流工程降、排水,（二）地下水位变化对岩土工程的影响,1.地下水位上升的情况,（1）浅基础地基承载力降低；（2）砂土地震液化加剧；（3）建筑物震陷加剧；（4）土壤沼泽化、盐渍化；（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；（6）地下水位的冻胀作用的影响；（7）对建筑物的影响；（8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响；（9）膨胀性岩土产生胀缩变形。,浅基础地基承载力降低,地下水位上升对岩土工程的影响,沉浸在水中的土将失去由毛细管应力或弱结合力所形成

4、的表观粘聚力，使承载力降低；由于水的浮力作用，将使土的有效重量减小而降低土的承载能力。,粘性土最大下降率在50%左右；砂性土最大下降率可达70%。,土壤沼泽化、盐渍化,地下水位上升对岩土工程的影响,地表土层含水量增大沼泽化；蒸发浓缩盐渍化 对建筑物腐蚀。,冻胀作用,地基冻胀，地表隆起；融沉建筑物开裂。,（二）地下水位变化对岩土工程的影响,2.地下水位下降的情况,（1）地表塌陷（2）地面沉降（3）海（咸）水入侵（4）地裂缝的复活与产生（5）地下水源枯竭，水质恶化（6）对建筑物的影响,一、地下水基本概念,地下水与环境岩土工程,二、地下水位与环境岩土工程的关系,三、砂土液化及防治,四、地下水位变化对

5、特殊土工程性质的影响,五、地下水资源保护及污染防治,三、砂土液化及防治,（一）基本概念,粒间无内聚力的松散砂体，主要靠粒间摩擦力维持本身的稳定性和承受外力。当受到振动时，粒间剪力使砂粒间产生滑移，改变排列状态。如果砂土原处于非紧密排列状态，就会有变为紧密排列状态的趋势，如果砂的孔隙是饱水的，要变密实效需要从孔隙中排出一部分水。如砂粒很细则整个砂体渗透性不良，瞬时振动变形需要从孔隙中排除的水来不及排出于砂体之外，结果必然使砂体中孔隙水压力上升，砂粒之间的有效正应力就随之而降低。当孔隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂粒就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化(sa

6、nd liquefacation)。,砂土液化引起的破坏：涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承栽能力完全丧失。建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。,日本新潟1964年的地震引起的砂土液化，由于地基失效使建筑物倒塌2130所，严重破坏6200所，轻微破坏31000所。1976年唐山地震时，天津市新港望河楼建筑群，由地基失效突然下沉38cm，倾斜度达30。,砂土液化引起的破坏：滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层震

7、动液化和流动，可引起大规模滑坡。这类滑坡可以产生在极缓，甚至水平场地。地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因振动而变密，地面随之下沉，低平的滨海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不适于作为建筑物地基。,1964年阿拉斯加地震时，波特奇市即因震陷量大而受海潮浸淹，迫使该市迁址。地下砂体大量涌出地表，使地下的局部地带被掏空，则往往出现地面局部塌陷，例如1976年唐山地层时宁河县富庄层后全村下沉，塌陷区边缘出现大量宽1-2m的环形裂缝，全村变为池塘。,地震引起砂土液化(台中港1-4码头),(二)区域性砂土地震液化的形成条件砂土层本身砂土的成分砂土的结构饱水砂层的埋藏条件地震方面地震的强烈程度地震的

8、持续时间,三、砂土液化及防治,凡具备上述易于液化的条件而又在广大区域内产出的砂土层，往往具有特定的成因与时代特征。,高的剩余孔隙水压力形成的必要条件：一是地震时砂土必须有明显的体积缩小从而产生孔隙水的排水；二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余孔隙水压力的迅速消散，于是随荷载循环的增加孔隙水压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,1.砂土特性,对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在地震时易于形成较高的剩余孔隙水压力。,砂土的相对密度 一般而言,松砂极易完全液化,而密砂则经多次循环

9、的动荷载后也很难达到完全液化。也就是说，砂的结构疏松是液化的必要条件。目前较普遍采用的表征砂土的疏密界限的定量指标是相对密度Dr Dr=(emax-e)/(emax-emin)其中：e土的天然孔隙比；emax和emin分别为该土的最大、最小孔隙比。,1.砂土特性,相对密度低，孔隙率大，容易液化。,砂土的粒度和级配,1.砂土特性,砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。分析邢台、通海和海城砂土液化时喷出的78个砂样表明，粉、细砂占57.7，塑性指数7的粉土占34.6，中粗砂及塑性指数为710的粉土仅占7.7，而且全发生在XI度烈度区。所以具

