建筑工程的影响

地下水对建筑工程的不良影响主要有：降低地下水会使软土地基产生固结沉降；不合理的地下水流动会诱发某些土层出现流砂现象和机械潜蚀；地下水对位于水位以下的岩石、土层和建筑物基础产生浮托作用；某些地下水对钢筋混凝土基础产生腐蚀。

一、地下水位下降引起软土地基沉降

在沿海软上层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，甚至掏空，导致建筑物开裂和危及安全使用。例如：上海康乐路十二层大楼，采用箱基，开挖深度为5.5m，采用钢板桩外加井点降水，抽水6天后，各沉降沉测点的沉降量如表3-5所示。

降水与地面沉降 表3-5

离降水井点距（m） 地面沉降量（mm） 3 10 5 4.5 10 2.5 20 2 31 1 41 0 降水期间，距基坑6～10m处；日民房有裂缝。在上海地区井点降水的影响范围一般为84m。

如果抽水井滤网和砂滤层的设计不合理或施工质量差，那么，抽水时会将软上层中的粘粒、粉粒、甚至细砂等细小土颗粒随同地下水一起带出地面，使周围地面土层很快产生不均匀沉降，造成地面建筑物和地下管线不同程度的损坏。另一方面，井管埋设完成开始抽水时，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——降水漏斗。在这一降水漏斗范围内的软上层会发生渗透固结而造成地基土沉降。而且，由于上层的不均匀性和边界条件的复杂性，降水漏斗往往是不对称的，因而使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。

二、动水压力产主流砂和潜蚀

设想在地下水渗流的任意一个土体微段两端装上测压管，如图3-1所示。 因为我们只考虑计算相应的平均值，所以假设测压管都位于断面的中点。该土体微段的长度为Δl，截面积为ΔS，其体积ΔV=Δl〃ΔS。当地下水从左端向右端渗流时，左面的水头高度为H1，右面的水头高度为H2，其两点间的水头差ΔH为：

ΔH = H1一H2 （3-5）

土体微段左截上作用的水压力F2=γWH1ΔS，右截面上作用的水压力F2=γWH2ΔS，如果忽略渗流过程中水的惯性力，则沿渗流方向作用于土体微段上水压力的合力ΔF下为：

ΔF=F1一F2=γW［（H1一Z1）一（H2一Z2）］ ΔS =γW ［（H1一H2）＋（Z2一Z1）］ΔS （3-6）

当地下水静止不动时，ΔH=0，此时，沿渗流方向作用于土体微段上水压力的合力ΔF0为：

ΔF0=γW（Z1－Z2）ΔS （3-7）

实际上ΔF0就是作用于与土体微段同体积的水上的重力在渗流方向上的分力。所以，地下水在渗流时，作用于土体微段上动水压力的合力ΔFw为：

ΔFW=ΔF-ΔF0=γW（H1－H2）ΔS （3-8）

我们把地下水在渗流时作用于单位体积土骨架（土颗粒）上的力称为动水压力fd，即：

（

3-9）

式中： ——地下水渗流水力坡度。

设土颗粒密度为 ρs ，纯水在4℃时的密度为ρw ，土的孔隙比为e，则土的有效重度γ' 为：

（3-10）

式中

——土颗粒的比重。

当地下水自下而上流动时产生的动水压力等于土体的有效重度 时，即：

(3-11)

土颗粒之间的有效应力等于零，土粒就处于悬浮状态，这种现象称为流砂。出现流砂时的水力坡度称为临界水力坡度，用几表示，由（3-9）式及（3-11）式可得：

(3-12)

流砂是一种不良的工程地质现象，在建筑物深基础工程和地下建筑工程的施工中所遇到的流砂现象主要有:

1.轻微流砂：当基坑围护桩排间隙处隔水措施不当或施工质量欠缺时，或当地下连续墙接头的施工质量不佳时，有些细小的土颗粒会随着地下水渗漏一起穿过缝隙而流入基坑，增加坑底的泥泞程度;

2.中等流砂：在基坑底部，尤其是靠近围护桩墙的地方，常常会出现一堆粉细砂缓缓冒起，仔细观察，可以看到粉细砂堆中形成许多小小的排水沟，冒出的水夹带着细小土粒在慢慢地流动;

3.严重流砂：基坑开挖时如发生上述现象而仍然继续往下开挖，流砂的冒出速度会迅速增加，有时会象开水初沸时的翻泡，此时基坑底部成为流动状态，给施工带来很大困难，甚至影响邻近建筑物的安全。如果在沉井施工中，产生严重流砂，那么沉井就突然下沉，无法用人力控制，以致沉井发生倾斜，甚至发生重大事故。

根据对上海软土地层的研究，得出易产生流砂的土层条件为： 1.粘粒含量小于10％～15％，粉粒含量大于65％～75％； 2.颗粒级配不均匀系数u＜5； 3.土的孔隙比e＞0.85； 4.土的含水量大于30％；

5.地层中粉细砂或粉土层厚度大于25cm。

如果地下水渗流产生的动水压力小于土颗粒的有效重度γ'，即渗流水力坡度小于临界水力坡度。那么，虽然不会发生流砂现象，但是土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流携带而走。时间长了，在上层中将形成管状空洞，使土体结构破坏，强度降低，压缩性增加，我们将这种现象称为机械潜蚀。

