工程地质学基础讲义第七章渗透破坏

第七章章渗透变形形工程地地质研究究概述渗透变形产生的条件渗透变形的预测渗透变形的防治提要第一节概概述述一、概念渗透变形：在岩土土体空隙中运运动的地下水水叫做渗流，，它对岩土体体作用的力叫叫做渗透力，，当渗透力达达到一定值时时，岩土体中一一些颗粒甚至至整体就会发发生移动而被被渗流携走，，从而引起岩岩土的结构变变松，强度降降低，甚至整整体发生破坏坏。这种工程程动力地质作作用或现象，，称之为渗透透变形或渗透透破坏。二、研究意义义基坑降水抽水井堤岸1998年长江洪水险险情以渗流险险情最为普遍遍，沿长江6000余处险情中就就有400余处属渗流险险情。其中管管涌被视为险险中之险。一般来说，长长江中下游游平原冲积地地层，上面是是粘性土；往往下是粉砂、、细砂等，砂砂层间也有粘粘性土夹层的的，再往下则则是砂砾及卵卵石等强透水水层，在河床床中露头与河河水相通。在在汛期高水水位时由于渗渗水流经强透透水层压力损损失很小，堤堤内数百米范范围内粘土层层下面仍承受受很大的水压压力，如果这这股水压力，，冲破了粘土土层，下面的的粉砂、细砂砂就会随水流流出（在没有有反滤层保护护的情况下）），从而发生生管涌。东榆林水库副副坝溃决2003年7月1日凌晨4时，正在施工工中的上海轨轨道交通4号线（浦东南南路至南浦大大桥）区间隧隧道浦西联络络通道发生渗渗水，随后大大量流沙涌入入，引起地面面大幅沉降。。上午9时左右，地面面建筑物中山山南路847号一幢八层楼楼房发生倾斜斜，其裙房部部分倒塌。由由于报警及时时，所有人员员提前撤出，，无人员伤亡亡。三、渗透变形形的类型1.潜蚀：在渗流流作用下，单单个细颗粒沿沿土体骨架中中的孔道发生生移动带走的的现象，又称称潜蚀。根据渗透方向向与重力方向向的关系：垂直管涌水平管涌管涌分类机械潜蚀和化化学潜蚀：机械潜蚀：指渗流的机械械冲刷力把细细小的土颗粒粒携走，而较较大颗粒仍留留在原处。化学潜蚀：当土中含有可可溶盐类的颗颗粒或胶结物物时，水流溶溶蚀了它们，，使土的结构构变松，孔隙隙度增大，水水流的渗流能能力加强，这这就是化学潜潜蚀。根据渗透方向向与垂直方向向的关系，可可将管涌分为为垂直管涌和和水平管涌。。当粗、细粒土土层互相叠置置时，在它们们接触面上的的渗流作用下下所发生的管管涌，称接触触管涌。按渗渗流方向与接接触面的关系系，亦可分为为垂直接触管管涌和平行接接触管涌。2.流土：在渗透作用用下一定体积积的土体同时时发生移动的的现象，称流流土或流沙。。常发生于均均质砂土层和和亚砂土层中中。流土的危危害性较管涌涌大，它可使使土体完全丧丧失强度。潜蚀和流土是是可以转化的的，潜蚀的发发展、演化，往往可可以转化为流流土。第二节渗渗透变形形产生的条件件一、渗流的动动水压力及临界水力梯度流入：pA=h1wgdw

