（1）潜水位上升引起的岩土工程问题

潜水位上升可以引起很多岩土工程问题，它包括：

①潜水位上升后，由于毛细水作用可能导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏。当地下潜水位上升至接近地表时，由于毛细作用的结果，而使地表土层过湿呈沼泽化，或由于强烈的蒸发浓缩作用，使盐分在上部岩土层中积聚形成盐渍土，这不仅改变了岩土原来的物理性质，而且改变了潜水的化学成分。矿化度增高，增强了岩土及地下水对建筑物的腐蚀性。

②潜水位上升，原来干燥的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象。

③崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏，强度降低，压缩性增大，而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏。

④潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能使建筑物基础上浮，危及安全。

（2）地下水位下降引起的岩土工程问题

地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入侵、地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭、水质恶化等一系列不良现象。

1）地表塌陷

岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。

2）地面沉降

地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土的压缩。许多大城市过量抽取地下水致使区域地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原因。同样的道理，由于在许多土木工程中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水周期长、水位降深大、土层有足够的固结时间，则会导致降水影响范围内的土层产生固结沉降，轻者造成邻近的建筑物、道路、地下管线的不均匀沉降；重者导致建筑物开裂、道路破坏、管线错断等危害的产生。人工降低地下水位导致土木工程的破坏还有另一方面的原因。如果抽水井滤网和反滤层的设计不合理或施工质量差，那么，抽水时会将土层中的粉粒、沙粒等细小土颗粒随同地下水一起带出地面，使降水井周围土层很快产生不均匀沉降，造成土木工程的破坏。另外，降水井抽水时，井内水位下降，井外含水层中的地下水不断流向滤管，经过一段时间后，在井周围形成漏斗状的弯曲水面——降落漏斗。由于降落漏斗范围内各点地下水下降的幅度不一致，因此会造成降水井周围土层的不均匀沉降。

3）海（咸）水入侵

近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。

4）地裂缝的产生与复活

近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。

5）地下水源枯竭、水质恶化

盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化度增高。

（3）地下水的渗透破坏

地下水的渗透破坏主要有3个方面：潜蚀、流沙和管涌。

1）潜蚀（suberosion）

渗透水流在一定水力坡度（即地下水水力坡度大于岩土产生潜蚀破坏的临界水力坡度）条件下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，以致产生地表裂隙、塌陷，影响工程的稳定。在黄土和岩溶地区的岩、土层中最容易发生潜蚀作用。

防止岩土层中发生潜蚀破坏的有效措施，原则上可分为两大类：一类是改变地下水渗透的水动力条件，使地下水水力坡度小于临界水力坡度；另一类是改善岩土性质，增强其抗渗能力，如对岩土层进行爆炸、压密、化学加固等，增加岩土的密实度，降低岩土层的渗透性。

2）流沙（quicksand）

流沙是指松散细小颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。流沙多发生在颗粒级配均匀的粉细沙中，有时在粉土中也会产生流沙。其表现形式是：所有颗粒同时从一近似于管状通道被渗透水流冲走。流沙发展结果是使基础发生滑移或不均匀沉降、基坑坍塌、基础悬浮等。流沙通常是由于工程活动引起的。但是，在有地下水出露的斜坡、岸边或有地下水溢出的地表面也会发生。

流沙对岩土工程危害极大，所以在可能发生流沙的地区施工时，应尽量利用其上面的土层作为天然地基，也可利用桩基穿透流沙层。总之，要尽量避免水下大开挖施工，若必须时，可以利用下面方法防治流沙：①人工降低地下水位，使地下水位降至可产生流沙的地层之下，然后再进行开挖；②打板桩，其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗透路径，减小地下水水力坡度及流速；③水下开挖，在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够水头，尽量避免产生流沙的水头差，增加基坑侧壁的稳定性；④可以用冻结法、化学加固法、爆炸法等处理岩土层，提高其密实度，减小其渗透性。

3）管涌（piping）

地基土在具有某种渗透速度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，岩土的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳，此现象称为管涌。管涌通常是由于工程活动引起的。但是，在有地下水出露的斜坡、岸边或有地下水溢出的地表面也会发生。

