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毛细水对工程的危害及防治措施
郑州交通职业学院
毕业论文
论文题目：
毛细水对工程的危害及防治措施
所属系别建筑工程系
专业班级10级建筑工程技术6班
姓 名蒋青举
学 号201013040510821
指导教师谷玲培
撰写日期2013年4月
摘要
毛细水指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分，它是受到水与空气交界面处表面张力作用的。
毛细水的形成过程通常用物理学中毛细管现象解释，它分布在土粒内部相互贯通的孔隙中，可以看成是许多形状不一、直径各异、彼此连通的毛细管。
细现象是有害的，例如,建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引上来,使得室内潮湿.建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿；毛细水主要存在于直径为0.5～0.002mm大小的孔隙中，其对工程的影响主要有：
产生毛细压力，对于砂性土特别是细砂、粉砂，由于毛细压力作用使砂性土具有一定的粘聚力（称假粘聚力）；毛细水对土中气体的分布与流通有一定影响，常常是导致产生封闭气体的原因。
封闭气体可以增加土的弹性和减小土的渗透性；当地下水位埋深较浅时，由于毛细水上升，可以助长地基土的冰冻现象、致使地下室潮湿甚至危害房屋基础、破坏公路路面、促使土的沼泽化及盐渍化，从而增强地下水对混凝土等建筑材料的腐蚀性。
本文论述了毛细水对工程的危害性，并分析了原因提出了相关的防治的措施。
关键词：
毛细水，工程危害，施工管理，工艺，防治措施
Abstract
referstogroundwaterbysoilcapillarywaterintergranularporecapillaryactionoftherisingwater,itisaffectedbywaterandtheairinterfaceinthefreewatersurfacetensioneffect.Theformationprocessofcapillarywaterusuallyusecapillaryphenomenoninphysicsanditsdistributioninsoilgraininternalconnectivityofporecanbeasmanydifferentshapes,differentdiameterofcapillary,connectedtoeachother.Finephenomenonisharmful,forexample,whenbuildinghouses,capillaryinthetampfoundationmoreandthin,theywillleadthewaterinthesoil,makeindoorwet.Buildingonthefoundationslaidlinoleum,isinordertopreventcapillaryphenomenoncausedbywet;Capillarywatermainlyexistinthesizeoftheporediameterwas0.5~0.002mm,theirimpactontheprojectare:
capillarypressure,forthesandysoilisespeciallyfinesand,silt,sandduetocapillarypressureeffecthavecertaincohesiveforceofsoil（calledafalsecohesiveforce）;Capillarygasdistributioninthesoilandwatercirculationhaveacertainimpact,oftenisthecauseofclosedgas.Soilcanincreaseflexibilityandreducethepermeabilityofsoil;Underthelocalwaterdepthisshallow,duetothecapillarywaterrise,cancontributetothefoundationsoilfreezing,dampbasementevenharmhousefoundation,damageroadsurface,promptingandswampingofsoilsalinization,therebyenhancinggroundwatercorrosiontoconcreteandotherbuildingmaterials.
Thispaperdiscussestheharmfulnessofcapillarywaterinengineeringandanalyzesthereasonsputforwardtherelevantmeasuresofpreventionandcontrol.
