第10章 滲透變形

1、1,第10章 滲 透 變 形,2,主要內(nèi)容,1 概述,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,4 滲透變形的預(yù)測,5 滲透變形的防治,2 滲透變形的類型與特點,3,土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)。當(dāng)土作為建筑物的地基和直接用作建筑材料時，水就會在水位差的作用下，從水位較高的一側(cè)透過土的孔隙流向水位較低的一側(cè)。,滲流量,滲透變形,土石壩,防滲斜墻及鋪蓋,浸潤線,透水層,不透水層,1 概 述,一、概念,4,滲水壓力,揚(yáng)壓力,滲流量,滲透變形,透水層,不透水層,基坑,板樁墻,板樁圍護(hù)下的基坑滲流,1 概 述,一、概念,5,滲流量,透水層,不透水層,天然水面,漏斗狀潛水面,q,水井滲流,1 概 述,一、概念,6,滲流量,原地

2、下水位,滲流時地下水位,渠道滲流,1 概 述,一、概念,7,滲流滑坡,滲流滑坡,1 概 述,一、概念,8,水在土體中的滲透，一方面會造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時還會釀成破壞事故。 土的滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響,1 概 述,一、概念,水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為 滲透 土具有被水透過的性能稱為土的 滲透性,滲透變形：巖土體在地下水滲透力（動水壓力）的作用下，顆粒部分或整體發(fā)生移動，引起巖土體的變形和破壞的現(xiàn)象。,9,滲透性研究主要有以下三方面:,滲流量問題 滲透破壞問題 滲流控制

3、問題,1 概 述,一、概念,10,堤 岸,1998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。 一般來說，長江中下 游平原沖積地層如圖，在河床中露頭與河水相通。 在汛期高水位時由于滲水流經(jīng)強(qiáng)透水層壓力損失很小，堤內(nèi)數(shù)百米范圍內(nèi)粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細(xì)砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護(hù)的情況下），從而發(fā)生管涌。,1 概述,二、研究意義,11,2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時左右，地面建筑物中

4、山南路847號一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。,1 概述,081115杭州地鐵工程基坑塌陷事故,12,1.管涌（潛蝕）：在滲流作用下，細(xì)顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。 特點：是在粗顆粒中的細(xì)顆粒被滲流帶走，形成“架空結(jié)構(gòu)”，強(qiáng)度降低，甚至造成地面塌陷。 根據(jù)滲透方向與重力方向的關(guān)系： 垂直管涌 水平管涌,2 滲透變形的類型與特點,13,管涌（潛蝕）：,2 滲透變形的類型與特點,14,管涌（潛蝕）：,15,2.流土（流沙）：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團(tuán)塊同時發(fā)生移動的現(xiàn)象。 特點：是常發(fā)生于均質(zhì)砂土層和亞砂土層中，導(dǎo)致整

5、體強(qiáng)度的喪失。常在溢出口處。,2 滲透變形的類型與特點,16,上午10:30,11：00,11:30,11:57,流土（流沙）：,2 滲透變形的類型與特點,17,3.接觸沖刷：滲流沿著滲透系數(shù)相差很大的兩種土層接觸面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象。 特點：是地下水沿顆粒相差大的兩層土的接觸面方向運(yùn)動，流速差異大，細(xì)粒被帶走。,2 滲透變形的類型與特點,18,4.接觸流失：滲透系數(shù)相差很大的兩種土層在垂直滲流作用下，細(xì)粒土層中的顆粒被帶到粗粒土層中的現(xiàn)象。 特點：是滲流垂直土層界面流動，方向由細(xì)粒層到粗粒層?？稍斐煞礊V層堵塞或失效。抽水井、反濾層失效。,2 滲透變形的類型與特點,19,試驗觀察,h=0 靜水中

6、，土骨架會受到浮力作用。 h0 水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。 滲透力 f 滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。,h1,h,h2,0,0,hw,l,濾網(wǎng),貯水器,a,b,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,20,滲透力為 f ; 滲透阻力為 f。,h1,h,h2,0,0,hw,l,土樣,濾網(wǎng),貯水器,a,b,假想將土骨架和水分開,對假想水柱取脫離體:,水柱重力,gw=vvw+vsw=laww,總阻力為 flaw,做水柱體的平衡方程式有:,whwaw+gw+flaw=wh1aw,gw,whwaw,wh

