水文地質巖土工程勘察設計及施工

何永光 孫 譽

（畢節(jié)地區(qū)機械化施工隊，貴州 畢節(jié) 551700）

1 工程地質勘察中水文地質評價內容

在以往的工程勘察報告中,由于缺少結合基礎設計和施工需要評價地下水對巖土工程的作用和危害,在某地區(qū)已發(fā)生多起因地下水造成基礎下沉和建筑物開裂的質量事故,總結以往的經驗和教訓,在以后的工程勘察中,對水文地質問題的評價,主要應考慮以下內容:

(1)應重點評價地下水對巖土體和建筑物的作用和影響,預測可能產生的巖土工程危害,提出防治措施。

(2)工程勘察中還應密切結合建筑物地基基礎類型的需要,查明有關水文地質問題,提供選型所需的水文地質資料。

(3)不僅要查明地下水的天然狀態(tài)和天然條件下的影響,更重要的是分析預測在人為工程活動中地下水的變化情況,及對巖土體和建筑物的反作用。

(4)應從工程角度,按地下水對工程的作用與影響,提出不同條件下應當著重評價的地質問題,如：

①對埋藏在地下水位以下的建筑物基礎中水對混凝土及混凝土內鋼筋的腐蝕性。

②對選用軟質巖石、強風化巖、殘積土、膨脹土等巖土體作為基礎持力層的的建筑場地,應著重評價地下水活動對上述巖土體可能產生的軟化、崩解、脹縮等作用。

③在地基基礎壓縮層范圍內存在松散、飽和的粉細砂、粉土時,應預測產生液化潛蝕、流砂、管涌的可能性。

④當基礎下部存在承壓含水層,應對基坑開挖后承壓水沖毀基坑底板的可能性進行計算和評價。

⑤在地下水位以下開挖基坑,應進行滲透性和富水性試驗,并評價由于人工降水引起土體沉降、邊坡失穩(wěn)進而影響周圍建筑物穩(wěn)定性的可能性。

2 重視巖土水理性質的測試和研究

巖土水理性質是指巖土與地下水相互作用時顯示出來的各種性質。巖土水理性質與巖土的物理性質都是巖土重要的工程地質性質。巖土的水理性質不僅影響巖土的強度和變形,而且有些性質還直接影響到建筑物的穩(wěn)定性。以往在勘察中對巖土的物理力學性質的測試比較重視,對巖土的水理性質卻有所忽視,因而對巖土工程地質性質的評價是不夠全面的。

巖土的水理性質是巖土與地下水相互作用顯示出來的性質,而地下水在巖土中有不同的賦存方式,不同形式的地下水對巖土水理性質的影響程度有所不同,而且影響程度又與巖土類型有關。下面首先介紹一下地下水的賦存形式及對巖土水理性質的影響,然后再對巖土的幾個重要的水理性質及研究測試方法進行簡單的介紹。

(1)地下水的賦存形式及對巖土水理性質的影響：地下水按其在巖土中的賦存形式可分為結合水、毛細管水和重力水三種,其中結合水又可分為強結合水和弱結合水兩種。

①強結合水,又稱吸濕水,吸濕水被分子力吸附在巖土顆粒周圍形成極薄的水膜,是緊附于顆粒表面結合最牢固的一層水,其吸附力高達10MPa,在強壓下,其密度接近普通水的兩倍,具有極大粘滯性和彈性,可以抗剪切,但不受重力作用,也不能傳遞靜水壓力。弱結合水,又稱弱薄膜水,它處于吸著水之外,厚度大于吸著水。弱結合水所受的吸附力小于強結合水,可以在顆粒水膜之間作緩慢的移動,薄膜水在外界壓力下可以變形,但同樣不受重力影響,且不能傳遞靜水壓力。

結合水是地下水在粘性土中的主要賦存形式,在砂土中含量甚微。結合水尤其是弱結合水與粘性土相互作用時顯示出來的性質如可塑性、膨脹性、收縮性等歸為粘性土的物理力學性質,因其受強力束縛,活動范圍極為有限,對巖土的動態(tài)水理性質影響較小。

②毛細管水,是指由毛細管作用保持在巖土毛細管空隙中的地下水,可細分為孤立毛細管水、懸掛毛細管水、真正毛細管水。它同時受毛細管力和重力的作用,當毛細管力大于重力時,毛細管水就上升,因此地下水潛水面以上的普遍形式是一個與保水帶有水力聯(lián)系的含水量較高的濕水層。毛細管水能傳遞靜水壓力,并能在空隙中垂直上下運動,對巖土體能起到軟化的作用,有時會引起土壤的沼澤化或鹽漬化增強巖土體及地下水對建筑材料的腐蝕性。毛細管水在砂土和粉土中含量較高,在砂礫層含量較少,在粘土中含量很少。

③重力水,是指在重力作用下能在巖土孔隙、裂隙中自由運動的水,即我們通常所稱的狹義“地下水”。它不受分子力的影響,不能抗剪切,可以傳遞靜水壓力。由于重力水在天然和人為因素的影響下,在巖土中的滲流活動非?；钴S,對巖土的水理性質有顯著的影響。重力水是我們研究巖土水理性質的重點關注對象。

(2)巖土的主要的水理性質及其測試辦法：

①軟化性,是指巖土體浸水后,力學強度降低的特性,一般用軟化系數(shù)表示,即巖石在浸水飽和狀態(tài)下與風干狀態(tài)下極限抗壓強度之比,它是判斷巖石耐風化、耐水浸能力的指標。在巖石層中存在易軟化巖層時,在地下水的作用下往往會形成軟弱夾層。各類成因的粘性土層、泥巖、頁巖、泥質砂巖等均普遍存在軟化特性。