KeyWords:
capillarywater,engineering,constructionmanagement,technology,thepreventionandcontrolmeasures
1引言
由于毛细管作用而吸收的水量称毛细水，通俗来说就是在土壤里面由于毛细管作用而吸收的那部分水量；毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的，其形成过程通常用物理学中毛细管现象解释，分布在土粒内部相互贯通的孔隙中。
毛细现象在房屋建筑以及公路等工程中都有着很大的影响，我们需要了解常见液体水的毛细现象并且要知道其相关的应用和它们的利与弊以便更好地应用于生活中，另外大部分同学在计算毛细管中液面上升高度时，往往因为不能抓住模型的本质而产生错误。
我们也需要熟悉其计算方法，从本质上更全面、更深层次的的了解毛细现象。
2毛细水的基本理论知识
地表以下一定深度，岩石中的空隙被重力水所充满，形成地下水面。
地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱水带。
在包气带中，空隙壁面吸附有结合水，细小空隙中含有毛细水，未被液态水占据的空隙中包含空气及气态水，空隙中的水超过吸附力和毛细力所能支持的量时，空隙中的水便以过路重力水的形式向下运动。
上述以各种形式存在于包气带中的水统称为包气带水。
2.1毛细水的概念
毛细水指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分。
毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一，直径各异，彼此连通的毛细管。
包涵于水利科技、岩石力学、土力学、岩土工程、等领域。
2.2毛细水的成因
毛细水主要包括从地面渗入地下尚未达到局部隔水层（或透水层）的上层滞水；在地面以下第一个隔水层以上的含水层中的潜水；沿基岩上部裂隙中流动的裂隙水。
水在路基中不论呈液态或气态移动，均遵循由高压处往低压处，由高温处往低温处,由高含水量处往低含水量处移动的规律。
其移动方式及其路径主要是：
路表水通过水力作用向下渗透；路基两侧高处的水通过水压作用向路基渗透；毛细水通过毛细作用向上渗透；由于路基内外土基的含水量差异而产生的横向吸附渗透；路基土对毛细水的竖向抽吸；毛细水通过土孔隙的水蒸汽上升积聚。
鉴于以上地表水和毛细水的存在，在不同程度上将对路基产生危害。
特别是在膨胀土地区，由于膨胀土体具有吸水膨胀、失水收缩以及往复湿胀干缩的特点，因此要对膨胀土进行特殊处理才能用作路基填料。
强膨胀土稳定性差，不应作为路基填料；中膨胀土宜经过加工、改良后作为填料；弱膨胀土可根据当地气候、水文情况及道路等级加以应用，对于直接使用中、弱膨胀土填筑路堤时，应及时对边坡及顶部进行防护。
2.3毛细水的种类
2.3.1支持毛细水
由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，地下水面以上形成毛细水带，此带的毛细水下部有地下水面支持，故称支持毛细水。
毛细水带随地下水面的变化和蒸发作用而变化，但其厚度基本不变。
观察表明，毛细带水出来除了作上述垂直运动外看，由于其性质似重力水，故也随重力水向低处流动，只是运动速度较为缓慢而已。
2.3.2悬挂毛细水
地下水有细颗粒层次快速降到粗颗粒层次中时，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中汇保留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水。
2.3.3孔角毛细水
在包气带中颗粒接触点上或许多孔角的狭窄处，水是个别的点滴状态，在重力作用下也不移动，因为它与孔壁形成弯液面，结合紧密，将水滞留在孔角上。