在可能发生管涌的地层中修建水坝、挡土墙及基坑排水工程时，为防止管涌发生，设计时必须控制地下水溢出带的水力坡度，使其小于产生管涌的临界水力坡度。防止管涌最常用的方法与防止流沙的方法相同，主要是控制渗流、降低水力坡度、设置保护层、打板桩等。

（4）地下水的浮托作用

当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。如果基础位于粉土、沙土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100%计算浮托力；如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50%计算浮托力；如果基础位于黏性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。

地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩体、土体产生浮托力。因此，在确定地基承载力设计值时，无论是基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下一律取有效重度。

（5）承压水对基坑的作用

当深基坑下部有承压含水层存在，开挖基坑会减小含水层上覆隔水层的厚度，在隔水层厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基强度，并给施工带来很大困难。所以，在进行基坑施工时，必须分析承压水头是否会冲毁基坑底部的黏性土层。在工程实践中，通常用压力平衡概念进行验算，即

图4.9　基坑底黏土层最小厚度

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式中　γ，γw——黏性土的重度和地下水的重度；

H——相对于含水层顶板的承压水头值；

M——基坑开挖后基坑底部黏土层的厚度。

基坑底部黏土层的厚度（图4.9）必须满足下式：

如果，则必须采用人工方法抽汲承压含水层中的地下水，局部降低承压水头，使其下降直至满足式（4.8），方可避免产生基坑突涌现象。

（6）地下水对钢筋混凝土的腐蚀

1）腐蚀类型

硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca（OH）2、水化硅酸钙CaOSiO2·12H2O、水化铝酸钙CaOAl2O3·6H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。地下水对建筑材料腐蚀类型分为3种：

A.结晶类腐蚀

如果地下水中SO42-的含量超过规定值，那么SO42-将与混凝土中的Ca（OH）2起反应，生成二水石膏结晶体CaSO4·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O3·6H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86%，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。

B.分解类腐蚀

地下水中含有CO2和HCO3-，CO2与混凝土中的Ca（OH）2作用，生成碳酸钙沉淀，即

Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O

由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca（OH）2的分解。但是，当地下水中的含量超过一定数值，而HCO3-的含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca（HCO3）2并溶于水，即

上述这种反应是可逆的：当CO2含量增加时，平衡被破坏，反应向右进行，固体CaCO3继续分解；当CO2含量变少时，反应向左进行，固体CaCO3沉淀析出。如果CO2和HCO3-的浓度平衡时，反应就停止。因此，当地下水中CO2的含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。将超过平衡浓度的CO2称为侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2越多，对混凝土的腐蚀越强。地下水流量、流速都很大时，CO2易补充，平衡难建立，因而腐蚀加快；另一方面，HCO3-含量越高，对混凝土腐蚀性越弱。

如果地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的Ca（OH）2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。

C.结晶分解复合类腐蚀

当地下水中NH4+，NO3-，Cl-和Mg2+的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca（OH）2发生反应，例如：

MgSO4+Ca（OH）2=Mg（OH）2+CaSO4

MgCl2+Ca（OH）2=Mg（OH）2+CaCl2

Ca（OH）2与镁盐作用的生成物中，除Mg（OH）2不易溶解外，CaCl2则易溶于水，并随之流失。硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌，另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。

综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。

2）腐蚀性评价标准

根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将SO42-的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标；将侵蚀性CO2，HCO3-和pH值归纳为分解类腐蚀性的评价指标；而将Mg2+，NH4+，Cl-，SO42-，NO3-的含量作为结晶分解类腐蚀性的评价指标。同时，在评价地下水对建筑结构材料的腐蚀性时必须结合建筑场地所属的环境类别。建筑场地根据气候区、土层透水性、干湿交替和冻融交替情况区分为3类环境，见表4.4。

表4.4　混凝土腐蚀的场地环境类别

地下水对建筑材料腐蚀性评价标准见表4.5～表4.7，水质检验项目及注意事项见表4.8。

表4.5　分解类腐蚀的评价标准

表4.6　结晶类腐蚀评价标准

表4.7　结晶分解复合类腐蚀评价标准

表4.8　水质检验项目及注意事项