岩土工程渗流07 补充：建筑工程中的渗流问题

《地下水渗流力学》补充：建筑工程中的渗流问题2补充：建筑工程中的渗流问题第一节地基处理工程中的渗流问题第二节基坑防渗措施及渗流对基坑稳定性和变形的影响第三节边坡稳定分析中有关渗流的几个问题第四节地下室抗浮问题3第一节地基处理工程中的渗流问题一、概述二、排水固结法原理4一、概述排水固结法可解决以下两个问题：(1)沉降问题

使地基沉降在加载预压期间大部或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。(2)稳定问题

加速地基土的抗剪强度增长，从而提高地基的承载力和稳定性。5由排水系统和加压系统两部分组成。6排水系统改变地基原有的排水条件，增加孔隙水排水途径，缩短排水时间。由水平排水砂垫层和竖向排水体构成。当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期较长时，可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载使地基土中的水竖向流入砂垫层而排出。当工程遇到深厚的透水性很差的软粘土层时，可在地基中设置砂井、塑料排水板，地面连以排水砂垫层，构成排水系统。7插打塑料排水板竖向排水体8插打袋装砂井9有砂垫层无砂垫层直连水平排水层10加压系统增加固结作用的荷载，加速地基土固结。没有加压系统，孔隙中的水不会自然排出。不缩短土层的排水距离，孔隙中的水排不快。排水和加压系统总是联合起来考虑。常用方法：堆载、真空法、降低地下水位法和电渗法。堆载法施工控制要求高，易引起剪切破坏其余方法操作技术比较复杂。111213降水固结14二、排水固结法原理有效应力原理土的变形(压缩)取决于有效应力增大，可通过提高总应力或降低孔压两种方法实现。排水固结是加速沉降而非减少沉降！软粘土具有可压缩性，两个特性是排水固结法的基础：①回弹远小于压缩②压缩引起强度增长15提高总应力或降低孔压的方法堆载预压：增加总应力，同时增加了孔压；随后孔压逐渐消散，有效应力增加，土体压缩。真空预压法和降低地下水位法(土层内)：总应力不变，降低边界孔压，随后土层内孔压逐渐降低。降低地下水位法：（成层土）总应力基本不变，降低土层上下边界的水位，随后土层内孔压逐渐降低。电渗法：总应力不变，在电场作用下水向阴极流动排出，降低了孔压。16实际工程使用的方法常用的联合方法：堆载—降低地下水位法堆载—真空预压常用的排水通道：砂井塑料排水板法袋装砂井17太沙基的一维渗流固结理论当荷载面积远大于压缩土层的厚度时，地基中的孔隙水主要沿竖向渗流，此即为一维固结问题。回顾由K.太沙基(Terzaghi)提出的一维固结理论。土力学知识回顾18z深度处的微单元体dxdydz在dt时间内水量Q的变化(减少)为：q:单位时间内流过单位水平横截面积的水量。dt时间内微单元体内孔隙体积Vv的变化(减少)为：连续性条件土力学知识回顾按连续性条件19根据侧限条件下孔隙比与有效应力关系推导中利用了在一维固结过程中任一点竖向总应力不随时间而变的条件。根据达西定律用超静水头和超孔压根据有效应力原理土力学知识回顾20Cv：土的竖向固结系数，cm2/年；m2/D；cm2/su：经过时间t时深度z处的孔隙水压力值，kPa；k：土的渗透系数，cm/s或cm/年；m/Dγw：水的重度，kN/m3。或土力学知识回顾上述推导，可由（3.2.17）式得到21总应力可变的情况当总应力突然变化，等式右端较小，左端近似为即孔压增量与总应力增量相等。这是基本假设“⑥外荷载是一次在瞬间施加的”的实际意义。土力学知识回顾22饱和粘性土地基的渗流固结过程(双面排水)土力学知识回顾23固结微分方程的求解土力学知识回顾初始孔压线性分布单面排水双面排水双面排水是两个单面排水的组合，渗径减半。24固结微分方程的求解土力学知识回顾初始孔压均匀分布单面排水双面排水25固结度定义：土中某点处t时刻的变形量与最终固结变形量之比，可通过孔压消散表示。土中某点处的固结度Uzt土力学知识回顾平均固结度Ut简称“固结度”土中各点t时刻的压缩量平均值与最终固结压缩量之比（应力图中表现为面积比）26平均固结度计算公式