2.4公路潜水,滞水,毛细水,承压水的区别
从他们的定义中就可以加以区分：
潜水：
在饱和带内，自地表向下第一个连续隔水层之上的含水层中，具有自由水面的重力水。
滞水：
在包气带内局部隔水层上形成的饱和带水，也叫上层滞水。
毛细水：
地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分。
承压水：
充满于两个隔水层间的含水层中承受水压力的地下水。
3毛细现象的探究
众所周知，水能够沿着两端有开口的细管或细缝移动，包括上升或下降。
插入液体中的毛细管，管内外的液面会出现高度差。
当浸润管壁的液体在毛细管中上升（即管内液面高于管外）或当不浸润管壁的液体在毛细管中下降（即管内液面低于管外），这种现象叫做“毛细现象”。
3.1毛细现象的表现
毛细作用是液体表面对固体表面的吸引力。
毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外，毛细管插入不浸润液体中，管内液体下降，低于管外的现象。
在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子：
植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来.砖块吸水、毛巾吸水、地下水沿土壤上升、粉笔吸墨水等都是毛细现象；在这些物体中有许多细小的孔道,起着毛细管的作用。
“水往低处流”，这似乎是一个定律，可是只要我们细心观察，就会发现现实中有许多事实都告诉我们这是不对的。
如果你到河里去玩，没有注意到衣服的下摆已经进在水中，过了一些时候，你上岸时，会发现衣服已经湿了一大片。
虽然水只浸到一小部分，可是衣服却湿了一大块。
3.2毛细现象产生原因
产生毛细现象原因之一是由于附着层中分子的附着力与内聚力的作用，造成浸润或不浸润，因而使毛细管中的液面呈现弯月形。
原因之二是由于存在表面张力，从而使弯曲液面产生附加压强。
由于弯月面的形成，使得沿液面切面方向作用的表面张力的合力，在凸弯月面处指向液体内部；在凹弯月面处指向液体外部。
由于合力的作用使弯月面下液体的压强发生了变化，对液体产生一个附加压强，凸弯月面下液体的压强大于水平液面下液体的压强，而凹弯月面下液体的压强小于水平液面下液体的压强。
根据在盛着同一液体的连通器中，同一高度处各点的压强都相等的道理，当毛细管里的液面是凹弯月面时，液体不断地上升，直到上升液柱的静压强抵消了附加压强为止；同样，当液面呈凸月面时，毛细管里的液体也将下降。
4毛细水对工程的危害
毛细水的运动会和各种岩土相互作用，岩土中的可溶性物质随水迁移，使毛细水溶液通常具有温度、颜色、导电性等物理性质以及Cl-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2等离子。
水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度，低矿化度的水中常以含有HCO3-，中等矿化度水常含有SO2-4；高矿化度的水常以含有Cl-为主。
高矿化度的水往往会造成混凝土强度降低、腐蚀钢筋等。
当水中游离的CO2的量增加时，水溶解碳酸盐的能力就相应的增强。
当水中含有一定数量的HCO3-时，必须有相当的游离CO2与之保持平衡，这游离的CO2一部分与新生的HCO3-相平衡，另一部分则消耗于对碳酸盐的溶解，这侵蚀性对混凝土有一定的影响。
有些情况下毛细现象是有害的，例如建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引上来,使得室内潮湿。
建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿；建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿。