7、1aw,f,土浮力的反力,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,21,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,滲透力的性質(zhì),物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力,f = w j,大?。?方向：與滲流方向一致,作用對象：土骨架,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,22,1點，滲流力與重力方向一致，滲流力促使土體壓密，對穩(wěn)定有利 2點，3點，滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不利 4點，滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,23,滲流,原因：,jc一般在0.81.2之間,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界

8、水力梯度,24,流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。理論上：,土處于穩(wěn)定狀態(tài),土處于臨界狀態(tài),土處于不穩(wěn)定狀態(tài),3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,25,在設(shè)計時，為保證建筑物的安全，通常要求將逸出梯度限制在容許梯度之內(nèi),ks: 安全系數(shù)1.52.5,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,j,據(jù)水利水電勘察規(guī)范（gb50287-99）,26,流土,27,流土,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,28,二、土體性質(zhì)與滲透變形類型 土體性質(zhì)包括了土中粗細(xì)顆粒直徑比例、細(xì)粒物質(zhì)含量、土的級配

9、等。,1. 粗細(xì)顆粒直徑比例 細(xì)粒從孔隙中流動最優(yōu)比例：d0/d 8 天然無粘性土 n=0.395 d/ d0 =2.5 d/d 20 有利于管涌,d0 ：孔隙直徑 d：細(xì)顆粒直徑 d：粗顆粒直徑,土體的排列方式?jīng)Q定著d / d0 的值： 當(dāng)排列疏松時， d / d0 減小，或 d/d增大，有利于滲透變形 當(dāng)排列密實時， d / d0 增大，或d/d減小，不利于滲透變形,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,巨、粗、細(xì)界限粒徑為：60、0.075mm,29,2.細(xì)顆粒的含量,用細(xì)顆粒含量 來判別滲透變形型式： 35% 流土 25% 管涌 =25%35% 流土或管涌，取決于礫土的密實度及細(xì)顆粒的組成,中等以上

10、密實度、不均勻系數(shù)較小的細(xì)粒土，發(fā)生流土。 細(xì)顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的 抗?jié)B強(qiáng)度增加，不易 發(fā)生滲透變形。,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,二、土體性質(zhì)與滲透變形類型,30,3. 土的級配特征：不均勻系數(shù)cu=d60/d10,cu20 管涌 cu10-20 流土或管涌,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,二、土體性質(zhì)與滲透變形類型,31,三、地層組合關(guān)系,單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫） 石層，發(fā)生管涌，隨著細(xì)粒成分的 增多，可能流土。 雙層型：主要考慮表層粘性土的性質(zhì)、厚度、完 整程度 多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透 鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水 力梯度 的突變

11、等原因,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,32,四、 地形地貌條件 溝谷切割等改變了滲流的補(bǔ)給、滲流的長度、出口條件等,五、 工程因素 施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。,3 滲透變形產(chǎn)生的條件,33,一、預(yù)測步驟 1. 根據(jù)土體類型和性質(zhì)，判定是否發(fā)生滲透變形及變形的類型 2. 確定土體中各點的實際水力梯度 3. 確定相對于該土體的臨界水力梯度和允許水力梯度 4. 判定滲透變形的可能性及其范圍 二、滲透變形類型的確定 1.粗細(xì)顆粒比例 2.細(xì)粒含量 3.土的級配,4 滲透變形的預(yù)測,34,三、實際水力梯度的確定 常用方法有： 水力學(xué)方法：計算及圖解 模型模擬法 數(shù)值計算法,4 滲透變形的預(yù)測,3

12、5,實際水力梯度的理論計算法：,4 滲透變形的預(yù)測,如果：雙層結(jié)構(gòu)，厚度穩(wěn)定，透水均一。,逸出處梯度jb ：,水平段平均梯度jh：,（公式適用條件：t210t1; k210k1時）,y0為通過上部弱透水層的水頭損失,36,四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定,允許水力梯度：,ks與地質(zhì)條件和工程重要性有關(guān)： 砂土： ks 1.5-3.0 粘性土： ks 2.5-4.0m,五、滲透變形可能性判定,j實j允 發(fā)生滲透變形 j實j允 不發(fā)生滲透變形,4 滲透變形的預(yù)測,37,4 滲透變形的預(yù)測,細(xì)粒含量20-30%時，jc急劇增大； 20%時， jc 0.5，比公式計算的值要小。 原因是土的結(jié)構(gòu)和孔