10、备一定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。,当剩余孔隙水压力大于砂粒间有效应力时才产生液化。如地下水埋深为h，土的容重为，Z位于地下水位以下，Z处自重压力应按下式计算：Pz=h+(-w)(Z-h),(二)区域性砂土地震液化的形成条件,2.饱水砂土层的埋藏条件,饱水砂层埋藏条件包括地下水埋深及砂层上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄，则愈易液化。,具备上述的颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又广泛分布的砂体，主要是近代河口三角洲砂体和近期河床堆积砂体，其中河口三角洲砂体是造成区域性砂土液化的主要砂体。已有的大区域砂土地震液化实例，主要形成于河

11、口三角洲砂体内。,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,3.饱水砂层的成因和时代,引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。简单评价砂土液化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。确切评价砂土液化的地震强度条件需实测出地震时最大地面加速度，计算在地下某一深度处由于地震而产生的实际剪应力，再用以判定该深度处的砂土层能否液化。,4.地震强度及持续时间,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,根据观测得出，在VII、VIII、IX度烈度区可能液化的砂土的D50分别为0.050.15，0.030.25，0.0150.5mm。亦即地震烈度愈高，可液化的砂

12、土的平均粒径范围愈大。烈度不同可液化砂上的相对密度值也不同，烈度愈高可液化砂土的相对密度值也愈大。,5.砂土地震液化的判别,地震液化初判的限界指标地震条件地质条件埋藏条件土质条件,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,5.砂土地震液化的判别,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,现场测试法 经初步判别认为有可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。主要方法有标贯判别，静力触探判别和剪切波速判别。其中以标贯判别简便易行最为通用。,5.砂土地震液化的判别,(二)区域性砂土地震液化的形成条件,理论计算判别,国外最常用的理论计算判别是由HB希德所提出的判别方法及准则，即

13、根据土的动三轴试验求出的应力比(即最大动循环剪应力max与初期围限压力a之比)和某一深度土层的实际应力状态(土层有效上覆压力)，计算出能引起该砂土层液化的剪应力，实际上此剪应力就相当于该砂土层抗剪液化的抗剪强度，如果取得的值小于据地震加速度求得的等效平均剪应力a，则可能液化，其表示式为：a.,(三)砂土地震液化的防护措施,注：A.为全部消除地基液化沉陷的措施，为采用桩基、深基础、深层处理至液化深度以下或挖除全部液化层；B.为部分消除地基液化沉陷措施，如处理或挖除部分液化土层等；C.为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括减少或适应不均匀沉陷的各项构造措施；D.为可不采取措施。,三、砂土液化及防

14、治,地下水位砂层特性砂层埋深地震特性,(三)砂土地震液化的防护措施,1.良好场地的选择,增加盖重 换土 改善饱水砂层的密实程度消散剩余孔隙水压力围封法,(三)砂土地震液化的防护措施,2.人工改良地基,采取措施消除液化可能性或限制其液化程度。,2.人工改良地基,增加盖重,填土厚度应使饱水砂层顶面的有效压重大于可能产生液化的临界压重。,新澙地震时强烈液化的C区，有的建筑物建于原地面上填有3m厚的填土层上，周围建筑物强烈损坏而此建筑物则无损害。,适用于表层处理，一般在地表以下3-6m有易液化土层时可以挖除回填以压实粗砂。,2.人工改良地基,换土,2.人工改良地基,改善饱水砂层的密实程度,爆炸振密法：

15、一般用于处理土坝等底面相当大的建筑物的地基。在地基范围内每隔一定距离埋炸药，群孔起爆使砂层液化后靠自重排水沉实。对均匀、疏松的饱水中细砂效果良好。强夯与碾压：在松砂地基表面采用夯锤或振动碾压机加固砂层，能提高砂层的相对密度，增强地基抗液化能力。,2.人工改良地基,改善饱水砂层的密实程度,水冲振捣回填碎石桩法(振冲法)：水冲振捣回填碎石桩法是一种软弱地基的深加固方法，对提高饱和粉、细砂土抗液化能力效果较好，可使砂土的Dr增到0.80，且回填的碎石桩有利于消散空隙水压力。经处理加密的砂土地甚承强力可提高到(2-3)105N/m2以上。,2.人工改良地基,消散剩余孔隙水压力,主要采用排渗法，在可能液