水沿毛细管上升的现象,对土壤的影响很大。
土壤里有很多毛细管,地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来，如果要保存地下的水分,就应当锄松地面的土壤,破坏土壤表层的毛细管,以此来减少水分的蒸发。
毛细水在土木工程方面的主要影响可以归纳为下列几方面：
4.1毛细水上升的危害
毛细水的上升是引起路基冻害因素之一！
毛细水就是受到水气分界面处表面张力作用的自由水，存在与毛细水位以上的透水层中。
毛细水按其与毛细水面是否联系可以分为毛细悬挂水和毛细上升水。
当地下水位埋深较浅时，由于毛细水上升，可以助长地基土的冰冻现象、致使地下室潮湿甚至危害房屋基础、破坏公路路面、促使土的沼泽化及盐渍化。
从而增强地下水对混凝土等建筑材料的腐蚀性。
天然条件下，毛细水在毛细管力的作用下将沿土壤中的细小孔隙上升，由此而保持在毛管孔隙中的水分称为毛管上升水。
当毛细水位埋藏很深时，毛管上升水远远不能到达表层土壤，此时降雨或灌溉后由毛管力保持在上层土壤细小孔隙中的水分称为毛管悬挂水。
毛细水随着毛细管的直径的增大而减小，当土壤孔隙直径足够大时，毛管作用便十分脆弱。
物体从基准面移至某一高于基准面的位置时，需要克服由于地球引力而产生的重力作用，因而必须对物体做功。
这种功以重力势能的形式储存于物体中。
土壤水与其他物体一样，在基准面以上Z的单位重量的水所具有的重力势能；单位重量的土壤水包含的重力势能具有长度单位，一般称为水头。
重力水头又称位置水头，它仅与计算点和参照基准面的相对位置有关，与土质条件无关。
在毛细水面处，土壤水的压力势为零，毛细水面以下饱和区的静水压力为正值；毛细水面以上非饱和区土壤水的压力势为负值，常被称为“毛管势”或“基膜势”。
这是由于土壕基膜引起的毛管力和吸附力造成的。
这种力将水吸引和束缚在土壤中，使土壤水的势能低于自由水。
此外，还有一种压力势为气压势。
它是由于邻近空气的气压变化而引起的。
4.2毛细水引起地下室过分潮湿
地下室时刻受毛细水的渗透作用；如防水问题处理不好将会带来一系列问题影响人员在工程内正常的工作和生活，使工程内部装修和设备加快锈蚀。
使用机械排除工程内部渗漏水需要耗费大量能源和经费，而且大量的排水还可能引起地面和地面建筑物不均匀沉降和破坏等。
混凝土结构的开裂和渗漏一直以来都是工程界是较为关注的问题。
地下室渗漏与否，重点在于施工质量；从施工方案的编制，材料的选择到施工段的划分、施工程序等各个环节，如控制不好都可能造成渗漏：
1、施工单位不重视特殊工程应采取特殊措施，没有针对地下室防水功能要求编制专项施工措施方案，仍按一般结构工程组织施工；关键工序质量控制不严，致使地下室结构防水性能达不到应有的效能。
2、施工前没有进行混凝土设计配合比抗渗性能试验（只作强度试验），抗渗混凝土配合比不合理，影响实际抗渗性能。
3、混凝土浇注前未进行供料速度（产量）与施工浇注需求速度关系的计算，造成因供不应求而不能连续浇注，致使前后浇注混凝土之间（尤其加早强剂）形成冷缝，从而产生渗漏通道。
4、施工缝留设不合理，出现凹槎；凿毛不规范，槽内清理不干净；二次浇灌时又不事先铺浆等。
均造成抗渗性能下降而引起渗漏。
5、钢筋密集处或预埋件集中处，未作坍落度调整并采用细石砼，仍用一种粗骨料和坍落度，导致下料困难，振捣不及或振捣不实，引起这些部位出现蜂窝、孔洞，形成抗渗的薄弱部位。
6、地下室墙壁支模用的对拉螺栓和预埋穿墙套管，未在中间焊接止水环片，形成渗水通道。
7、泵送混凝土浇筑段的上层砂浆较厚，没有另加碎石振捣，致使施工缝处混凝土比重较轻，直接影响结构抗渗性能。
8、混凝土配制时配合比控制不严，浇注时振捣不均匀，不规范，直接影响到实际强度和密实度的均衡性，影响到结构混凝土抗渗性能。