（以单面排水且初始孔压均匀分布为例）应用最多的计算公式平均固结度计算公式

单面排水初始孔压线性分布土力学知识回顾双面排水、初始孔压线性分布特点：①与α无关，②形式上与单面排水且初始孔压均匀状态下相同，但H取土层厚度的一半。28手册中常见的图表土力学知识回顾29有竖向排水通道的渗流计算均匀布置砂井均匀布置砂井可看成多井叠加多井叠加可看成在隔水边界内单个井的镜像叠加30均匀布置砂井的简化1）塑料排水板按湿周简化为砂井2）多边形不透水边界按面积简化为圆周31单个井的固结度计算有两种假设：（1）自由应变地表均布力，完全柔性（2）等应变地表完全刚性，应力重分配仅考虑向内径向排水（按等应变）:固结度井径比因子32单个井的固结度计算考虑竖向和向内径向排水（按等应变）:固结度井径比因子实际工程还有考虑很多因素：①施工插板引起的涂抹效应；②淤堵问题；③大沉降引起的弯折。33真空预压施工流程34探讨：不同学派对真空预压法机理的解释①等效荷载说：认为抽真空相当于在地表增加了相等的荷载，按地表加荷产生的附加应力计算地基沉降；②降低地下水位说：将真空预压法看做降低地下水位法，认为抽真空会导致水位下降，存在非饱和区域；水位降低导致土体压缩固结。③真空度传递说：认为抽气（水）使薄膜内外形成压差（称为真空度），真空度通过排水通道下传，使土中孔压降低，形成负的超静孔压，使土中水排出；④绝对正压说：虽然抽真空形成负压，实际上是相对当地大气压力p0，绝对压力是正值。可照常按一般渗流理论分析。必要时，压力按相对于绝对大气压计，水、土压力均加上p0。35我的观点：“④绝对正压说”是正确的。“③真空度传递说”道理没错，但提出的“真空度”概念不清，易混淆。在分析计算时将正压负压分别考虑，增加不必要的工作。“①等效荷载说”是工程界的说法，理论是错的，但当软土层较薄时，仅在地基处理边界区域与实际不符。“②降低地下水位说”是错误的。错在“地下水位”的定义，该派学者将地下水位定义为压力=0。有些试验针对水位测量，证明不存在饱和非饱和界限，水位一般位于地表集水管上下，不需要特别考虑。36水在不同压力状态下的沸点对照表温度℃压强Pa温度℃压强Pa温度℃压强Pa温度℃压强Pa0610263361.05213612.27843636.42705.3283779.75414998.88047342.84813.3304242.35616505.38251315.86934.6324754.35818145.28455568.881073.2345319.66019918.48660115.1101227.9365940.86221838.28864941.3121402.6386619.56423904.79070110.9141598.5407375.46626144.59275593.8161817.2428199.36828557.79481446.7182063.8449100.67031157.49687672.8202328.54610085.87236943.99894298.9222643.84811160.47436957.0100101325242983.85012333.77640183.4

