地下水與孔隙水壓力

1、地下水和孔隙水壓力地下水和孔隙水壓力 2006.9.目目 錄錄 1 地下水的賦存和靜水壓力地下水的賦存和靜水壓力 2 2 滲流、滲透力和滲透破壞滲流、滲透力和滲透破壞 3 超靜水壓力超靜水壓力 4 地下水與工程地下水與工程1 地下水的賦存和靜水壓力地下水的賦存和靜水壓力1.2 地下水位和水頭地下水位和水頭 第一層地下水的穩(wěn)定水位 靜水壓力為零的位置 不一定是飽和土和非飽和土的分界線 初見水位和穩(wěn)定水位 潛水面，靜水壓力為零。 承壓水零壓面根據(jù)壓力水頭確定。 與潛水水位相同，其水頭位置也是靜水壓力為零的位置。地下水位和水頭地下水位和水頭 波動(dòng)決定于補(bǔ)給、排泄的平衡關(guān)系 地面水和地下水, 統(tǒng)一的水

2、循環(huán)。 補(bǔ)給大于排泄，地下水積累，水位或水頭上升； 排泄大于排給，含水層中的水被消耗，水位或水頭下降。地下水位和水頭地下水位和水頭 超采開采靜儲(chǔ)量，伴隨著補(bǔ)排關(guān)系的變化，地下分水嶺外移，地表水轉(zhuǎn)為地下水。 地下水位低時(shí)，地表水轉(zhuǎn)入地下，甚至消失； 減采地下水位升高后，增加靜儲(chǔ)量，地下分水嶺內(nèi)移，地表水增加，以泉的形式溢出。 地下水位上升，地下水補(bǔ)給地表水，又出現(xiàn)地面涇流。1.2 包氣帶水和毛細(xì)帶水包氣帶水和毛細(xì)帶水 包氣帶水包氣帶水 1）位于地下水位和毛細(xì)帶以上，大氣降水滲入地下的通道； 2）只有一部分孔隙充水，呈非飽和狀態(tài)； 3）存在基質(zhì)吸力，孔隙水壓力為負(fù)值； 4）壓力不能用普通方法量測(cè)，

3、只能用張力計(jì)或基質(zhì)吸力計(jì)量測(cè)； 5）滲透系數(shù)對(duì)于同一類土不是常數(shù)，隨含水量而變，含水量越低，滲透系數(shù)越小，毛細(xì)帶水毛細(xì)帶水 1）上升高度與土的顆粒大小、顆粒級(jí)配有關(guān)，粘性土上升高度較大； 2）隨高度增加，含水量降低，由毛細(xì)飽和帶過渡到非飽和帶 3）孔隙水壓力為負(fù)值； 4）存在毛細(xì)滯后現(xiàn)象，3 潛水和承壓水潛水和承壓水 同一含水層，隨空間位置不同，有的地方表現(xiàn)為潛水，有的地方表現(xiàn)為承壓水，但靜水壓力為零壓面（潛水水位和承壓水水頭）仍是連續(xù)的。 隨著季節(jié)的不同，年度的變化以及人為干預(yù)，同一含水層的性質(zhì)可能轉(zhuǎn)化，從潛水轉(zhuǎn)為承壓水或從承壓水轉(zhuǎn)化為潛水。 層間潛水4 上層滯水上層滯水 局部性和暫時(shí)性，無

4、統(tǒng)一的有規(guī)律的水位，形不成統(tǒng)一的有一定規(guī)模水體， 上層滯水下邊存在非飽和帶。 不存在側(cè)向地下水體補(bǔ)給，更無下層含水層的越流補(bǔ)給上層滯水上層滯水 工程建設(shè)后有時(shí)可能不復(fù)存在，但也可能使水體擴(kuò)大，連成大片。 對(duì)工程的主要影響是基坑開挖，破壞土釘墻穩(wěn)定，造成樁間土坍塌 是否存在浮力？視水體與建筑物的相對(duì)尺寸和相對(duì)位置而定。 5 5 裂隙水和巖溶水裂隙水和巖溶水 水體形狀的高度不規(guī)則性 水流性質(zhì)和特殊性 富水性的高度不均勻6 孔隙水壓力形式：孔隙水壓力形式： 靜水壓力。靜止的地下水只存在靜水壓力，孔隙水壓力就是靜水壓力。 滲流孔隙水壓力。作滲流運(yùn)動(dòng)時(shí)，除靜水壓力外，還有沿滲流方向的滲流孔隙水壓力，產(chǎn)生