9、在做柔性防水施工时，由于混凝土基层面不干燥粘结不牢，易剥落、损坏；防水涂料涂刷不严密，不均匀、或有漏刷等。
均能引起局部渗漏。
10、地下防水工程施工队伍素质差，操作不规范或选料质量不标准，达不到设计要求，影响抗渗性能和使用寿命。
11、在防水混凝土工程和附加防水层施工完毕后，未采取及时回填土等保护措施，造成干缩和温差而引起开裂。
地下室的外墙和底板都深埋在地下，受到土中水和地下水的浸渗，因此，防潮防水问题是地下室设计中所要解决的一个重要问题。
一般可根据地下室的标准和结构形式、水文地质条件等来确定防潮、防水方案。
4.3引起土地的沼泽化和盐渍化
毛细水的上升会助长地基土的冰冻现象、致使地下室潮湿甚至危害房屋基础、破坏公路路面、促使土的沼泽化及盐渍化，从而增强地下水对混凝土等建筑材料的腐蚀性。
地下水接近地表,土壤长期为水分所饱和,在湿生植物作用和厌氧条件下进行着有机质的生物积累与矿质元素的还原过程。
土壤沼泽化形成的表层土为腐泥或泥炭层,其下为蓝灰色潜育层的沼泽土。
土壤盐渍化是目前世界农业面临的主要环境问题之一。
因此,世界各国都在积极研究土壤盐渍化的形成原因和改良措施。
在国外基于先进技术、设备的土壤盐渍化研究已经相对成熟并且已广泛运用于盐渍化土壤的改良中。
比如在应用电磁感应仪方面已经对盐渍化土壤盐分、含水量、养分以及土壤组成等性质进行了大量的研究。
而美国、加拿大等国家已经建立了相对完善的盐渍化土壤的数据库但是对于盐渍化土壤盐分的动态特征并没有完整的数据资料。
在国内盐渍化土壤的改良已经趋于成熟尤其是在黄河三角洲、珠江三角洲等沿海地区。
内地土壤的次生盐渍化比较严重而对于西北内陆地区而言尤其是新疆土壤的盐渍化的类型很复杂。
对于西北地区盐渍化土壤盐分动态变化特征的研究仅仅限于个别具有代表性的地区以及个别特殊的地域。
在盐渍化土壤盐分动态变化特征的研究中通常会涉及到区域周边植被、流域、气候等独特的地理因子。
对于独特的地理环境下的盐渍化土壤要进行更为细致的研究。
4.4潜蚀现象的危害
在饱和的砂性土层中施工由于毛细水的水力状态的改变使土颗粒之间的有效应力等于零土颗粒悬浮于水中随着水一起流出的现象被称为流砂。
这种不良地质作用的影响主要表现为在工程施工过程中会造成大量的土体流动致使地表塌陷或建筑物的地基破坏会给工程带来极大的困难或者直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。
如果毛细水渗流水力坡度小于临界水力坡度，那么土中细小颗粒能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流带走。
其结果是使地基土的强度受到破坏，土下形成空洞，从而导致地表塌陷，破坏建筑场地的稳定，此种现象就是常说的潜蚀。
潜蚀作用通常产生于粉、细砂或粉土地层中。
潜蚀又分机械潜蚀和化学潜蚀。
机械潜蚀是指渗流的机械力将细土粒冲走而形成的洞穴；化学潜蚀是指溶解了土中易溶盐和胶结物使土质松软细土粒被水冲走而形成洞穴。
在工程中这两种潜蚀往往是同时才能在的。
如果潜蚀长期存在就会形成地下土洞，土洞由小变大，由少变多就会形成洞群，最后导致塌陷，破坏建筑。
5毛细水的防治措施
防治地下水对工程的影响必须贯彻建设的全过程，从思想上认识到地下水的危害，同时要加强工程的监管，将防治落实到勘测、设计、施工、验收各阶段地下水防治工作，确保工程质量的安全。
5.1详细了解水位的技术指标
要详细了解最高地下水位的标高、水质、流量、流向、渗透系数、压力、降水量、蒸发量及地层冻结深度等技术指标，这是合理确定工程防水标高、防护要求与地下水防止措施的前提与保证。
5.2隔水支护的设计
支护结构不仅能够承受基坑开挖卸载所产生的土压力，而且能够有效的承担动水压力，起到阻隔地下水的作用。
其中地下连续墙在软土层大基坑开挖中应用最为广泛。