真空泵抽出的是水与水蒸气的混合物（真空度>90kPa）真空泵数量和功率达到一定程度后，再增加意义不大37第二节基坑防渗措施及渗流对基坑稳定性和变形的影响一、基坑防渗措施二、渗流对基坑稳定性和变形的影响三、建筑基坑支护结构的水压力38一、基坑防渗措施(一)截渗方法简介1.地下连续墙2.高压喷射灌浆3.搅拌桩墙4.静压注浆(二)降水措施（第5章有简要介绍）39(一)截渗方法简介1.地下连续墙关键控制因素：槽段接头、墙底嵌入条件40(一)截渗方法简介2.高压喷射灌浆包括旋喷、摆喷等类型关键控制因素：钻孔垂直度、喷射搭接、墙底嵌入条件41(一)截渗方法简介3.搅拌桩墙关键控制因素：钻孔垂直度、搭接、墙底嵌入条件42(一)截渗方法简介4.静压注浆静压注浆目前在基坑工程中应用不多，主要用于抢险或有些用其他常规方法时施工机具难以实施的场合。主要方法有：帷幕灌浆袖阀管灌浆双液灌浆或化学灌浆43(二)降水措施（第5章有简要介绍）44二、渗流对基坑稳定性和变形的影响（一）孔隙水压力对基坑稳定性影响（二）承压水引起的基底隆起（突涌）（三）围护基坑的渗流稳定性45（一）孔隙水压力对基坑稳定性影响这是一个尚在研究的课题。开挖为“卸荷”过程，开挖时土体水平总应力减为0，孔压也减，有可能为负。因此刚暴露时是稳定的，随着孔压消散，稳定性降低。不能用一般非稳定渗流方程解决开挖过程渗流问题。因为该方程有“仅有z方向变形”的假定，这里x方向有更大的变形。46（二）承压水引起的基底隆起（突涌）开挖卸荷，使基底重力小于浮力，产生基底隆起。解决的办法：①截渗②减压③基底加固47（三）围护基坑的渗流稳定性悬挂式围护渗流分析，可用阻力系数法。最好用有限元程序计算。关键是插入深度，渗径。4849三、基坑支护结构的水压力（一）影响支护结构上水土压力因素（二）国内关于支护结构上水压力的计算这个问题仍是有待研究的问题：1、原则上应该水土分算；2、水应该通过渗流分析而不是简单假定来确定；3、土压力的算法用于基坑与实际有相当距离，要进一步研究；4、在软粘土情况，用合算影响不大。第三节边坡稳定分析中有关渗流的几个问题一、问题的提起二、瑞典条分法计算中渗流影响问题探讨三、水位骤降渗流场的计算四、结论一、问题的提起1、边坡稳定与渗流密切相关2、瑞典条分法计算中的考虑渗流影响的相关问题3、渗流场的计算：①稳定渗流；②骤降问题；③降雨入渗问题1、边坡稳定与渗流密切相关大多数边坡滑坡是在强降雨或坡脚水位骤降时发生。渗流对边坡稳定的影响：①渗透力以体积力的形式作用与坡体；②孔压增大，降低有效应力使抗剪能力下降；③土体泡水强度下降；④土体重度增加。暴雨引起滑坡05年105国道特大暴雨后，40公里100多处滑坡98年锦江水库左坝头特大暴雨后，山体滑坡626mm/24h1180mm/3d2、瑞典条分法计算中的考虑渗流影响的相关问题计算公式有3类：（1）一般方法见于大多数教科书及规范误差较大，结果偏小可达60%甚至更多（2）浮重方法（替代重度法）误差较小，但理论不完善。（3）考虑渗透力，在分母上多出一个附加项2、瑞典条分法计算中的考虑渗流影响的相关问题还有其他方法：（4）考虑渗透力的有限元单元集合（毛昶熙等）二、瑞典条分法计算中的渗流影响问题的探讨1、条分法滑动力矩部分2、条分法中抗滑力矩部分3、几个公式或方法的比较1、条分法滑动力矩部分以有效重度和渗透力形式，采用积分方法推导的土条滑动力矩。土条所受滑动力矩用积分关系表达如下：式中：γ为土条的天然重度，γ’为土条的浮重度，γw为水的重度，Jx为土条单元水平方向的渗透坡降，Jz为土条单元垂直方向的渗透坡降。经推导可得到：土条滑动力矩转化为总应力与土条侧面水压力作用的形式。推导过程用到条底孔压合力通过圆心的条件。推导还忽略了用有限宽度土条导致的误差量：该项约与土条宽度的3次方成正比。当土条变窄时，会迅速减小。按照瑞典条分法的定义，将所有土条的滑动力矩加起来即得由圆弧划定的土体整体滑动力矩。一般情况下，左边（i=1）、右边（i=n）的土条已退化为三角形，变为瑞典条分法的分母形式。若被水淹没，则为水压力对圆心的力矩。（三种处理方法）2、条分法中抗滑力矩部分以有效重度和渗透力形式，采用积分方法推导的土条抗滑力矩。抗滑力矩由所有土条底面达到抗剪强度所需的力Ti对圆心的力矩组成，由于底面是圆弧的切线，力臂都是半径R，故只须求Ti。展开积分可得其中Fwli、Fwri分别表示土条左、右侧水压力的合力。与通常瑞典法公式比，Ni多了即增加了条间力（尽管是水）条间力是否要考虑？传统瑞典法不考虑条间力但由于水压力存在，总应力至少应不小于水压力才能保证有效应力非负（不出现拉应力）尽管但由于它们还要乘以不能简单地抵消加上条间水压力，得到我们建议的改进公式3、与几个公式或方法的比较（1）与传统瑞典法公式比较两者分母实际是相同的。可以证明，在均质土条件下，当土条数增大（条宽变小），分子的差值趋向：S为浸润线与圆弧包围的区域面积，为该区域孔压的平均值。省略该项使计算的安全系数偏小。当孔压较大或圆弧在浸润线以下的面积较大时，误差很大，有时甚至出现负值。