②透水性,是指水在重力作用下,巖土容許水透過自身的性能。巖土的滲透性的強弱首先決定于巖土空隙的大小和連通性,其次是空隙度的多少。松散巖土的顆粒愈細、愈不均勻,其透水性便愈弱。堅硬巖石的裂隙或巖溶愈發(fā)育,其透水性就愈強。透水性一般可用滲透系數(shù)表示,巖土體的滲透系數(shù)可通過抽水試驗求取。

③崩解性,是指巖土浸水濕化后,由于土粒連接被削弱、破壞,使土體崩散、解體的特性。巖土體的崩解特性包括崩解所需時間、崩解量、崩解方式等。巖土的崩解性與土的顆粒成分、礦物成分、結構等關系極大,以某地區(qū)的殘積土為例,一般崩解時間5～24h,崩解量1.79%～34%,以蒙脫石、水云母、高嶺土為主的殘積土以散開方式崩解,而以石英為主的殘積土多以裂開狀崩解為主。

④給水性,是指在重力作用下飽水巖土能從孔隙、裂隙中自由流出一定水量的性能,以給水度表示。給水度是含水層的一個重要水文地質參數(shù),它不但影響基坑涌水量大小,同時也影響場地疏干時間。給水度一般采用實驗室方法測定。

⑤脹縮性,是指巖土吸水后體積增大,失水后體積減小的特性,巖土的脹縮性是由于顆粒表面結合水膜吸水變厚,失水變薄造成的。巖土的脹縮性往往是產生地裂縫、基坑隆起的重要原因之一,對地基變形和土坡表層穩(wěn)定性有重要影響。標定巖土脹縮性的指標有:膨脹率、自由膨脹率、體縮率、收縮系數(shù)等。巖土的水理性質尚有持水性、容水性、毛細管性、可塑性等等,在這里不再一一敘述。

3 全面了解地下水引起的巖土工程危害

地下水引起的巖土工程危害,主要是由于地下水位升降變化和地下水動水壓力作用兩個方面的原因造成的。

3.1 地下水升降變化引起的巖土工程危害

地下水位變化可由天然因素或人為因素引起,但不管什么原因,當?shù)叵滤坏淖兓_到一定程度時,都會對巖土工程造成危害,地下水位變化引起危害又可分為3 種方式：

(1)水位上升引起的巖土工程危害。潛水位上升的原因是多種多樣的,其主要受地質因素如含水層結構、總體巖性產狀;水文氣象因素如降雨量、氣溫等及人為因素如灌溉、施工等的影響,有時往往是幾種因素的綜合結果。由于潛水面上升對巖土工程可能造成：

①土壤沼澤化、鹽漬化,巖土及地下水對建筑物腐蝕性增強。

②斜坡、河岸等巖土體巖產生滑移、崩塌等不良地質現(xiàn)象。

③一些具特殊性的巖土體結構破壞、強度降低、軟化。

④引起粉細砂及粉土飽和液化、出現(xiàn)流砂、管涌等現(xiàn)象。

⑤地下洞室充水淹沒,基礎上浮、建筑物失穩(wěn)。

(2)地下水位下降引起的巖土工程危害。地下水位的降低多是由于人為因素造成的,如集中大量抽取地下水、采礦活動中的礦床疏干以及上游筑壩、修建水庫截奪下游地下水的補給等。地下水的過大下降,常常誘發(fā)地裂、地面沉降、地面塌陷等地質災害以及地下水源枯竭、水質惡化等環(huán)境問題,對巖土體、建筑物的穩(wěn)定性和人類自身的居住環(huán)境造成很大威脅。

(3)地下水頻繁升降對巖土工程造成的危害。地下水的升降變化能引起膨脹性巖土產生不均勻的脹縮變形,當?shù)叵滤殿l繁時,不僅使巖土的膨脹收縮變形往復,而且會導致巖土的膨脹收縮幅度不斷加大,進而形成地裂引起建筑物特別是輕型建筑物的破壞。地下水升降變動帶內由于地下水的積極交替,會將土層中的膠結物——鐵、鋁成分淋失,土層失去膠結物將造成土質變松、含水量孔隙比增大,壓縮模量、承載力降低,給巖土工程基礎選擇、處理帶來較大的麻煩。

3.2 地下水動壓力作用引起巖土工程危害

地下水在天然狀態(tài)下動水壓力作用比較微弱,一般不會造成什么危害,但在人為工程活動中由于改變了地下水天然動力平衡條件,在移動的動水壓力作用下,往往會引起一些嚴重的巖土工程危害,如流砂、管涌、基坑突涌等。

4 結束語

在一些水文地質條件較復雜的地區(qū),由于工程勘察中對水文地質問題研究不深入,設計中又忽視了水文地質問題,經常發(fā)生由地下水引發(fā)的各種巖土工程危害問題,令勘察和設計處于難堪的境地。為提高工程勘察質量,在勘察中加強水文地質問題的研究是十分必要的,在工程勘察中不僅要求查明與巖土工程有關的水文地質問題,評價地下水對巖土體和建筑物的作用及其影響,更要提出預防及治理措施的建議,為設計和施工提供必要的水文地質資料,以消除或減少地下水對巖土工程的危害。