13、隙不均一。,說明砂土的 cu 越小， jc越大。,jc與細(xì)粒含量的關(guān)系,jc與不均勻系數(shù)的關(guān)系,jc與滲透系數(shù)的關(guān)系,38,4 滲透變形的預(yù)測,39,一、防治原則 1.改變滲流的水動力條件，減少動水壓力 即降低水力梯度 2.改變土體結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B能力,5 滲透變形的防治,40,二、防治措施 1.垂直截滲：防滲帷幕（連鎖井，地下連續(xù)墻，粘土截水槽，帷幕灌漿，混凝土防滲墻等） 2.水平防滲：鋪蓋 3.人工降低地下水位（排水減壓） 4.反濾蓋重 5.物理、化學(xué)方法改造 凍結(jié)、電動硅化灌漿（化學(xué)漿液）,5 滲透變形的防治,41,5 滲透變形的防治,垂直防滲,42,5 滲透變形的防治,水平防滲,懸掛式垂

14、直防滲,43,1.每層內(nèi)部的顆粒不應(yīng)移動； 2.細(xì)粒層顆粒不應(yīng)穿過相鄰層粗粒的孔隙； 3.透水性應(yīng)大于被保護(hù)土，并能將滲透水流通暢排出； 4.使被保護(hù)的土層不發(fā)生滲透變形； 5.反濾層不致被細(xì)顆粒淤塞失效；,反濾層的設(shè)計與施工 在導(dǎo)滲溝、貼坡反濾、減壓溝、減壓井等的設(shè)計中均有反濾層的設(shè)計問題，為此專門進(jìn)行討論。,5 滲透變形的防治,（二）對反濾層材料的要求,反濾層：常沿滲透方向由細(xì)到粗設(shè)置三層。厚度一般1550cm,44,（三） 反濾層的類型 劃分反濾層類型的目的主要是為了合理地確定反濾層數(shù)，因此只分兩種類型。 1. 型反濾：其特點是反濾層位于被保護(hù)土層的下部，滲流方向主要由上向下（圖a）。如

15、褥墊排水。 2. 型反濾：其特點是反濾層位于被保護(hù)土層的上部，滲流方向主要由下向上（圖b）。如減壓溝的反濾層。 滲流方向近乎水平或傾斜向，反濾層近乎垂直或傾斜向的情況，屬于過渡型，如減壓井、貼坡反濾等，可歸為型。,5 滲透變形的防治,反濾層的設(shè)計與施工,45,圖a 型反濾,圖b 型反濾,5 滲透變形的防治,反濾層的設(shè)計與施工,（三） 反濾層的類型,46,（四） 反濾層的設(shè)計內(nèi)容 反濾層的設(shè)計可分為保護(hù)無粘性土和保護(hù)粘性土兩大類，設(shè)計內(nèi)容有： 1.確定反濾層的類型； 2.根據(jù)濾土準(zhǔn)則，確定反濾層的級配或選擇土工織物產(chǎn)品。并選擇宜于作反濾層的天然料場或確定人工篩選的任務(wù)。 3.對砂礫反濾料確定反濾

16、層的厚度和層數(shù)； 4.鑒定反濾料的透水性，對土工織物反濾層還應(yīng)鑒定淤堵性； 5.有縱向（垂直）滲流時，鑒定沿反濾層和被保護(hù)土層接觸面的沖刷穩(wěn)定性。,5 滲透變形的防治,反濾層的設(shè)計與施工,47,（五） 砂礫料反濾層的設(shè)計與施工 1. 反濾料的選擇 對于被保護(hù)土的第一層反濾料，建議用下列方法確定； d15/d8545 d15/d155 式中：d15為過篩重量占15時的反濾料粒徑，d 85為過篩重量占85時的被保護(hù)土的顆粒直徑；d15為過篩重量占15時的被保護(hù)土的顆粒粒徑。 當(dāng)選擇第二、三層反濾料時，可同樣按以上方法確定。但選擇第二層反濾時第一層反濾為被保護(hù)土，選擇第三層反濾時第二層反濾為被保護(hù)土

