地下水与环境岩土工程.ppt
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1、地下水与环境岩土工程 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望参考文献地下水与环境岩土工程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)根据埋藏条件分类根据埋藏条件分类 (上层滞
2、水)(潜水)(承压水)根据水和含水介质的相互作用分类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条件分类根据埋藏条件分类(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
3、特殊土工程性质的影响五、地下水资源保护及污染防治五、地下水资源保护及污染防治(一)环境对地下水位的影响1.1.温室效应引起的地下水位变化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2.2.人为开采引起的地下水位的降低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1.1.地下水位上升的情况地下水位上升的情况2.2.地下水位下降的情况地下水位下降的情况(一)环境对地下水位的影响(一)环境对地下水位的影响1.1.温室效应引起的地下水位变化温室效应引起的地下水位变化气温升高气温升高冰川消退冰川消退海平面及河海平面及河川水位抬高川水位抬高地下水地下水位升高位升高2.2.人为
4、开采引起的地下水位的降低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(二)地下水位变化对岩土工程的影响1.1.地下水位上升的情况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浅基础地基承载力降低地下水位上升对岩土工程的影响地下水位上升对岩土工程的影响u沉
5、浸在水中的土将失去由毛细管应力或弱结合力所形成的表观粘聚力,使承载力降低;u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粘性土最大下降率在50%50%左右;左右;砂性土最大下降率可达砂性土最大下降率可达70%70%。土壤沼泽化、盐渍化土壤沼泽化、盐渍化地下水位上升对岩土工程的影响地下水位上升对岩土工程的影响地表土层含水量增大地表土层含水量增大沼泽化;沼泽化;蒸发浓缩蒸发浓缩盐渍化盐渍化 对建筑物腐蚀。对建筑物腐蚀。冻胀作用冻胀作用地基冻胀,地表隆起;地基冻胀,地表隆起;融沉融沉建筑物开裂。建筑物开裂。(二)地下水位变化对岩土工程的影响(二)地下水位变化对岩土工程
6、的影响2.2.地下水位下降的情况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(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,
7、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(sand 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
8、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: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
9、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2.6-2.9m,塌陷区边缘出现大量宽1-2m的环形裂缝,全村变为池塘。地震引起砂土液化地震引起砂土液化(台中港台中港1-4码头码头)(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件u砂土层本身砂土的成分砂土的成分砂土的结构砂土的结构饱水砂层的埋藏条件饱水砂层的埋藏条件u地震方面地震的强烈程度地震的强烈程度地震的持续时间地震的持续时间三、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
10、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。通常以砂土的通常以砂土的相对密度相对密度和砂土的和砂土的粒径和级配粒径和级配来表来表征砂土的液化条件。征砂土的液化条件。(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件1.1.砂土特性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。u砂土的相对密度砂土的相对密度 一般而言一般而言,松砂极易完全液化松砂极易完全液化,而密砂则经
11、多次循环的而密砂则经多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。也就是说,动荷载后也很难达到完全液化。也就是说,砂的结构砂的结构疏松是液化的必要条件疏松是液化的必要条件。目前较普遍采用的目前较普遍采用的表征砂土的疏密界限的定量指标是表征砂土的疏密界限的定量指标是相对密度相对密度D Dr r D Dr r=(e=(emaxmax-e)/(e-e)/(emaxmax-e-eminmin)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。1.1.砂土特性砂土特性相对密度低,孔隙率大,容易液化。相对密度低,孔隙率大,容易液化。u砂土的粒度和级配砂土的粒度和级配1.1.砂土特性砂土特性砂
12、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。所以具备一定粒度成分和级配具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:P Pz z=h+(-=h+(-w w)(Z-h)(Z-h)(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件2.2.饱水砂土层
13、的埋藏条件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。液化盖层愈薄,则愈易液化。具备上述的颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖颗粒细、结构疏松、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅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近代河口三角洲砂体和近期河床近期河床堆积砂体堆积砂体,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,主要形成于河口三角洲砂体内。(二二)区域性砂土地震
14、液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件3.3.饱水砂层的成因和时代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。4.4.地震强度及持续时间地震强度及持续时间(二二)区域性砂土地震液化的形成条件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.