三、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。如果基础位于粉性土、砂性土、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；如果基础位于粘性土地基上；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石、土体产生浮托力。所以《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）第5.1.3条规定：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。

四、承压水对基坑的作用

当深基坑下部有承压含水层时，必须分析承压水头是否会冲毁基坑底部的粘性上层，通常用压力平衡概念进行验算，即：

γM =γwH (3-13)

式中 γ、γw——分别为粘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——基坑开挖后粘土层的厚度。

所以，基坑底部粘上层的厚度必须满足（3-14）式，见图3-2。

(3-14)

如果，则必须用深井抽汲承压含水层中的地下水，使其承压水

头下降至基坑底面以下（如图3-3），而且，相对于含水层顶板的承压水头Hw必须满足：

(3-15)

五、地下水对钢筋混凝上的腐蚀

（一）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CaOA12O3，〃6H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。根据地下水对建筑结构材料腐蚀性评价标准，将腐蚀类型分为三种：

1． 结晶类腐蚀

如果地下水中 离子的含量超过规定值，那么 离子将与混凝土中的

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CaOA12O3〃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。

水泥中CaOA12O3〃6H2O含量少，抗结晶腐蚀强，因此，要想提高水泥的抗结晶腐蚀，主要是控制水泥的矿物成分。

2．分解类腐蚀

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

Ca（OH）2十C02＝CaCO3↓十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CO2的含量超过一定数值，而 离子的含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca（HCO3），并溶于水，即：

CaCO3十CO2＝Ca+十2

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，反应向左移动，固体CaCO3沉淀析出。如果CO2和 的浓度平衡时，反应就停止。所以，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。我们将超过平衡浓度的CO2叫侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2愈多，对混凝土的腐蚀愈强。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， 离子含量愈高，对混凝土腐蚀性愈弱。

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。

3．结晶分解复合类腐蚀

当地下水中 、 、Cl－和Mg2＋离子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，CaC12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：

3CaO〃Al2O3〃6H2O＋3CaSO4＋25H2O＝3CaO〃Al2O3〃3CaSO4〃31H2O 另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏：

CaSO4十2H2O＝CaSO4〃2H2O

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。

（二）腐蚀性评价标准

根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将 离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标；将侵蚀性CO2、 离子和pH值归纳为分解类腐蚀性的评价指标；而将Mg2+、 、C1－、 、 离子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三类环境，见表3-6。

混凝土腐蚀的场地环境类别 表3-6

环境气候类别 区 土 层 特 性 干 湿 交 替 冰冻区（段） 高寒区 直接临水，强透水土层中干旱Ⅰ 的地下水，或湿润的强透有 区 水土层 混凝土不半干论在地面旱区 或地下，无高寒干湿交替混凝土不论在地面或地面下，当受潮水或浸区 作用，其腐湿；并处于严重冰冻区（段）、冰冻区段、干旱弱透水土层中的地下水，有 蚀强度比或微冰冻区（段 区 或湿润的强透水土层 有干湿交半干替作用时Ⅱ 旱区 相对降低 湿润直接临水，强透水土层中区 的地下水，或湿润的强透有 半湿水土层 润区 Ⅲ 各气候区 弱透水土层 无 不冻区（段） 当竖井、遂洞、水坝等工程的混凝土结构一面与水（地下水或地表水）接触，另一面又暴露在备注 大气中时，其场地环境分类应划分为Ⅰ类。 地下水对建筑材料腐蚀性评价标准见表3-7至表3-9

结晶类腐蚀评价标准 表3-7

SO42-在水中含量（mg/L） Ⅰ类环境 ＜250 250～500 500～1500 ＞1500 Ⅱ类环境 ＜500 500～1500 1500～3000 ＞3000 Ⅲ类环境 ＜1500 1500～3000 3000～6000 ＞6000 腐蚀等级 无腐蚀性 弱腐蚀性 中腐蚀性 强腐蚀性

分解类腐蚀评价标准 表3-8 pH值 A ＞6.5 6.5～5.0 5.0～4.0 ＜4.0 B ＞5.0 5.0～4.0 4.0～3.5 ＜3.5 侵蚀性CO2（mg/L） A ＜15 15～30 30～60 - B ＜30 30～60 60～100 ＞100 HCO3-(mmol/L) A ＞1.0 1.0～0.5 ＜0.5 - 腐蚀等级 无腐蚀性 弱腐蚀性 中腐蚀性 强腐蚀性 备 注

A—直接临水、或强透水土层中的地下水、或湿润的强透水土层。 B—弱透水土层的地下水或湿润的弱透水土层 结晶分解复合类腐蚀评价标准 表3-9 Ⅰ 环 境 Ⅱ 环 境 mg/L 无腐蚀性 ＜1000 弱腐蚀性 1000～2000 中腐蚀性 2000～3000 强腐蚀性 ＞3000 ＜3000 3000～5000 5000～8000 ＞8000

Ⅲ 环 境 腐蚀等级 Mg2++NH4+ Cl-+SO42-+NO3- Mg2++NH4+ Cl-+SO42-+NO3- Mg2++NH4+ Cl-+SO42-+NO＜2000 2000～3000 ＞4000 ＜5000 5000～8000 ＞10000 ＜3000 ＜10000 3000～4000 10000～2000＞5000 ＞30000 3000～4000 8000～10000 4000～5000 20000～3000