（2）与浮重方法公式比较两者分母实际是相同的。可以证明静水情况两式相等。非静水时较复杂，若Jx为常数，则可证明当土条数增大，浮重方法分子的忽略量值趋向：即浮重方法忽略的是个负值，因此得到的抗滑力矩偏大，安全系数偏大，偏于不安全（实际计算偏大不是很多）。（3）与考虑渗透力的有限元单元集合（毛昶熙等）方法公式比较公式中求和定义不同，前一式为有限元的单元，后者为土条。若单元尺寸较小，可以证明两式的分子相等。分母多了一项附加项α为单元重心正下方滑动面上交点的半径与铅垂线所成的角度该项是人为加入的，不计此项则两式是相同的。算例（陈祖煜）

圆弧中心角（°）条底孔压方法（Kc）浮重方法（Kr）本文方法（Ks）毕肖普法（Kb）孔压系数1181.7242.1322.0622.0980.65951.8302.0962.0242.0660.59811.9512.1492.0772.1020.56712.0522.2192.1472.1860.54632.1542.3002.2282.2390.52坡度为1：3的均质边坡，坡高为27m，c＝5×9.8kN/m2，φ＝35度，γ＝1.7×9.8kN/m3，k＝0.1cm/s三、水位骤降渗流场的计算1、瞬态总应力变化与孔压关系2、水位骤降引起孔压变化简化计算方法3、试验验证孔压4、程序计算1、瞬态总应力变化与孔压关系水位骤降，导致坡体总应力变化按平面应变条件，由广义虎克定律可推得瞬态总应力变化与孔压关系：可将水位降低看成坡面移去一个梯形荷载。孔压计算公式均布荷载三角形荷载两项合并得试验验证孔压基坑开挖面临相似的问题等势线72第四节地下室抗浮问题一、问题的提出二、地下结构浮力分析方法简介三、可控减压技术的研究四、工程应用实例73一、问题的提出1.1地下结构抗浮需求的变化1.2当前常用抗浮措施1.3疏导方法需要解决的问题741.1地下结构抗浮需求的变化早期建筑很少设地下室没有抗浮问题751.1地下结构抗浮需求的变化地下室利用率很低抗浮问题不突出761.1地下结构抗浮需求的变化由开发商主导，以充分利用土地资源为目标，近期小区开发应用越来越多。在没有上部结构范围，抗浮成为突出问题771.1地下结构抗浮需求的变化由政府主导，有规划地成片开发。将交通、商业、停车有机的结合，形成地下街、地下广场甚至是地下城。地下综合体，地下城抗浮成为关键问题781.2当前常用抗浮措施1、增大结构抗浮能力：抗拔桩；锚杆、锚索；结构配筋加强……2、减低上浮力：截渗（防渗墙）减压疏导（减压井、排水层）791.3减低上浮力方法需要解决的问题1、正确分析水压作用力：水压计算截渗、减压效果及对环境影响的评估2、合适的工程措施：稳定性耐久（可维修）性经济性应急预案80二、地下结构浮力分析方法简介2.1南方地域地下结构所受浮力的典型类型2.2结构受水压力荷载的特点2.3浮力计算的常用方法812.1南方地域地下结构所受浮力的典型类型1.平地大型地下室