16、化砂层中设置砾渗井，使砂层在振动时迅通将水排出，以加速消散砂层中累积增长的孔隙水压力，从而抑制砂层液化。,2.人工改良地基,围封法,修建在饱和松砂地基上的坝或闸层可在坝基范围内用板桩、混凝土截水墙、沉箱等将可液化砂层截断封闭，以切断板桩外侧液化砂层对地基的影响，增加地基内土层的侧向压力。建筑物以下被因封起来的砂层，由于建筑物的压力大于有效覆盖层压力而不致液化。,(三)砂土地震液化的防护措施,3.基础形式选择,在有液化可能性的地基上建筑，不能将建筑物置于地表或深埋于可液化深度范围之内。采用桩基宜用较深的支承桩基或管柱基础，浅摩擦桩的震害是严重的。层数较少的建筑物可采用筏片基础，并尽量使荷重分布均

17、匀，以便地基液化时仅产生整体均匀下沉，这样就可以避免采用昂贵的桩基。建于液化地基上的桥梁，往往因墩台强烈沉陷造成桥墩折断，最好选用灌注基础为宜。,一、地下水基本概念,地下水与环境岩土工程,二、地下水位与环境岩土工程的关系,三、砂土液化及防治,四、地下水位变化对特殊土工程性质的影响,五、地下水资源保护及污染防治,四、地下水位变化对特殊土工程性质的影响,特殊土,我国幅员广大，地质条件复杂，分布土类繁多，工程性质各异。有些土类，由于地理环境、气候条件、地质成因、物质成分及次生变化等原因而各具有与一般土类显著不同的特殊工程性质，当其作为建筑场地、地基及建筑环境时，如果不注意这些特点，并采取相应的治理措

18、施，就会造成工程事故。,特殊土是指淤泥、黄土、膨胀土和盐渍土等工程性质比较特殊的土。,特殊土的分布,各种天然或人为形成的特殊土的分布，都有其一定的规律，表现一定的区域性。沿海及内陆地区各种成因的软土;主要分布于西北、华北等干旱、半干旱气候区的黄土；西南亚热带湿热气候区的红粘土；主要分布于南方和中南地区的膨胀土；高纬度、高海拔地区的多年冻土及盐渍土、人工填土和污染土等。,（一）地下水位变化对黄土湿陷的影响,1.黄土的一般特征,2.湿陷性黄土的定义,3.黄土湿陷性的形成原因,4.黄土湿陷性的影响因素,5.湿陷性黄土地基的处理方法,（一）地下水位变化对黄土湿陷的影响,定义:黄土是第四纪干旱和半干旱气

19、候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色:多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色；颗粒组成:以粉土粒为主，约占60-70，粒度大小较均匀，粘粒含量较少，一般仅占10-20；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；含水量小，一般仅8%-20；孔隙比大，一般在10左右，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。,1.黄土的一般特征,凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。否则，称为非湿陷性黄土。非湿陷性黄土的工程性质接近一般粘性土。分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度、地基湿陷类型和湿陷等级，是

20、黄土地区工程勘察与评价的核心问题。,2.湿陷性黄土,黄土在我国分布很广，面积约63万km2。其中湿陷性黄土约占34，遍及甘、陕、晋的大部分地区以及豫、宁、冀等部分地区。此外，新疆和鲁、辽等地也有局部分布。,3.黄土湿陷性的形成原因,内在因素：黄土的结构特征及其物质组成。黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的，干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件。,黄土在干燥时具有较高的强度，而遇水后表现出明显的湿陷性，这是由黄土本身特殊的成分和结构所决定的。,外部条件：水的浸润和压力作用。,（1）成分特征,矿物成分：黄土的矿物成分主要是石英、长石、碳酸盐、粘土矿物。此外，还有少量的云母和重矿物，易溶盐

21、、中溶盐和有机物的含量较少，一般都不超过百分之二。粒度成分：黄土基本上是由0.25毫米的颗粒组成的，尤以0.10.01毫米的颗粒占主要地位。,粉粒(0.05-0.005mm)：超过一半，甚至达60-70；砂粒(0.05mm)：含量较少，很少超过20，且主要是的微砂；粘粒(0.005mm)：含量变化较大，从5到35，最常见为1525。,3.黄土湿陷性的形成原因,（2）结构特征,石英和长石的微砂和粗粉粒构成基本骨架，其中砂粒基本上常互相不接触，浮在以粗粉粒所组成的架空结构中。,以石英和碳酸钙等的细粉粒作为填充料，聚集在较粗颗粒之间。以高岭石和水云母为主的粘粒和所吸附的结合水以及部分水溶盐作为胶结材

