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桂林理工大学博文管理学院第2章土的物理性质及工程分类

土的渗透性:一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质。层流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透地下水在岩石的裂隙或空洞中流动,速度较大地下水运动的两种形式:土的渗透及渗流2023/2/3河滩路堤下的渗流

8研究渗流主要解决两类问题

渗流量计算问题:深基坑开挖排水问题

渗流稳定与渗流控制问题:产生渗透变形,甚至渗透破坏,如道路边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等

1.渗流速度断面面积为A,通过的渗透流流量为q,则平均流速为:v=q/A

真实渗流仅发生在孔隙面积A内,因此真实流速为:v0=q/A

于是

v/v0=A/A=n“平均流速要小于真实流速”能量是用水头来表示,Bernoulli’sEquation:2.水头

如果忽略流速的影响,则3.水头差(A点与B点)

水力梯度:单位流程总水头的变化4.水力坡降

水头的大小随选取的基准面不同而不同;注意:最关心的不是水头而是水头差;水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。2023/2/3

法国学者达西(Darcy),砂土实验结果(1852-1855)渗透速度与水头梯度成正比:v=ki或

q=kiA式中:v—渗透速度(m/s);

i—水头梯度;

k—渗透系数(m/s);

q—渗透流量(m2/s)A—截面积。

5Darcy渗透定律Δhh2h17土的渗透系数2023/2/31).常水头渗透试验图2-7常水头渗透试验

则得故渗透系数为

截面积为A,流径L;压力水头维持不变;试验开始时,水自上而下流经土样;待渗流稳走后,测得水量Q;同时读得a、b两点水头差h。2023/2/3常水头渗透试验装置整个试验过程水头随时间变化适用于适用于透水性差,渗透系数小的粘性土。2)变水头试验————整个试验过程水头随时间变化

截面面积a任一时刻t的水头差为h,经时段dt后,细玻璃管中水位降落dh,在时段dt内流经试样的水量

dQ=-adh

在时段dt内流经试样的水量

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量=流经试样水量

-adh=kAh/Ldt

分离变量积分

适用于透水性差,渗透系数小的粘性土3).现场抽水试验

粗颗粒土或成层的土,室内试验时不易取得原状土样;小土样不能反映天然土层的结构性。现场方法:野外注水试验和野外抽水试验等抽水量为Q观测孔距离分别为rl和r2

,水位高度h1和h2r处水面高度h,过水断面A=2rh图2-9抽水试验

图2-9抽水试验

即:两边积分:故渗透系数为

分析渗透系数值:

可见:不同土类的渗透系数值差异很大表渗透系数参考值

渗透系数的测定十分重要8、影响渗透系数的因数(1).土粒大小与级配

细粒含量愈多,土的渗透性愈小,例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时,砂土的渗透系数就会大大减小。

(2).土的密实度

(3).水的动力粘滞系数

同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数,土的密实度增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小。

动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高,水的动力粘滞系数愈小,土的渗透系数则愈大。(4).土中封闭气体含量

土中封闭气体阻塞渗流通道,使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多,土的渗透性愈小。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数,可查表

三、渗透力与渗透变形.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的力渗流作用于单位土体的力说明:渗透力j是渗流对单位土体的作用力,是一种体积力,其大小与水力坡降成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为kN/m3

渗透力的存在,将使土体内部受力发生变化,这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致,促使土体压密、强度提高,有利于土体稳定渗流方向近乎水平,使土粒产生向下游移动的趋势,对稳定不利渗流力与重力方向相反,当渗透力大于土体的有效重度,土粒将被水流冲出(2).临界水力坡降——使土体开始发生渗透变形的水力坡降

GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力坡降即为临界水力坡降或

在工程计算中,将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2~3),作为允许水力坡降[i]。设计时,为保证建筑物的安全,将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内2、例题分析【例】某土坝地基土的比重ds=2.68,孔隙比e=0.82,下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2,若取安全系数Fs为2.5,试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力坡降

由于实际水力坡降i

<[i],故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降

3、渗透变形

渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动,导致土体变形—————渗透变形问题(流土,管涌)

(1).流土——在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏,细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏。(2).管涌——在渗流作用下,无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙,发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大,形成能穿越地基的细管状渗流通道,掏空地基或坝体,使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处,发展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏。

(3).流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关粘性土由于粒间具有粘聚力,粘结较紧,一般不出现管涌而只发生流土破坏;一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土,在一定的水力梯度下,局部地区较易发生流土破坏

对Cu>10的砂和砾石、卵石,分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少(小于30%)时,由于阻力较小,只要较小的水力坡降,就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多,以至塞满全部孔隙(此时细料含量约为30%-35%),此时的阻力最大,一般不出现管涌而会发生流土现象四、渗流工程问题与处理措施

1、渗流工程问题(1)地下水的浮托作用

地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力,并对建筑物基础产生浮托力。

(2)地下水的潜蚀作用

在施工降水等活动过程中产生水头差,在渗透力作用下,土颗粒受到冲刷,将细颗粒冲走,破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中。

(3)流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土体流动,使地表塌陷或建筑物的地基破坏,给施工带来很大的困难,影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生,在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现。

2、防渗处理措施(1)水工建筑物渗流处理措施

水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则,上游截渗、延长渗径,下游通畅渗透水流,减小渗透压力,防止渗透变形

①垂直截渗

主要目的:延长渗径,降低上、下游的水力坡度,若垂直截渗能完全截断透水层,防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗②设置水平铺盖上游设置水平铺盖,与坝体防渗体连接,延长了水流渗透路径粘土铺盖③设置反滤层设置反滤层,既可通畅水流,又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成,也可由土工布代替,上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。

砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层④排水减压粘性土含水层减压井

为减小下游渗透压力,在水工建筑物下游、基坑开挖时,设置减压井或深挖排水槽。

(2)基坑开挖防渗措施①工程降水

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内(外)设置排水沟、集水井,用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深,采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点,从井中抽水降低水位②设置板桩

沿坑壁打入板桩,它一方面可以加固坑壁,同时增加了地下水的渗流路径,减小水力坡降钢板桩③水下挖掘

在基坑或沉井中用机械在水下挖掘,避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性,也可向基坑中注水,并同时进行挖掘。§2.5地基土的工程分类一、分类的目的和原则

土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别,目的在于通过通用的鉴别标准,便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则:1、分类要简明,既要能综合反映土的主要工程性质,又要测定方法简单,使用方便2、土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性是将工程性质相近的土归为一类分类方法:1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)

根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土(岩)分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土、人工填土六大类土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土

2.5.1.岩石的分类

颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石,坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30<frk≤60frk>6015<frk≤305<frk≤15frk≤52.5.2.碎石土的分类

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50%粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50%粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%注:定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类2.5.3.砂土的分类

粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土,且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土

土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒组含量粒径大于2mm的颗粒含量占全重25%~50%注:定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50%粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50%粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85%粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%砂土的分类2.5.4.粉土的分类

粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,塑性指数IP≤10的土称为粉土2.5.6.粘性土的分类塑性指数IP>10的土称为粘性土,粘性土根据塑性指数细分土的名称粘土粉质粘土塑性指数

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