地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，其刚度大，止水效果好，并且可以作为拟建主体结构的外墙，可取得较好的经济效益。
此外，内撑式支护、水泥土重力挡墙支护、土钉支护、钢板桩支护、锚杆支护、喷射混凝土支护等也都能起到相应的支护隔水功能。
尤其是锚杆支护现已广泛应用于煤矿井田开拓及地铁隧道掘进等地下工程中。
在基坑周围设置排水沟及集水井，用抽水设备不断将基坑中的渗水排除，疏干开挖土方及基础施工的作业面，随排随挖，并结合人工降水，即强制降低施工面毛细水位，
5.3毛细水隔断层的施工工艺
在盐渍土地区修筑路基时，地基下常有周期性地下水浸润，且因地下水位较高，地下水可能夹带溶解于水中的盐分顺着填筑体中的毛细管浸润路基填筑体，导致路基填筑体的再次盐渍化和冻期翻浆等病害。
为了克服这些病害，可选择在路基土体中设置毛细水隔断层的办法，可隔断下层毛细水和水蒸气上升，防止水分和盐分，进入路基上部，从而避免路基遭受破坏，确保路基的稳固畅通。
由于过去没有确定的厚度计算方法，有的地段设置厚度不够，起不到隔断毛细水的作用，有的地段设置太厚，浪费材料。
为此，给出下列相关计算公式：
（1）粘性土：
Hc=0.59+0.0485Ip+1.6963d10-0.328+2.293dcp-0.229
（1）式中：
Hc——毛细水强烈上升高度（m）；
Ip——土的塑性指数；
d10——有效粒径（µm）；
Dcp——平均粒径（µm）；
（2）砂类土：
Hc=0.29+0.0567Wm+1.5457d10-0.240+1.409dcp-0.198
（2）式中：
Hc——毛细水强烈上升高度（m）；
Wm——最大分子含水量（粉、细砂用吸水介质法或离心含水当量法。
中粗
砂等采用高柱法）其他符号含义同上式。
5.3.1工艺特点
1、隔断层的材料一般为天然材料，且材料来源广，设置方式多样，价格低廉；
2、通常不需要专用的施工设备，仅采用一般路基土石方施工机械进行施工即可；
3、填筑施工对周围环境不存在污染、破坏或潜在的破坏威胁。
5.3.2适用范围
1、在盐渍土地区修筑路基，在不提高路基填筑高度的前提下，隔断周期性地下水浸润，防止路基填筑体的再次盐渍化和冻期翻浆等病害,确保路基的坚固与稳定，保证道路的畅通。
2、应用于中强盐渍土地段，特别是硫酸盐盐渍土地段。
3、适用于受地面水或地下水毛细水影响的路基。
4、适用于标高受限制的挖方路堑或被利用的原有路基含盐量超限路段。
在盐渍土地区修筑路基时，常有周期性地下水浸润地基甚至路基填筑体导致的盐渍化，由于毛细现象的存在，一味地提高路基填筑高度，并不是解决路基盐渍化的根本途径，此时可选择在路基填筑体中设置毛细水隔断层的办法，以防止路基土体的再次盐渍化和冻期翻浆等病害，确保路基的稳固、畅通。
目前常用的隔水材料有渗水土层、沥青胶砂和土工织物等。
这些材料各具特点，具体选用时应根据路基设计要求，从经济、技术等方面综合加以考虑。
在路基横断面设计中，合理确定毛细水隔断层设置位置及厚度，事关整个盐渍土地区路基设计的成败。
5.3.3材料选型要求
隔断层材料的选择应根据当地材料、路线等级、路基高度及水文地质情况、并进行技术经济比较后确定。
对于高等级公路，当路堤高度大于1.8m时可选用砾石，风积砂做透水性隔断层，这样既可使路基上部渗水下渗，也可阻隔毛细水的上升，但路堤高度不足1.8m时，为防止毛细水与气态水上升导致土基上部次生盐渍化的影响，宜用土工膜等材料作不透水的隔断层。
毛细水上升高度与隔断层填料情况见表：
毛细水上升高度与隔断层填料
隔断层厚度（砂砾cm）
0.074-50
1-50
5-50
毛细水上升高度
（cm）
60
40
25
中粗砂
风积砂
粉质土
粘质土
砾类土
毛细水上升高度（cm）
60
80
300～400
200～300
80
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