22、料，依附在上述各种颗粒的周围，将较粗颗粒胶结起来，形成大孔和多孔的结构形式。,3.黄土湿陷性的形成原因,黄土的这种特殊结构形式是在干燥气候条件下形成和长期变化的产物。黄土在形成时是极松散的，靠颗粒的摩擦或在少量水分的作用下略有连结。水分逐渐蒸发后，体积有些收缩，胶体、盐分、结合水集中在较细颗粒周围，形成一定的胶结连结。经过多次的反复湿润干燥过程，盐分累积增多，部分胶体陈化，因此逐渐加强胶结连结而形成上述较松散的结构形式。,黄土的成分和结构上的基本特点是：以石英和长石组成的粉粒为主，矿物亲水性较弱，粒度细而均一，连结虽较强但不抗水；未经很好压实，结构疏松多孔，大孔性明显。所以，黄土具有明显的遇水

23、连结减弱，结构趋于紧密的倾向。,黄土结构示意图,根据近年来国内外学者对黄土湿陷本质的研究，认为黄土的湿陷是因水分的增加削弱了粒间联结，导致黄土中的孔隙急剧而大量的破坏。,4.黄土湿陷性的影响因素,黄土湿陷性强弱与其微结构特征、颗粒组成、化学成分等因素有关，在同一地区，土的湿陷性又与其天然孔隙比和天然含水量有关，并取决于浸水程度和压力大小。,根据对黄土的微结构的研究，黄土中骨架颗粒的大小、含量和胶结物的聚集形式，对于黄土湿陷性的强弱有着重要的影响。,骨架颗粒愈多，彼此接触，则粒间孔隙大，胶结物含量较少，成薄膜状包围颗粒，粒间连结脆弱，因而湿陷性愈强；相反，骨架颗粒较细，胶结物丰富，颗粒被完全胶结

24、，则粒间连结牢固，结构致密，湿陷性弱或无湿陷性。,4.黄土湿陷性的影响因素,4.黄土湿陷性的影响因素,黄土中粘土粒的含量愈多，并均匀分布在骨架颗粒之间，则具有较大的胶结作用，土的湿陷性愈弱。黄土中的盐类，如以较难溶解的碳酸钙为主而具有胶结作用时，湿陷性减弱，而石膏及易溶盐含量愈大，土的湿陷性愈强。,4.黄土湿陷性的影响因素,影响黄土湿陷性的主要物理性质指标为天然孔隙比和天然含水量。,当其它条件相同时，黄土的天然孔隙比愈大，则湿陷性愈强。实际资料表明：西安地区的黄土，如e0.9，则一般不具湿陷性或湿陷性很小；兰州地区的黄土，如e0.86，则湿陷性一般不明显。黄土的湿陷性随其天然含水量的增加而减弱

25、。,在一定的天然孔隙比和天然含水量情况下，黄土的湿陷变形量将随浸湿程度和压力的增加而增大，但当压力增加到某一个定值以后，湿陷量却又随着压力的增加而减少。,5.湿陷性黄土地基的处理方法,膨胀土的分布与研究意义膨胀土的特征及其判别影响膨胀土胀缩变形的主要因素膨胀土灾害的防治措施,（二）地下水位变化对膨胀土的影响,膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。膨胀土一般强度较高，压缩性低，易被误认为工程性能较好的土，但由于具有膨胀和收缩特性，在膨胀土地区进行工程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往造成坡地

26、建筑场地崩塌、滑坡、地裂等严重的不稳定因素。,1.膨胀土的分布与研究意义,我国是世界上膨胀土分布广、面积大的国家之一，据现有资料在广西、云南、湖北、河南、安微、四川、河北、山东、陕西、浙江、江苏、贵州和广东等地均有不同范围的分布。按其成因大体有残积坡积、湖积、冲积洪积和冰水沉积等四个类型，其中以残、坡积型和湖积型者胀缩性最强。从形成年代看，一般为上更新统及其以前形成的土层。从分布的气候条件看，在亚热带气候区的云南、广西等地的膨胀土与全国其他温带地区者比较，胀缩性明显强烈。,1.膨胀土的分布与研究意义,土体的现场工程地质特征膨胀土的物理、力学及胀缩性指标已有建筑物的变形、裂缝特征膨胀土的判别,2

27、.膨胀土的特征及其判别,地形、地貌特征：膨胀土多分布于II级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于I级阶地。呈垄岗式低丘，浅而宽的沟谷。地形坡度平缓，无明显的自然陡坎；人工地貌，如沟渠、坟墓、土坑等很快被夷平，或出现剥落、“鸡爪冲沟”；在池塘、库岸、河溪边坡地段常有大量塌坍或小滑坡发生；旱季地表出现地裂，长数米至数百米、宽数厘米至数十厘米，深数米。特点是多沿地形等高线延伸，雨季闭合。,土体的现场工程地质特征,2.膨胀土的特征及其判别,颜色：呈黄、黄褐、灰白、花斑(杂色)和棕红等色。多为高分散的粘土颗粒组成，常有铁锰质及钙质结核等零星包含物，结构致密细腻。一般呈坚硬硬塑状态，但雨天浸水剧烈变软。

