第七章 滲透破壞

1、第 七 章 滲透變形工程地質(zhì)研究 概 述 滲透變形產(chǎn)生的條件 滲透變形的預(yù)測(cè) 滲透變形的防治提 要第一節(jié) 概 述 一、概念 滲透變形：在巖土體空隙中運(yùn)動(dòng)的地下水叫做滲流，它對(duì)巖土體作用的力叫做滲透力，當(dāng)滲透力達(dá)到一定值時(shí)，巖土體中一些顆粒甚至整體就會(huì)發(fā)生移動(dòng)而被滲流攜走，從而引起巖土的結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低，甚至整體發(fā)生破壞。這種工程動(dòng)力地質(zhì)作用或現(xiàn)象，稱之為滲透變形或滲透破壞。 二、研究意義基坑降水抽水井堤堤 岸岸 1998年長(zhǎng)江洪水險(xiǎn)情以滲流險(xiǎn)情最為普遍，沿長(zhǎng)江6000余處險(xiǎn)情中就有400余處屬滲流險(xiǎn)情。其中管涌被視為險(xiǎn)中之險(xiǎn)。 一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)江中下 游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細(xì)

2、砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強(qiáng)透水層，在河床中露頭與河水相通。 在汛期高水位時(shí)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(huì)隨水流出（在沒(méi)有反濾層保護(hù)的情況下），從而發(fā)生管涌。東榆林水庫(kù)副壩潰決 2003年7月1日凌晨4時(shí)，正在施工中的上海軌道交通4號(hào)線（浦東南路至南浦大橋）區(qū)間隧道浦西聯(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(shí)左右，地面建筑物中山南路847號(hào)一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報(bào)警及時(shí)，所有人員提前撤出，無(wú)人員傷亡。三、滲透變形的類型1.潛蝕：

3、在滲流作用下，單個(gè)細(xì)顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動(dòng)帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。根據(jù)滲透方向與重力方向的關(guān)系： 垂直管涌 水平管涌管涌分類 機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕： 機(jī)械潛蝕：指滲流的機(jī)械沖刷力把細(xì)小的土顆粒攜走，而較大顆粒仍留在原處。 化學(xué)潛蝕：當(dāng)土中含有可溶鹽類的顆?；蚰z結(jié)物時(shí)，水流溶蝕了它們，使土的結(jié)構(gòu)變松，孔隙度增大，水流的滲流能力加強(qiáng)，這就是化學(xué)潛蝕。根據(jù)滲透方向與垂直方向的關(guān)系，可將管涌分為垂直管涌和水平管涌。 當(dāng)粗、細(xì)粒土層互相疊置時(shí)，在它們接觸面上的滲流作用下所發(fā)生的管涌，稱接觸管涌。按滲流方向與接觸面的關(guān)系，亦可分為垂直接觸管涌和平行接觸管涌。2. 流土：在滲透作用下一定體積的土體同時(shí)發(fā)

4、生移動(dòng)的現(xiàn)象，稱流土或流沙。常發(fā)生于均質(zhì)砂土層和亞砂土層中。流土的危害性較管涌大，它可使土體完全喪失強(qiáng)度。潛蝕和流土是可以轉(zhuǎn)化的，潛蝕的發(fā)展、演化，往往可以轉(zhuǎn)化為流土。第二節(jié) 滲透變形產(chǎn)生的條件一、滲流的動(dòng)水壓力及臨界水力梯度流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 滲透壓力：dP=pA-pB=dww dh g 滲透變形的基本特條件：滲流的動(dòng)水壓力大于巖土的抗?jié)B強(qiáng)度。水下重量dQ=dW-dF=(sat- ) gdl dw = gdl dw動(dòng)水壓力（D）：?jiǎn)挝惑w積土層所受的滲透壓力IdldwdPD當(dāng)dp=dQ時(shí)，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。此時(shí)滲流的水力梯度為臨界