15、25,0.0150.5mm。亦即地震烈度愈高,可液化的砂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。5.5.砂土地震液化的判别砂土地震液化的判别u地震液化初判的限界指标地震液化初判的限界指标地震条件地震条件地质条件地质条件埋藏条件埋藏条件土质条件土质条件(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件5.5.砂土地震液化的判别砂土地震液化的判别(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件u现场测试法现场测试法 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
16、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。5.5.砂土地震液化的判别砂土地震液化的判别(二二)区域性砂土地震液化的形成条件区域性砂土地震液化的形成条件理论计算判别理论计算判别 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能引起该砂土层液化的剪应力剪应力,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据地震加速度求得的等效平均剪应力速度求得的等效平均剪应力a,则可
17、能液化,其表示式为:0.05mm)(0.05mm):含含量量较较少少,很很少少超超过过2020,且且主要是主要是0.1-0.05mm0.1-0.05mm的微砂;的微砂;3.3.粘粘粒粒(0.005mm)0.005mm):含含量量变变化化较较大大,从从5 5到到3535,最常见为,最常见为15152525。3.3.黄土湿陷性的形成原因黄土湿陷性的形成原因(2)结构特征)结构特征u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。u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。u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
18、结材料,依附在上述各种颗粒的周围,将较粗颗粒胶结起来,形成大大孔孔和和多孔的结构形式多孔的结构形式。3.3.黄土湿陷性的形成原因黄土湿陷性的形成原因 黄黄土土的的这这种种特特殊殊结结构构形形式式是是在在干干燥燥气气候候条条件下形成和长期变化的产物件下形成和长期变化的产物。p黄黄土土在在形形成成时时是是极极松松散散的的,靠靠颗颗粒粒的的摩摩擦擦或或在少量水分的作用下略有连结。在少量水分的作用下略有连结。p水水分分逐逐渐渐蒸蒸发发后后,体体积积有有些些收收缩缩,胶胶体体、盐盐分分、结结合合水水集集中中在在较较细细颗颗粒粒周周围围,形形成成一一定定的的胶结连结。胶结连结。p经经过过多多次次的的反反复
19、复湿湿润润干干燥燥过过程程,盐盐分分累累积积增增多多,部部分分胶胶体体陈陈化化,因因此此逐逐渐渐加加强强胶胶结结连连结结而而形成上述较松散的结构形式。形成上述较松散的结构形式。黄黄土土的的成成分分和和结结构构上上的的基基本本特特点点是是:以以石石英英和和长长石石组组成成的的粉粉粒粒为为主主,矿矿物物亲亲水水性性较较弱弱,粒粒度度细细而而均均一一,连连结结虽虽较较强强但但不不抗抗水水;未未经经很很好好压压实实,结结构构疏疏松松多多孔孔,大大孔孔性性明明显显。所所以以,黄黄土土具具有有明明显显的的遇遇水水连连结结减减弱弱,结结构构趋趋于于紧紧密密的倾向的倾向。黄土结构示意图黄土结构示意图黄土结构示
20、意图黄土结构示意图根根据据近近年年来来国国内内外外学学者者对对黄黄土土湿湿陷陷本本质质的的研研究究,认认为为黄黄土土的的湿湿陷陷是是因因水水分分的的增增加加削削弱弱了了粒粒间间联联结结,导导致致黄黄土土中中的的孔孔隙隙急急剧剧而而大量的破坏。大量的破坏。4.4.黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性的影响因素 黄黄土土湿湿陷陷性性强强弱弱与与其其微微结结构构特特征征、颗颗粒粒组组成成、化化学学成成分分等等因因素素有有关关,在在同同一一地地区区,土土的的湿湿陷陷性性又又与与其其天天然然孔孔隙隙比比和和天天然然含含水水量量有有关关,并并取取决决于于浸浸水水程程度度和压力大小。和压力大小。根根据据对对黄黄土
21、土的的微微结结构构的的研研究究,黄黄土土中中骨骨架架颗颗粒粒的的大大小小、含含量量和和胶胶结结物物的的聚聚集集形形式式,对对于于黄黄土土湿湿陷陷性的强弱有着重要的影响。性的强弱有着重要的影响。u骨骨架架颗颗粒粒愈愈多多,彼彼此此接接触触,则则粒粒间间孔孔隙隙大大,胶胶结结物物含含量量较较少少,成成薄薄膜膜状状包包围围颗颗粒粒,粒粒间间连连结脆弱,因而湿陷性愈强;结脆弱,因而湿陷性愈强;u相相反反,骨骨架架颗颗粒粒较较细细,胶胶结结物物丰丰富富,颗颗粒粒被被完完全全胶胶结结,则则粒粒间间连连结结牢牢固固,结结构构致致密密,湿湿陷陷性弱或无湿陷性。性弱或无湿陷性。4.黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性
22、的影响因素 4.黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性的影响因素黄黄土土中中粘粘土土粒粒的的含含量量愈愈多多,并并均均匀匀分分布布在在骨骨架架颗颗粒粒之间,则具有较大的胶结作用,土的湿陷性愈弱。之间,则具有较大的胶结作用,土的湿陷性愈弱。黄黄土土中中的的盐盐类类,如如以以较较难难溶溶解解的的碳碳酸酸钙钙为为主主而而具具有有胶胶结结作作用用时时,湿湿陷陷性性减减弱弱,而而石石膏膏及及易易溶溶盐盐含含量量愈愈大,土的湿陷性愈强。大,土的湿陷性愈强。4.黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性的影响因素影影响响黄黄土土湿湿陷陷性性的的主主要要物物理理性性质质指指标标为为天天然然孔孔隙隙比比和天然含水量和天然含水量。1
23、.1.当当其其它它条条件件相相同同时时,黄黄土土的的天天然然孔孔隙隙比比愈愈大大,则则湿湿陷陷性性愈愈强强。实实际际资资料料表表明明:西西安安地地区区的的黄黄土土,如如e e0.90.9,则则一一般般不不具具湿湿陷陷性性或或湿湿陷陷性性很很小小;兰兰州州地地区区的的黄黄土土,如如e e0.860.86,则则湿湿陷陷性性一般不明显。一般不明显。2.2.黄土黄土的湿陷性随其天然含水量的增加而的湿陷性随其天然含水量的增加而减弱。减弱。在在一一定定的的天天然然孔孔隙隙比比和和天天然然含含水水量量情情况况下下,黄黄土土的的湿湿陷陷变变形形量量将将随随浸浸湿湿程程度度和和压压力力的的增增加加而而增增大大,
24、但但当当压压力力增增加加到到某某一一个个定定值值以以后后,湿湿陷陷量量却却又又随随着着压压力的增加而减少。力的增加而减少。5.湿陷性黄土地基的处理方法湿陷性黄土地基的处理方法1.膨胀土的分布与研究意义膨胀土的分布与研究意义2.膨胀土的特征及其判别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影响膨胀土胀缩变形的主要因素4.膨胀土灾害的防治措施膨胀土灾害的防治措施(二)地下水位变化对膨胀土的影响(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
25、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,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、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。广东等地均有不同范围的分布。1.1.按按其其成成因因大大体体有有残残积积坡坡积积、湖湖积积、冲冲积
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