28、近地表部位常有不规则的网状裂隙。裂隙面光滑，呈蜡状或油脂光泽，时有擦痕或水迹，并有灰白色粘土(主要为蒙脱石或伊里石矿物)充填，在地表部位常因失水而张开，雨季又会因浸水而重新闭合。,土体的现场工程地质特征,2.膨胀土的特征及其判别,土质特征：,膨胀土的物理、力学及胀缩性指标,2.膨胀土的特征及其判别,粘粒含量多达35-85%。其中粒径0.002mm的胶粒含量一般也在3040范围。液限一般为4050。塑性指数多在2235之间。天然含水量接近或略小于塑限，常年不同季节变化幅度为36。故一般呈坚硬或硬塑状态。天然孔隙比小，变化范围常在0.500.80之间。云南的较大为0.71.2。同时，其天然孔隙比随

29、土体湿度的增减而变化，即土体增湿膨胀，孔隙比变大；土体失水收缩，孔隙比变小。,关于膨胀土的强度和压缩性,膨胀土在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低。往往由于干缩，裂隙发育，呈现不规则网状与条带状结构，破坏了土体的整体性，降低承载力，并可能使土体丧失稳定性。,当膨胀土的含水量剧烈增大或土的原状结构被扰动时，土体强度会骤然降低，压缩性增高。这显然是由于土的内摩擦角和内聚力都相应减小及结构强度破坏的缘故。膨胀土被浸湿后，其抗剪强度将降低1/3-2/3。而由于结构破坏，将使其抗剪强度减小2/3/3/4，压缩系数增高1/42/3.,膨胀土的物理、力学及胀缩性指标,已有建筑物的变形、裂

30、缝特征,对已有建筑物地区，建于同一地貌单元的相同土层上的已有建筑物的某些特定变形开裂情况，是发现、判别膨胀土的一种比较准确的方法。,建筑物破坏一般是在同一地貌单元的相同土层地段成群出现，特别是气候强烈变化(如长期干旱等)之后更是如此；低、轻房屋最易破坏，四层楼损坏者是极个别的；在同一建筑范围，破坏变形大小与荷载分布无关，而是受地基胀缩变形条件控制，往往在相同荷载部位产生很大的差异变形；建筑物裂缝具有随季节变化而往复伸缩的性质。,2.膨胀土的特征及其判别,膨胀土的判别,膨胀土的判别，是解决膨胀土问题的前提，只有确认了膨胀土及其胀缩性等级才可能有针对性地研究、确定需要采取的防治措施问题。,膨胀土的

31、判别方法，应采用现场调查、与室内物理性质和胀缩特性试验指标鉴定相结合的原则。即首先必须根据土体及其埋藏、分布条件的工程地质特征和建于同一地貌单元的已有建筑物的变形、开裂情况作初步判断，然后再根据试验指标进一步验证，综合判别。,凡具有前述土体的工程地质特征以及已有建筑物变形、开裂特征的场地，且土的自由膨胀率大于或等于40的土，应判定为膨胀土。,2.膨胀土的特征及其判别,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,内在因素,矿物成分,膨胀土主要由蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物组成。蒙脱石矿物亲水性更强，具有既易吸水又易失水的强烈活动性。伊利石亲水性比蒙脱石低，但也有较高的活动性。蒙脱石矿物吸附外来的阳离子的类

32、型对土的胀缩性也有影响，如吸附钠离子(钠蒙脱石)就具有特别强烈的胀缩性。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,内在因素,粘粒的含量,由于粘土颗粒细小，比面积大，因而且有很大的表面能，对水分子和水中阳离子的吸附能力强。因此，土中粘粒含量众多，则土的胀缩性愈强。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,内在因素,土的初始密度和含水量,对于含有一定数量的蒙脱石和伊利石的粘土来说，当其在同样的天然含水量条件下浸水，天然孔隙比愈小，土的膨胀愈大，而收缩愈小。反之，孔隙比愈大，收缩愈大。土中原有的含水量与土体膨胀所需的含水量相差愈大时，则遇水后土的膨胀愈大，而失水后土的收缩愈小。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素

33、,内在因素,土的结构强度,结构强度愈大，土体抵制胀缩变形的能力也愈大。当土的结构受到破坏以后，土的胀缩性随之增强。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,外在因素,气候条件,气候条件是首要因素。膨胀土分布地区年降雨量的大部分一般集中在雨季，继之是延续较长的旱季。如建筑场地潜水位较低，则表层膨胀土受大气影响，土中水分处于剧烈的变动之中。在雨季，土中水分增加，在干旱季节则减少。房屋建造后，室外上层受季节性气候影响较大，因此，基础的室内外两侧土的胀缩变形有明显差别，有时甚至外缩内胀，致使建筑物受到反复的不均匀变形的影响，从而导致建筑物的开裂。季节性气候变化对地基土中水分的影响随深度的增加而递减。因此，确