17、。,5 滲透變形的防治,反濾層的設(shè)計與施工,48,2.反濾層厚度的確定 反濾層的厚度應(yīng)根據(jù)反濾料的級配、料源、用途、施工方法等情況綜合考慮確定。水平反濾層的最小厚度可采用30cm，垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用50cm。采用推土機(jī)平料時，最小水平寬度宜不小于3.0m。 3.施工要求 反濾料應(yīng)具有要求的級配，且小于0.1毫米的顆粒含量不大于5，并有要求的透水性。質(zhì)地應(yīng)致密堅硬，具有高度的抗水性和抗風(fēng)化能力，風(fēng)化料一般不能用作反濾料。反濾料宜盡量利用天然砂礫料篩選，在缺乏天然砂礫料時，也可以采用人工砂石料，但應(yīng)選用抗水性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)的母巖軋制。 應(yīng)采用挖除法將基面整平，對個別低洼處采用與基面相

18、同的土料或第一層反濾料進(jìn)行填平。鋪筑時應(yīng)由底部向上逐層鋪設(shè)，并保證層次清楚，不得從高出順坡傾倒，以免發(fā)生填筑分離。對反濾層必須進(jìn)行壓實，在施工中應(yīng)防止雨水沖泥等污染反濾料。,5 滲透變形的防治,反濾層的設(shè)計與施工,細(xì)砂/極細(xì)砂,49,堤身防治工程的設(shè)計與施工 堤身滲透破壞的除險加固措施主要有：臨水坡斜墻防滲、堤身垂直防滲、背水坡貼坡排水、透水后戧（壓浸臺）、水平排水等，對堤身缺陷可以采用回填或灌漿的辦法進(jìn)行處理。,5 滲透變形的防治,50,（一）防滲斜墻 1.設(shè)計考慮 對臨水側(cè)有鋪蓋或地基有垂直防滲的情況，斜墻應(yīng)與其連成一體，構(gòu)成完整的防滲體系，以提高防滲效果。 斜墻的尺寸應(yīng)根據(jù)散浸的范圍、出

19、滲點的高度和滲水的嚴(yán)重程度經(jīng)計算確定，長度至少超過滲水段兩端各5m，高度應(yīng)超過設(shè)防水位0.51.0m。 對粘土斜墻，垂直于堤坡方向的厚度為12m，坡度與原堤身相當(dāng)或稍緩。為防止粘土斜墻干裂、凍裂和其它侵害的影響，應(yīng)設(shè)壤土保護(hù)層，一般情況，保護(hù)層高于墻頂1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度為0.8m。,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,51,2.從施工考慮 施工時應(yīng)首先清除邊坡和坡腳附近的雜草、樹木等雜物，清除厚度1020cm，并適當(dāng)整平。 斜墻應(yīng)選用粘性較大的土料且不得含植物根莖等雜質(zhì)，填筑壓實度應(yīng)不小于0.94，含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為3。 當(dāng)用土工膜作隔滲層建造斜墻時，土工

20、膜幅間的拼接應(yīng)采取焊接或粘接方式，確保施工質(zhì)量，并注意施工中不要損壞土工膜。另外還需保證土工膜與堤身牢固接合，并采取防止生物破壞的措施。,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,（一）防滲斜墻,d/dmax,52,（二）堤身垂直防滲 垂直防滲的位置宜布置在臨水堤腳或堤頂盡量靠近臨水側(cè)，并與堤身防滲體連成一體。根據(jù)近幾年的實踐，比較經(jīng)濟(jì)合理有效的堤身垂直防滲技術(shù)有：錐探灌漿、劈裂灌漿、和垂直鋪塑等。 1.錐探灌漿 在堤頂采用梅花形方式布孔并進(jìn)行充填灌漿。實踐證明，錐探灌漿是處理堤身隱患的一個比較有效的方法，但由于鉆孔數(shù)量多往往造價較高。,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,53,