流出：pB=h2wgdw

渗透压力：dP=pA-pB=dww·dh·g渗透变形的基基本特条件：：渗流的动水水压力大于岩土的抗渗渗强度。水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·dw=’··g·dl·dw动水压力（D）：单位体积积土层所受的的渗透压力当dp=dQ时，单元体处处于临界悬浮浮状态，即将将发生流土。。此时渗流的水水力梯度为临界水力梯度度Icr——土的抗渗强度度。则有：dw·dh·g=’·g··dl·dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)……太沙基公式土粒越密实，，n越小，Icr越大，土体越越不容易发生生渗透变形。。管涌的Icr的求取较为复复杂，通过试验测定。二、土的抗渗渗强度-结构特性土体结构包括括了土中粗细细颗粒直径比比例、细粒物物质含量、土土的级配等。。1.粗细颗粒直径径比例细粒从空隙中中流动最优比比例：d0/d>=8天然无粘性土土n=0.395D/d0D/d>=20有利于管涌d0：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒直径土体的排列方方式决定着D/d0的值：当排列疏松时时，D/d0减小，D/d减小，有利于于渗透变形当排列密实时时，D/d0增大，D/d增大，不利于于渗透变形2.细颗粒的含量量细粗粒粒径界界定：对于累累积曲线为不不连续级配缺缺乏某级粒组组的土，至少有一个以以上粒组的颗颗粒含量小于于或等于3%的平缓段，则则以平缓段粒组的最大大和最小粒径径的平均值区区分粗细粒界界定粒径；或或以平缓段最小粒径为为界定粒径。。对于连续级配配的土，用细颗粒含量量来判别双峰峰型砾土的渗渗透变形型式式：>35%流土<25%管涌=25%~35%流土或管涌，，取决于砾土土的密实度及及细颗粒的组组成中等以上密密实度、不不均匀系数数较小的细细粒土，发发生流土。。细颗粒成分分中粘粒含含量增加，，可增大土土的凝聚力力，土的抗渗强度增增加，不易易发生渗渗透变形。。3.土的级配特特征：不均均匀系数Cu=d60/d10Cu<10流土Cu>20管涌Cu＝10-20流土或管涌涌临界水力梯梯度与土不不均匀系数数曲线三、地层组组合关系单一型：多位于河河流的上游游，一般为为砂卵（砾砾）石层层，，一一般般发发生生管管涌涌，，随随着着细细粒粒成成分分的的增多多，，可可能能流流土土。。双层层型型：主主要要考考虑虑表表层层粘粘性性土土的的性性质质、、厚厚度度、、完完整程度度。。多层层型型：除除考考虑虑表表层层粘粘性性土土层层外外，，还还考考虑虑砂砂层层透透镜体体或或粘粘性性土土层层透透镜镜体体或或相相变变等等造造成成水水力梯梯度度的的突突变变等等原因因。。四、、地地形形地地貌貌条条件件沟谷谷切切割割等等改改变变了了渗渗流流的的补补给给、、渗渗流流的的长长度度、、出出口口条条件件等等五、、工工程程因因素素施工等破破坏了表表层具有有防渗作作用的弱弱透水层层。第三节渗渗透透变形的的预测预测步骤骤1.根据土体体类型和和性质，，判定是是否容易易发生渗渗透变形形及变形形的类型型2.确定土体体中各点点的实际际水力梯梯度3.确定相对对于该土土体的临临界水力力梯度和和允许水水力梯度度4.判定渗透透变形的的可能性性及其范范围一、渗透透变形类类型的确确定1.粗细颗粒粒比例2.细粒物质质含量3.土的级配配颗粒分析析曲线形形式与渗渗透变形形类型三、实际际水力梯梯度的确确定常用方法法有：水力学方方法：计计算及图图解——模型模拟拟法——数值计算算法——理论计算算法：四、临界界水力梯梯度与允允许水力力梯度的的确定允许水力力梯度：m—与地质条条件和工工程重要要性有关关：砂土：m＝1.5-3.0粘性土：：m＝2.5-4.0m临界水力力梯度的的确定方方法：图表法试验法理论计算算法五、渗透透变形可可能性判判定I实>I允发生渗透透变形I实<I允不发生渗渗透变形形第四节渗渗透变形形的防治治一、防治治原则1.改变渗流流的水动动力条件件，减少少动水压压力即降降低水力力梯度2.改变土体体结构，，提高抗抗渗能力力二、防治治措施1.垂直截渗渗：防渗渗帷幕2.铺盖3.人工降低低地下水水位4.反滤盖重重5.物理、化化学方法法改造冻结、电电动硅化化、灌浆浆（化学学浆液））基坑反滤层的的设计与与施工在导渗沟沟、贴坡坡反滤、、减压沟沟、减压压井等的的设计中中均有反反滤层的的设计问问题，为为此专门门进行讨讨论。（一）反反滤层的的用途反滤层是是排水设设备的主主要组成成部分，，其作用用是滤土土排水，，防止渗渗流逸出出处遭受受渗透破破坏以及及渗流造造成的表表面水流流冲刷。。对有承承压水的的地层还还起压重重作用。。（二）对对反滤层层的要求求1.透水性应应大于被被保护土土，并能能将渗透透水流通通畅排出出；2.使被保护护的土层层不发生生渗透变变形；3.不致被细细颗粒淤淤塞失效效；（三）反反滤层层的类型型划分反滤滤层类型型的目的的主要是是为了合合理地确确定反滤滤层数，，因此只只分两种种类型。。1.ⅠⅠ型反滤：：其特点点是反滤滤层位于于被保护护土层的的下部，，渗流方方向主要要由上向向下（图图A）。如褥褥垫排水水。2.ⅡⅡ型反滤：：其特点点是反滤滤层位于于被保护护土层的的上部，，渗流方方向主要要由下向向上（图图B）。如减减压沟的的反滤层层。渗流方向向近乎水水平或倾倾斜向，，反滤层层近乎垂垂直或倾倾斜向的的情况，，属于过过渡型，，如减压压井、贴贴坡反滤滤等，可可归为Ⅰ型。图AⅠ型反滤图BⅡ型反滤（四）反反滤滤层的设设计内容容反滤层的的设计可可分为保保护无粘粘性土和和保护粘粘性土两两大类，，设计内内容有：：1.确定反滤滤层的类类型；2.根据滤土土准则，，确定反反滤层的的级配或或选择土土工织物物产品。。并据以以选择宜宜于作反反滤层的的天然料料场或确确定人工工筛选的的任务。。3.对砂砾反反滤料确确定反滤滤层的厚厚度和层层数；4.鉴定反滤滤料的透透水性，，对土工工织物反反滤层还还应鉴定定淤堵性性；5.有纵向渗渗流时，，鉴定沿沿反滤层层和被保保护土层层接触面面的冲刷刷稳定性性。（五）砂砂砾料料反滤层层的设计计与施工工1.反滤料的的选择对于被保保护土的的第一层层反滤料料，建议议用下列列方法确确定；D15/d85≤4～5D15/d15≥5式中：D15为过筛重重量占15％时的反反滤料粒粒径，d85为过筛重重量占85％时的被被保护土土的颗粒粒直径；；d15为过筛重重量占15％时的被被保护土土的颗粒粒粒径。。当选择