34、定建筑物所在地区的大气影响深度对防治膨胀土的危害具有实际意义。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,外在因素,地形地貌条件,在丘陵区和山前区，不同地形和高程地段地基上的初始状态及其受水蒸发条件不同，因此，地基土产生胀缩变形的程度也各不相同。凡建在高旷地段膨胀土层上的单层浅基建筑物裂缝最多，而建在低洼处、附近有水田水塘的单层房屋裂缝就少。这是由于高旷地带蒸发条件好，地基土容易干缩，而低洼地带土中水分不易散失，且补给有源，湿度较能保持相对稳定的缘故。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,外在因素,日照、通风影响,某U字形房屋建造在成都粘土(膨胀土)层上，前纵墙出现裂缝，而后纵墙完好无损，经分析其原因是

35、，前纵墙通风条件较后纵墙为好，使地基土水分易于蒸发、土体收缩，从而引起砖墙裂缝。,膨胀土地基土建筑物开裂情况的许多调查资料表明：房屋向阳面，即南、西、东、尤其南、西两面外裂较多，背阳面即北面开裂很少，甚至没有。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,外在因素,建筑物周围的阔叶树,在炎热和干早地区，建筑物周围的阔叶树(特别是不落叶的桉树)对建筑物的胀缩变形造成不利影响。尤其在旱季，当无地下水或地表水补给时，由于树根的吸水作用，会使土中的含水量减少，更加剧了地基上的干缩变形，使近旁有成排树木的房屋产生裂缝。,3.影响膨胀土胀缩变形的主要因素,外在因素,局部渗水的影响,对于天然湿度较低的膨胀土，当建筑物

36、内、外有局部水源补给(如水管漏水、雨水和施工用水未及时排除)时，必然会增大地基胀缩变形的差异。在膨胀土地基上建造冷库或高温构筑物如无隔热措施，也会因不均匀胀缩变形而开裂。,4.膨胀土灾害的防治措施,膨胀土地基的防治措施,场地选择：尽量避开膨胀土发育区，或选择地形简单、胀缩性相对较小、地下水位变化小、容易排水的地区。防水保湿措施：防止地表水下渗和土中水分蒸发，保持地基土湿度的稳定，从而控制胀缩变形。包括在建筑物周围设置散水坡、水管及有水地段的防漏、合理绿化等。地基改良措施：换土法或石灰加固法。,膨胀土边坡的防治措施,防止地表水下渗坡面防护加固支挡措施,4.膨胀土灾害的防治措施,一、地下水基本概念

37、,地下水与环境岩土工程,二、地下水位与环境岩土工程的关系,三、砂土液化及防治,四、地下水位变化对特殊土工程性质的影响,五、地下水资源保护及污染防治,96.53%,0.94%,2.53%,68.70%,30.06%,0.27%,0.04%,0.02%,0.01%,全球水体构成,淡水水体构成,（一）我国水资源现状和存在问题,按循环周期分类：,（江河水、湖泊水、浅层地下水）,（冰川、深层地下水）,陆地水更新循环类型及其更新循环周期,河水16天,深层地下水1400年,冰川1600年,阜阳市由于超量开采地下水已形成了1200平方千米的地下水位降落漏斗。地下水位下降引起地面沉降，沉降范围达450平方千米，

38、市区最大沉降量已达1418毫米。,资料一：,资料二“世界水日”的来历 1992年6月参加联合国环境与发展大会的一百多个国家元首和政府首脑联笔写下了这样的警句：“水不仅为维护地球的一切生命所必须，而且对一切社会经济部门都有生死攸关的重要意义。”继之，联合国大会决定，自1993年起，确定每年的3月22日为“世界水日”，各国根据各自的国情，在这一天就水资源保护与开发开展活动，以提高公众意识。,人类面临空前的水资源危机 21世纪，随着人口的增长，农业用水将增加5倍，工业用水将增加26倍，城乡各地生活用水将增加18倍。在非洲有12个国家常年缺水，四亿多人饮水不足，而在巴西、俄罗斯、加拿大等国，许多大河滔