5、滲流力。 超靜水壓力。由于某種靜力或動(dòng)力作用，在靜水壓力基礎(chǔ)上增長(zhǎng)，有非穩(wěn)定性質(zhì)，有發(fā)生、積累、消散的過程，對(duì)土的有效強(qiáng)度影響很大。 負(fù)孔隙水壓力。存在于非飽和土中。 7 7 靜水壓力特征靜水壓力特征 壓力的等向性 壓力的三角形分布 與土的滲透系數(shù)無關(guān) 與土的孔隙度無關(guān)工 程含水層弱透水層孔隙水中靜水壓力的傳遞 砂土、粉土、粘性土 均適用有效應(yīng)力原理 包括水壓力、浮力 密實(shí)的硬粘土，是否傳遞水壓力？是否服從達(dá)西定律而流動(dòng)？ 是否作用靜水壓力？地下結(jié)構(gòu)上是否作用完全的浮力？7. 地下水位升降對(duì)巖土工程的影響地下水位升降對(duì)巖土工程的影響 地下水位上升的影響：地下水位上升的影響： 降低地基承載力，建

6、筑物附加沉降 增加地下工程防水抗浮設(shè)施 產(chǎn)生濕陷、脹脹、溶陷、凍脹 加劇液化勢(shì) 邊坡失穩(wěn)，老滑坡復(fù)活 治澤化、鹽堿化、改變環(huán)境 地下水位下降的影響地下水位下降的影響 產(chǎn)生地面沉降 誘發(fā)地面塌陷 誘發(fā)地裂縫 造成海水入侵 造成水源枯竭，水質(zhì)惡化 2 2 滲流、滲透力和滲透破壞滲流、滲透力和滲透破壞2.1 2.1 流網(wǎng)流網(wǎng) 穩(wěn)定滲流場(chǎng)的 拉普拉斯方程：為流函數(shù)，為勢(shì)函數(shù) 流網(wǎng)性質(zhì) (1) 等勢(shì)線與流線正交； (2) 如各等勢(shì)線間的差值相等，各流線間的差值相等，則各網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比相等；流網(wǎng)性質(zhì) (3)如研究區(qū)總流量為,劃分為個(gè)流線分道，則每分道流量為 如研究區(qū)總水頭差為，劃分為個(gè)等勢(shì)分格，則每等分格的

7、水頭差為 (4) 當(dāng)a=b時(shí)，流經(jīng)研究區(qū)的流量由下式求得： fNqq fNqqdfNNkHq dfNNkHqfNHh fNHh流網(wǎng)性質(zhì) (5) 不透水邊界，等勢(shì)線與之垂直，流線與之平行； 等水頭邊界，流線與之垂直，等水頭邊界就是等勢(shì)線； (6) 等勢(shì)線越密，水力梯度越大；流線越密，流量越大。 (7) 網(wǎng)格越密，水力梯度、流速、流量越大，由滲透造成的孔隙水壓力越大，越易產(chǎn)生滲透變形（滲透破壞）； 反之，網(wǎng)格越稀，水流越平穩(wěn)。 2.2 2.2 越層滲流的水頭變化越層滲流的水頭變化gPZH22壓力水頭分布位置水頭分布總水頭分布圖無越流滲透條件下的水頭分布示意圖含水層弱透水層含水層無越流滲透壓力水頭分

8、布位置水頭分布總水頭分布圖有越流滲透條件下的水頭分布示意圖含水層弱透水層含水層壓力水頭分布位置水頭分布總水頭分布圖下層水頭高于上層水頭條件下的水頭分布示意圖含水層弱透水層含水層2.3 滲透力滲透力 地下水在土體流動(dòng)，受土粒的阻力，對(duì)土粒施加滲流力。 滲流力是體積力，量綱與水的重度相同，大小與水力梯度i成正比，方向與水流方向一致iLhjww2.4 滲透破壞滲透破壞 流土流土 向上的滲流力克服了土的向下重力時(shí)，土顆粒懸浮，移動(dòng)，發(fā)生流土。 多發(fā)生在級(jí)配均勻的粉細(xì)砂或粉土中， 具有突發(fā)性，危險(xiǎn)性很大)1)(1(nGsiwcr流土的治理原則 （1）減小或消除水頭差； （2）增加滲流途徑； （3）在滲流