最高水位一般在地面附近，表现为静水压力2.坡地、阶梯型地下室

与地形密切相关，属于渗流运动影响的水压力分布。植被好的地区水位较稳定，雨季、旱季有变化，但不大。3.受汛期影响区域的地下室一般位于堤防保护的低地范围，平时水位较低，洪水来临水压力迅速上升，高于地面821.平地大型地下室最高水位一般在地面附近，表现为静水压力，也有部分为承压水。832.坡地、阶梯型地下室与地形密切相关，属于渗流运动影响的水压力分布。植被好的地区水位较稳定，雨季、旱季有变化，但不大。843.受汛期影响区域的地下室一般位于堤防保护的低地范围，平时水位较低，洪水来临水压力迅速上升，高于地面。建一层地下室。地面高程4.0m，北江平时水位0.5~1.5m，警戒水位8.0m，百年一遇水位12.5m。852.2结构受水压力荷载的特点受结构本身、土层、截渗结构之间的相对渗透能力大小控制，最不透水的分压最大流量不大但压力大成层土中有可能为承压水均质土粘性土砂层静水压力承压水透水或减压截渗结构在底板透水或减压时才能发挥作用86结构与砂层间有相对弱透水层：底板不透水时，相对弱透水层按静水压力分布，上下水压力差：

wd；底板透水时，相对弱透水层承担大部分压力；底面透水，相对弱透水层下方也减压，截渗结构承担大部分压力。砂层粘性土d87基坑和泵站实例中见到的现象中山新城商业中心基坑砾砂淤泥花斑色粘土淤泥质粘土钻孔桩+钢支撑高压摆喷止水墙，墙底进入残积层0.5m，墙顶至砾砂层上1.0m。88局部击穿、涌水时渗流有限元计算结果89稳定渗流有限元计算结果基坑底土层完好时，承受大部分水压（分压超过50%），局部击穿后，水头差几乎全部由高喷墙承担。局部击穿、涌水基坑底土层完好9091某泵站进水前池事故及处理设计意图：用4~6m厚的高压旋喷加固体承担5~6m水头差荷载实际上由0.4m厚混凝土板承受9208年6月十年一遇洪水出险。讨论的处理方案：1、加盖封闭（配重）2、57根抗拔桩；3、609根锚杆我们的方案：32个减压井施工期强抽水，运行期自流排水93施工期强抽水942.3浮力计算的常用方法1、经验估计方法

平地地下室常常采用，按静水压力计算，水位按当地经验或统计资料。2、简化计算方法——改进阻力系数法 坡地阶梯形地下室可用，是借用水闸扬压力计算方法3、数值方法 有限元方法。这是我们十几年重点研究的内容95坡地阶梯形地下室可用，是借用水闸扬压力计算方法，但在结构上下游处，由承压水变为潜水，需要修正。2、简化计算方法——利用改进阻力系数法96有限元方法简介多层强透水地基渗流计算的应用研究水平面渗流有限元计算中减压井点处理北江大堤石角段减压井试验研究