39、滔入海，水资源未得到有效的利用。,资料三：,1、我国水资源总量,平均降水总量 61889亿m3(648mm,19561979),形成河川径流总量27115亿m3，占降水量的44%。地下水资源量约8288亿m3,其中山丘区6762亿m3 平原区1874亿m3（包括重复量）。全国水资源总量28124亿m3（已扣除地表水和地下水相互转化的重复量）,（一）我国水资源现状和存在问题,2、我国水资源特点,我国人均水资源仅2220 m3，偏少，只有世界人均水资源的1/4。到21世纪中叶，16亿人口，人均水资源就只有1760 m3，进入联合国用水紧张国家的行列。特点是地区上分布极不均匀，和人口、土地、生产力布

40、局不相匹配。,3、水资源的利用和存在的问题,全国城乡用水急剧增加1980年全国用水4437亿m3，人均用水450m3；2001年增加到5567亿m3，人均用水436 m3。用水结构发生变化 1980年 2001年农业用水3699亿m3（占83.4%）3826 亿m3(占68.7%)工业用水457亿m3(占10.3)1142亿m3(占20.5%)生活用水280亿m3（占6.3%）600亿m3(占10.8%),我国的用水总量已超过美国（1995年美国总用水量 5554亿m3，其中淡水4703亿m3），居世界第一位。但全国平均人均用水量436m3/人，仅相当美国的14（淡水），世界人均用水量的23。

41、万元GDP用水量大。我国2001年工业废水和城镇生活污水排放总量626亿 吨，全国符合和优于三类水的河长占总评价河长的 61.4%，比上年增加了2.7个百分点，但水污染问题仍 然十分突出。,缺乏合理规划优质水得不到优用。深层水一般为优质水，部分达到矿泉水标准。但75%用于一般工业和空调用水，仅25%用于食品工业和居民生活饮用，而8090%的居民饮用地表水。管理迟后。往往是无序开采，如苏锡常地区出了问题，19961999以来才实行计划开采。深、浅层水开采量与资源量不协调。如苏锡常地区浅层水可采资源97.38*108 m3/a，开采量仅3.62*108 m3/a，而 深层水严重超采。,北方的持续干

42、旱、地下水超采和水污染发展，出现了严重的资源型缺水。南方水污染得不到控制，造成了污染型缺水。西北内陆地区水土资源过量开发，造成了生态环境恶化，出现了生态型缺水。全国大部分地区的供水安全尚得不到保证。由此引发的环境问题突出。,3、水资源的利用和存在的问题,（二）地下水资源的保护,保护地下水量不因超量开采而被很快消耗，乃至枯竭；保护地下水质不被污染和恶化；保证不因开采地下水而产生不良的地质环境问题。其目的就是要使人们进一步认识到不合理开采地下水资源将会带来的危害，要从管理地下水资源和保护地质环境的角度出发，重视保护地下水资源，使有限的地下水资源能够长期地、安全地得到开发利用，造福于人类。,1.预防

43、对策合理评价地下水资源，对地下水、地表水进行全面规划、统一调度。统筹兼顾地下水开采和矿坑排水，供排结合，减少地下水开采量，充分利用水资源。加强对地下水资源开发利用的管理，杜绝无政府主义，避免“三集中”开采。提高对地下水资源保护重要性的认识，珍惜水资源，建立节水型社会。,（二）地下水资源的保护,2.治理措施压缩开采量。减少开采井数和单井开采量，把总开采量压缩到地下水补给量所允许的范围内。调整开采井布局。减小开采井密度，扩大水源地范围；减少某些开采层位、开采地段的开采强度；对大厚度含水层或多个含水层，可采用分段取水或分层取水办法。建立合理的开采制度。实行采水许可，限制井距、井深、水位降深和单井开采

44、量。,（二）地下水资源的保护,2.治理措施人工补给地下水。对条件允许的地区，可对含水层进行地下水的人工补给，以扩大地下水的资源量，防止区域地下水位的持续下降。加强对水情的监测和预报工作。要建立和健全地下水动态监测网，及时发现和了解地下水的动态变化趋势。,（二）地下水资源的保护,3.地下水人工补给 通过各种人工方法，把地表水补充、蓄积到含水层中，以提升地下水位、增加地下水资源总量，弥补地表水资源天然流失较大、时间分布不均和难以全部利用的缺点。是解决因过量开采地下水致使水资源严重不足和改善水环境的一个重要途径，也是防治区域地下水位持续下降，海水入侵及地面沉降等地质灾害的有效措施之一。,（二）地下水