5、水力梯度Icr 土的抗?jié)B強(qiáng)度。則有： dw dh g= gdl dw dh/dl= / Icr=dh/dl= / Icr= =(s-1)(1-n) 太沙基公式土粒越密實(shí)， n 越小， Icr 越大，土體越不容易發(fā)生滲透變形。土的側(cè)壓力系數(shù)式中：我國(guó)水利部門(mén)：扎馬林：gctgIcrnn(Icrs)1 (5 . 0)1)(121,管涌的Icr的求取較為復(fù)雜，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。二、土的抗?jié)B強(qiáng)度二、土的抗?jié)B強(qiáng)度-結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)特性 土體結(jié)構(gòu)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(jí)配等。1.1.粗細(xì)顆粒直徑比例粗細(xì)顆粒直徑比例細(xì)粒從空隙中流動(dòng)最優(yōu)比例：d0/d = 8天然無(wú)粘性土 n=0.395 D/

6、 d0 =2.5D/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定著土體的排列方式?jīng)Q定著D / dD / d0 0 的值：的值： 當(dāng)排列疏松時(shí)，當(dāng)排列疏松時(shí)， D / dD / d0 0 減小，減小， D/d D/d 減小，有利于滲透變形減小，有利于滲透變形 當(dāng)排列密實(shí)時(shí)，當(dāng)排列密實(shí)時(shí)， D / dD / d0 0 增大，增大， D/d D/d 增大，不利于滲透變形增大，不利于滲透變形 2.2.細(xì)顆粒的含量細(xì)顆粒的含量細(xì)粗粒粒徑界定：對(duì)于累積曲線為不連續(xù)級(jí)配缺乏某級(jí)粒組的土，至少有一個(gè)以上粒組的顆粒含量小于或等于3%的平緩段，則以平緩段粒組的最大和最小

7、粒徑的平均值區(qū)分粗細(xì)粒界定粒徑；或以平緩段最小粒徑為界定粒徑。對(duì)于連續(xù)級(jí)配的土，7010dddf用細(xì)顆粒含量用細(xì)顆粒含量 來(lái)判別雙峰型礫土的滲透變形型式：來(lái)判別雙峰型礫土的滲透變形型式： 35% 35% 流土流土 25% 25% 管涌管涌 =25%35% =25%35% 流土或管涌，取決于礫土的密實(shí)度及細(xì)顆粒的組成流土或管涌，取決于礫土的密實(shí)度及細(xì)顆粒的組成 中等以上密實(shí)度、不均勻系數(shù)較小的細(xì)粒土，發(fā)生流土。中等以上密實(shí)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，不易抗?jié)B強(qiáng)度增加，不易 發(fā)

8、生滲透變形。發(fā)生滲透變形。3.土的級(jí)配特征：不均勻系數(shù)Cu=d60/d10Cu20 管涌Cu10-20 流土或管涌臨界水力梯度與土不均勻系數(shù)曲線三、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，一般發(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 的突變等原因。四、四、 地形地貌條件地形地貌條件 溝谷切割等改變了滲流的補(bǔ)給、滲流的長(zhǎng)度、出口條件等五、五、 工程因素工程因素 施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。第三節(jié) 滲透變形的預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)步驟 1.

9、根據(jù)土體類型和性質(zhì)，判定是否容易發(fā)生滲透變形及變形的類型 2.確定土體中各點(diǎn)的實(shí)際水力梯度 3.確定相對(duì)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一、滲透變形類型的確定 1.粗細(xì)顆粒比例 2.細(xì)粒物質(zhì)含量 3.土的級(jí)配顆粒分析曲線形式與滲透變形類型 三、實(shí)際水力梯度的確定三、實(shí)際水力梯度的確定 常用方法有：常用方法有：v 水力學(xué)方法：計(jì)算及圖解水力學(xué)方法：計(jì)算及圖解v 模型模擬法模型模擬法v 數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法理論計(jì)算法：的測(cè)壓水位為上、下游壩腳處下層、式中：水平逸平43432121121222HHbHHITTKKbTHHI四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定允許