9、出口處覆蓋透水材料，平衡滲流力； （4）用注漿等法改良土性。管涌管涌 滲流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的骨架孔隙中移動(dòng)流失，孔隙擴(kuò)大，滲流速度增加，較粗顆粒繼續(xù)被帶走，在土體內(nèi)形成貫通的水流通道。 管涌在滲流出口處首先發(fā)生，逐漸向內(nèi)部發(fā)展，是漸進(jìn)性破壞。 一般發(fā)生在砂礫土中。顆粒大小差別大，缺乏某種粒徑，孔隙大且互相連通。防治管涌的原則改變幾何條件， 在滲流溢出部位輔設(shè)反濾層；改變水力條件，降低水力梯度。 流土與管涌的判別流土與管涌的判別 不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級(jí)配土， 流土： 管涌， pr25%； 過渡型 25%Pr35% %35rp突涌突涌 坑內(nèi)承壓水上覆不透水的隔水層，在承壓水頭壓力作用

10、下破壞， 靜力平衡問題 wmsptF流砂及其他滲流引起的破環(huán)流砂及其他滲流引起的破環(huán) 常把流砂和流土混為一談, 實(shí)際上流砂的范圍更廣一些。 流土發(fā)生在垂直向上滲流 而流砂可能發(fā)生在任何方向。 止水蜼幕的基坑，坑外地下水向下滲流，坑內(nèi)向上滲流，向下的滲透力增加主動(dòng)土壓力，向上滲透力減少被動(dòng)土壓力。3 超靜水壓力超靜水壓力超靜水壓力的特性超靜水壓力的特性 受到外力，包括靜壓加載，沖擊荷載、打樁、車輛振動(dòng)，地震等作用， 由土顆粒承擔(dān)的壓力（有效應(yīng)力）全部或部分由孔隙水承擔(dān)，孔隙壓力上升、積累，有效應(yīng)力降低。 隨著孔隙水從土中排出，超靜水壓力消散，直至恢復(fù)原來狀態(tài)。 消散的快慢決定于土的滲透性質(zhì)和滲流

11、路徑的遠(yuǎn)近。3.2 壓縮固結(jié)過程中的孔隙水壓力壓縮固結(jié)過程中的孔隙水壓力 假定： （1） 土是均質(zhì)的，各向同性和完全飽和的； （2）土粒和水均不可壓縮，土的壓縮完全由于孔隙比的改變和孔隙水的排出； （3）附加應(yīng)力沿水平方向無限均勻分布，土的壓縮和滲流是豎向的； （4）滲透固結(jié)過程中，土的滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)不變，滲透服從達(dá)西定律； （5）外荷一次驟然施加，固結(jié)過程中保持不變。一維滲透固結(jié)解 一維滲透固結(jié)過程一維滲透固結(jié)過程 超靜水壓力增長(zhǎng)和消散（1）固結(jié)沉降是孔隙水壓力消散的過程；（2）固結(jié)沉降速率決定于土的滲透系數(shù) 和排水路徑；（3）滲透系數(shù)很小的軟黏土，不解決排水問題的單純預(yù)壓，效果不好；（

12、4）為加速固結(jié)沉降，建立排水通道（如砂井），消散孔隙水壓力是最有效的措施。3.3 孔隙水壓力與土的抗剪強(qiáng)度孔隙水壓力與土的抗剪強(qiáng)度（1）砂土孔壓消散快，正常加荷速率，強(qiáng)度與加荷速率關(guān)系不大。 但迅速發(fā)展的大變形，飽和松砂可能靜態(tài)液化，產(chǎn)生流滑。地震瞬時(shí)動(dòng)荷載松砂液化。（2）粉土和粘性土，加荷初期孔壓最高，有效強(qiáng)度最小，最危險(xiǎn)， 隨時(shí)間推移，孔壓消散，有效強(qiáng)度提高，安全性提高。滲透性越小，提高越慢。 (3) 慢速加載有利于充分發(fā)揮土的強(qiáng)度, 提高安全度。正常固結(jié)粘土與超固結(jié)粘土的正常固結(jié)粘土與超固結(jié)粘土的 三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn) 靜態(tài)液化靜態(tài)液化不同密度飽和砂土的固結(jié)不排水試驗(yàn)(