45、资源的保护,直接补给法：单纯以人工补给地下水为直接目的的方法，如地面入渗法、管井注入法、地下径流调节法等。间接补给法：为其它目的而修建的工程，同时也起到增加地下水补给量的方法，如修建地表水库、农田灌溉、傍河取水、造林绿化等。,3.地下水人工补给,借助地表水与地下水之间的天然水头差，使地表水体面状自然下渗补给浅层含水层，以增加含水层的储存量。应用条件：a、地形平缓的山前冲洪积扇、冲积河谷和平原潜水含水层分布区；b、表层地层具有较好的透水性；c、接受补给的含水层分布面积广，并具有一定厚度和较大空隙度；d、入渗补给区与取水建筑物之间应有一定的距离。优点：投入少；补给量大；管理方便缺点：占地面积大；补

46、给水易蒸发；可能造成土 壤次生盐碱化、沼泽化；只适用于潜水含水层.,地面入渗法,将补给水通过钻孔、大口井或坑道直接注入含水层中，以增加地下水的资源总量。应用条件：承压含水层或埋藏较深的潜水含水层优点：不受地形限制；占地少；可向指定的含水层回灌缺点：井管和含水层容易被阻塞；对补给水水质要求较高；工程投资和运行费用较高,管井注入法,1.地下水水质恶化的主要特征及危害 地下水在开发利用过程中，因环境污染和水动力条件、水化学形成条件的改变，以及不良的开采手段所造成的水中某些化学、微生物成分的含量不断增加，以至超出规定的使用标准的水质变化过程。,（三）地下水污染与防治,地下水水质恶化的表现形式地下水中出

47、现了本不应该存在的各种有机化合物（如合成洗涤剂、去污剂、有机农药等）。天然水中含量极微的毒性金属元素（如汞、铬、镉、砷铅及某些放射性元素）大量进入地下水中。各种细菌、病毒在地下水体中大量繁殖，其含量远超出国家饮用水水质标准的界限指标。地下水的硬度、矿化度、酸度和某些常规离子含量不断增加，以至大幅度地超过了规定的使用标准。,1.地下水水质恶化的主要特征及危害,地下水水质恶化的危害减少了地下水可采资源的数量（水质型缺水）。影响了人体的健康。损害了工业产品的质量。改变了土壤的性质，使农作物大幅度减产。增加了水处理成本。,1.地下水水质恶化的主要特征及危害,2.地下水水质恶化的原因存在引起地下水水质恶

48、化的污染源存在污染物质进入含水层的途径,（三）地下水污染与防治,天然污染源：自然界中本来就存在的各种劣质水体（如地表污水体、地下高矿化水等）；含水介质或包气带中所含的某些易溶盐类。人为污染源：人类活动所形成的污染源。,污染源,直接污染源：各种污染物直接通过包气带进入含水层中。如生活污水和工业废水不经处理的随意排放；农药、化肥的大量施用；工业废渣和城市垃圾的不合理堆放、填埋等。间接污染源：各种污染物先进入大气或地表水体，而后再通过各种途径进入含水层中。如工业废气排放产生的“酸雨”；污水灌溉；输油管道的泄漏；井管或输水管道的腐蚀等。,通过包气带渗入：在开采井降落漏斗的影响范围内，污染物通过包气带向

49、地下水面垂直下渗。如污水池、垃圾填埋场等。污染程度主要取决于：包气带岩层的厚度；包气带岩性对污染物的吸附和自净能力；污染物的迁移强度。由地表水侧向渗入：被污染的地表水从水源地外围侧向进入开采含水层，或海水入侵到淡水含水层。污染程度取决于含水介质的结构、水动力条件和水源地距地表水体的距离。,污染途径,由集中通道直接注入天然通道：与污染源相沟通的各种导水断裂、岩 溶裂隙带及隔水顶板缺失区（天窗）。一般多呈线状或点状分布，可使埋深较大的承压水体受到污染。人为通道：在各种地下工程、水井的施工中，因破坏了含水层隔水顶、底板的防污作用，使工程本身构成了劣质水进入含水层的通道。,污染途径,原本以為農藥污染可

50、自然過濾,雖然於1960年代，當已經注意到農藥對健康的傷害時，一般人還是認為這些農藥只會在動物和植物間擴散，而不會滲入地下。農藥被認為只會有極少量會滲入土壤上層；就算是滲透到土壤上層，通常也會在其滲入更深的地層前就被自然分解了。土壤，畢竟具有自然過濾的功能，水經過它將可因而純化。工業或農業用的化學物質都被認為可如同自然落葉或灰塵，可以經過土壤而被過濾掉。,經過35年後，這些看來是不會錯的想法卻已經被証明為是錯誤的,地下水遭受農藥嚴重污染的案例已經在美國、西歐、拉丁美洲和亞洲南部的農業地區發現。現在我們知道的是農藥不僅會滲入地下水層，而且在這些農藥已經不再使用後仍然殘留。譬如，DDT仍然在美國的