解决了井的计算问题有限元一般来说是成熟的方法，有很多商用软件。对于成层土、大区域、复杂地形（水面、高地）、减压井等没有很好的解决。多年来一直在开发研究。97三、可控减压技术的研究3.1可控减压的基本思路3.2其他行业减压抗浮的应用3.3可控减压井工艺及其原理983.1可控减压的基本思路1、截渗与减压结合2、减压井自流控制3、正确分析水压作用力：水压计算、减压效果评估、环境影响评估4、合适的工程措施：稳定性、耐久（可维修）性、应急预案、经济性993.2已有减压抗浮方法的应用1、干船坞的减压方法；2、水闸减压方法3、解决浸没问题中的减压井4、基坑减压抗突涌1001、干船坞的减压方法1012、水闸减压方法施工期运行期1023、解决潮州城区浸没问题中的减压井潮州供水枢纽，水库水位10.5m，高于城区地面，用68个减压井，将城区水位降到地面以下。103潮州供水枢纽西溪电站厂房基坑基础下方深厚强透水层，厂房旁建在软土上的水闸，常规封底方法造价极高4、基坑减压抗突涌104基坑宽36m，长161.75m，采用内撑式地下连续墙支护105采用减压井结合深槽处旋喷桩封底，该方案采用减压井自流减压，对机电依赖小，减压水头小，且仅当开挖至较深处才达到最大减压值，对水闸影响小。106107开挖到第三层底面108四、工程应用实例4.1实例一：保利国际——平地大型地下室4.2实例二：竣和小区——坡地大型地下室4.3实例三：海印大旺——汛期影响区域地下室1094.1实例一：保利世界贸易中心

——平地大型地下室两层地下室，地下室平面基本呈矩形，长约335m，宽约223m。建筑0.00为高程9.20m，地面高程8.00m，地下室底板底高程为-2.80m。110地下室抗浮分析，主要内容：(1)地下连续墙渗透状况分析：统计抽水量；实测连续墙漏水通道(2)依据场地抽水量，并参考地下连续墙的渗漏情况，反算得到场地砂层的渗透系数等参数；(3)对地下室施工完毕的情况进行渗流计算预测分析，提出可能的降水方案，并提供各种降水方案中场地的渗流量及地下室底板压力。111地质条件及周边环境（1）人工填土层：主要为杂填土，局部为素填土，厚度1.50～6.20m，平均3.72m。（2）第四系海陆交互相沉积层：1、淤泥质土：层厚0.60～6.40m，平均2.43m。2、粉、细砂：层厚1..30～11.30m，平均5.86m。3、中、粗砂：层厚1.30～6.30m，平均4.06m。4、粗砂、砾砂：层厚1.60～8.70m，平均5.07m。（3）残积层：层厚1.20～4.50m，平均5.07m。（4）白垩系碎屑沉积岩：划分为全风化岩带、强风化岩带、中风化岩带、微风化岩带。本工程的地质情况为砂层下基本直接为强风化岩层，缺失中间粘土层。112渗透系数砂层一般为5.0×10-2cm/s，防渗墙为2.0×10-6cm/s，强风化岩层为1.0×10-3～1.0×10-5cm/s，强风化岩层与防渗墙对比渗透系数相差两个量级，强风化岩层仍可视为透水层；同时防渗墙进入强风化岩深度很少，设计要求为1.5m，防渗墙底必然存在绕渗情况。另外，某些地段砂层下直接为中风化岩层，由于施工工艺的局限，防渗墙底与岩层之间也可能存在渗流通道。113通过分析连续墙施工记录、自然电位法测试，圈出渗漏通道：48小时统计场地抽水量：2120m3/d114挖桩施工期间的渗流场计算结果115减压井布置方案一：15口井，井口高程为-3.5m（实际分析了-3.5~+1m多种）116减压井布置方案一：（15