21、2.劈裂灌漿 沿堤頂軸線單排布孔，利用灌漿壓力將堤身沿其走向劈開并灌漿，從而在堤身內(nèi)沿其走向形成一厚度10cm左右的防滲幕。同時還具有壓密堤身和充填洞穴的作用，可獲得事半功倍的效果。該方法已經(jīng)在許多堤防和土壩中得到應(yīng)用，效果明顯。 3.垂直鋪塑 在堤頂沿大堤走向用開槽機(jī)在堤身內(nèi)垂直成槽，然后鋪設(shè)土工膜并用粘土漿回填，從而達(dá)到降低堤身滲流量和浸潤線的目的。該方法已經(jīng)在黃河大堤上采用并取得較好的效果。,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,（二）堤身垂直防滲,54,（三）貼坡排水 為避免滲水對堤坡的沖刷和滲流出口發(fā)生流土破壞，可以采用貼坡反濾進(jìn)行處理。施工時應(yīng)清除堤坡表面的草皮、雜物，清除

22、深度1020cm，貼坡反濾的高度應(yīng)高出最高的滲流出逸點0.51.0m，長度應(yīng)超出散浸堤段兩端至少3m。根據(jù)反濾材料不同，有以下兩種方法可供選用： 1.砂礫料貼坡排水； 砂礫料貼坡排水的各層厚度如（圖a）所示。褥墊排水的設(shè)計、材料的選用、反濾層鋪設(shè)施工等的有關(guān)細(xì)節(jié)，請參見反濾層的設(shè)計與施工。 2.土工織物貼坡排水（圖b）,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,55,圖b 土工織物反濾層貼坡排水示意圖,圖a 砂礫料貼坡排水示意圖,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,（三）貼坡排水,56,（四）透水后戧 亦稱透水壓浸平臺。它既能防止散浸造成的滲透破壞，又能加大堤身斷面從而達(dá)到穩(wěn)定堤

23、坡的目的。適用于散浸嚴(yán)重、堤身斷面單薄、背水坡較陡、外灘狹窄的情況。 應(yīng)采用比堤身透水性大的材料填筑，高度應(yīng)高出滲水的最高出逸點0.51.0m，頂寬24m，坡度1:31:5，長度應(yīng)超出散浸堤段兩端各5m。戧體材料滲透性大時，斷面可小一些，相反則應(yīng)大一些。當(dāng)?shù)躺磔^高時可采用兩級或多級戧臺。,透水后戧示意圖,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,57,（五）水平排水 這種方法只有在堤壩加高培厚和增設(shè)壓滲臺時才可能應(yīng)用。水平排水不但可以降低堤身的浸潤線，對透水堤基還可以有效降低堤基的出逸比降，但會使堤基的滲流量有所增加。采用水平排水可以減小壓滲戧臺的工程量，如圖所示。水平排水的長度、厚度應(yīng)根

24、據(jù)滲流計算來確定。,5 滲透變形的防治,堤身防治工程的設(shè)計與施工,58,堤基防治工程的設(shè)計與施工 堤基除險加固的措施有：臨水側(cè)防滲鋪蓋、垂直防滲、背水側(cè)壓滲蓋重、排水減壓溝和減壓井等。 （一）臨水側(cè)防滲鋪蓋 如果封閉式垂直防滲幕墻不盡合理，背水側(cè)又無條件做壓滲蓋重，而臨水側(cè)有穩(wěn)定的外灘時，可以采用臨水側(cè)防滲鋪蓋來減小背水側(cè)堤基的出逸比降和地基滲流量，但其效果有一定限度。 對近似均質(zhì)透水堤基，臨水側(cè)鋪蓋的效果比較明顯，當(dāng)表層地層的滲透系數(shù)小于深部地層較多時，臨水側(cè)鋪蓋的效果將降低。,5 滲透變形的防治,59,鋪蓋土料應(yīng)具有一定的防滲性能，通常其滲透系數(shù)最好不大于1105 cm/s，如果滲透系數(shù)過大，即使加長鋪蓋其防滲效果也不會有大的增加。 鋪蓋應(yīng)采用不等厚形式，遠(yuǎn)離堤腳處應(yīng)薄一些，但不應(yīng)小于0.51.0m，近堤腳處應(yīng)厚一些，并應(yīng)考慮與堤身防滲連成一體。 鋪蓋設(shè)計時，一般先根據(jù)凈水頭和堤基的允許水力比降初步確定所需的等效長度，然后通過經(jīng)濟(jì)比較選擇鋪蓋的長度、厚度和鋪蓋的滲透系數(shù)，最后對鋪蓋本身的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行校核。,5