10、水力梯度允許水力梯度：1mmIIcr允 m m與地質(zhì)條件和工程重要性有關(guān)：與地質(zhì)條件和工程重要性有關(guān)： 砂土：砂土：m m1.5-3.0 1.5-3.0 粘性土：粘性土：m m2.5-4.0m2.5-4.0m臨界水力梯度的確定方法：圖表法試驗(yàn)法理論計(jì)算法五、滲透變形可能性判定五、滲透變形可能性判定I I實(shí)實(shí) I I允允 發(fā)生滲透變形發(fā)生滲透變形I I實(shí)實(shí) I I允允 不發(fā)生滲透變形不發(fā)生滲透變形第四節(jié) 滲透變形的防治一、防治原則1.改變滲流的水動(dòng)力條件，減少動(dòng)水壓力即降低水力梯度2.改變土體結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B能力二、防治措施1.垂直截滲：防滲帷幕2.鋪蓋3.人工降低地下水位4.反濾蓋重5.物理、化

11、學(xué)方法改造 凍結(jié)、電動(dòng)硅化、灌漿（化學(xué)漿液）基坑反濾層的設(shè)計(jì)與施工 在導(dǎo)滲溝、貼坡反濾、減壓溝、減壓井等的設(shè)計(jì)中均有反在導(dǎo)滲溝、貼坡反濾、減壓溝、減壓井等的設(shè)計(jì)中均有反濾層的設(shè)計(jì)問(wèn)題，為此專門(mén)進(jìn)行討論。濾層的設(shè)計(jì)問(wèn)題，為此專門(mén)進(jìn)行討論。 （一）反濾層的用途（一）反濾層的用途 反濾層是排水設(shè)備的主要組成部分，其作用是濾土排水，防止?jié)B流逸出處遭受滲透破壞以及滲流造成的表面水流沖刷。對(duì)有承壓水的地層還起壓重作用。 （二）對(duì)反濾層的要求（二）對(duì)反濾層的要求 1.透水性應(yīng)大于被保護(hù)土，并能將滲透水流通暢排出； 2.使被保護(hù)的土層不發(fā)生滲透變形； 3.不致被細(xì)顆粒淤塞失效；（三） 反濾層的類型 劃分反濾層

12、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(diǎn)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）。如褥墊排水。 2. 型反濾：其特點(diǎn)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(guò)渡型，如減壓井、貼坡反濾等，可歸為型。圖圖A A 型反濾型反濾 圖圖B B 型反濾型反濾（四） 反濾層的設(shè)計(jì)內(nèi)容 反濾層的設(shè)計(jì)可分為保護(hù)無(wú)粘性土和保護(hù)粘性土兩大類，設(shè)計(jì)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(jí)配或選擇土工織物產(chǎn)品。并據(jù)以選擇宜于作反濾層的天然

13、料場(chǎng)或確定人工篩選的任務(wù)。 3.對(duì)砂礫反濾料確定反濾層的厚度和層數(shù)； 4.鑒定反濾料的透水性，對(duì)土工織物反濾層還應(yīng)鑒定淤堵性； 5.有縱向滲流時(shí)，鑒定沿反濾層和被保護(hù)土層接觸面的沖刷穩(wěn)定性。 （五）（五） 砂礫料反濾層的設(shè)計(jì)與施工砂礫料反濾層的設(shè)計(jì)與施工 1.1.反濾料的選擇反濾料的選擇 對(duì)于被保護(hù)土的第一層反濾料，建議用下列方法確定； D15/d854D15/d8545 5 D15/d155 D15/d155 式中：D15為過(guò)篩重量占15時(shí)的反濾料粒徑，d85為過(guò)篩重量占85時(shí)的被保護(hù)土的顆粒直徑；d15為過(guò)篩重量占15時(shí)的被保護(hù)土的顆粒粒徑。 當(dāng)選擇第二、三層反濾料時(shí)，可同樣按以上方法確定。但選擇第二層反濾時(shí)第一層反濾為被保護(hù)土，選擇第三層反濾時(shí)第二層反濾為被保護(hù)土。 2. 2.反濾層厚度的確定反濾層厚度的確定 反濾層的厚度應(yīng)根據(jù)反濾料的級(jí)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(shí)，最小水平寬度宜不小于3.0m。 3.3.施工要求施工要求 反濾料應(yīng)具有要求的級(jí)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(jiān)硬，具有高度的