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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
2、下水基本概念,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,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
3、响,1.温室效应引起的地下水位变化,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,
4、沉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； 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
5、、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,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
6、，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
7、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：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(台中港1-4码头),(二)
8、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
9、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
10、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
11、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,
12、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
13、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
14、； 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
15、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：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
16、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