13、a)應(yīng)力遍變關(guān)系曲線 (b)孔隙水壓力（c）有效應(yīng)力路徑 靜態(tài)液化 孔隙比大于臨界孔隙比的松砂，應(yīng)變軟化，剪縮趨勢(shì)，隨著應(yīng)變的加大，超靜水壓力急劇上升，有效應(yīng)力迅速降低，砂土呈流動(dòng)狀態(tài)。 臨水松砂的“流滑”就是這種靜態(tài)液化，3.4 地震液化的孔隙水滲流地震液化的孔隙水滲流 規(guī)范公式，解決了普遍性的大問題。 公式是粗糙的，判別成功率只有百分之八十幾，有百分之十幾是不成功的 數(shù)據(jù)的代表性十分有限，推廣到其他場(chǎng)地有多少可信度 液化仍是世界性難題。 規(guī)范公式只考慮了地震烈度、土的密實(shí)度、地下水位和所在深度，忽略重要因素： 1微地貌和地質(zhì)成因，河漫灘、低階地、古河道最易液化； 2成層條件，夾粘性土有抑制

14、噴水冒砂的作用； 3顆粒級(jí)配，粒度均勻的粉細(xì)砂最易液化； 4歷史上發(fā)生過液化的地段最易重復(fù)發(fā)生， 綜合判斷。液化原因和宏觀標(biāo)志 在地震動(dòng)作用下，松砂和密度小的粉土發(fā)生剪縮，孔隙水壓力急劇增長(zhǎng)，不能及時(shí)消散，使有效強(qiáng)度喪失 液化對(duì)工程的危害表現(xiàn)噴水冒砂和滑移。宏觀液化的標(biāo)志 噴水冒砂與超靜水壓力滲流有關(guān)噴冒的主要危害 (1) 量水土流失，地面和建筑物大幅沉陷，數(shù)值無法定量預(yù)測(cè)； (2) 土變得極不均勻，噴冒孔周圍土的結(jié)構(gòu)完全改變，極為松散，標(biāo)貫錘擊數(shù)甚至為零。 (3）由于地形、地層、房屋、井、管道等的影響，噴冒孔分布很不均勻，加強(qiáng)了地基的不均勻性。 (4) 模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴冒前地基中有“水夾層”

15、，完全沒有強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于土的液化殘余強(qiáng)度。液化滲流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) （1）水來源于震后砂土增密排出的孔隙水， 非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。 （2）平原區(qū)排泄基準(zhǔn)面為地表， 水流方向自下向上。 （3）地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力 是超靜水壓力而非靜水壓力。 （4）不同深度流速和流量變化的變量運(yùn)動(dòng)，流速、流量和水力梯度，越淺越大，地表最大。噴水冒砂原因 （5）水力梯度超過臨界值后，砂粒浮在水中，發(fā)生滲流液化，砂冒出地面。 （6）隨著孔壓消散，流速、流量、水力梯度減小, 直至消失，土體重新固結(jié)。 噴水冒砂是滲流液化的產(chǎn)物，并非振動(dòng)液化直接引起，時(shí)間在地震發(fā)生之后。 本質(zhì)上是地震的一種次生震害。3.5 壓實(shí)、強(qiáng)夯、擠土樁的壓實(shí)、強(qiáng)夯、

16、擠土樁的 孔隙水壓力孔隙水壓力 “橡皮土效應(yīng)”， 擠土樁的歪樁，斷樁和浮樁嚴(yán)重破壞地基，甚至打樁不如不打樁。 土不能被擠實(shí)和壓實(shí)， 破壞了土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 孔隙水壓力使土的有效強(qiáng)度大幅度降低，已固結(jié)的土又恢復(fù)到欠固結(jié)狀態(tài)， 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)原來的強(qiáng)度。建立下列概念： （1）透水性小的飽和軟粘性土，不宜壓實(shí)、夯實(shí)、擠密進(jìn)行地基加固。 （2）透水性小的飽和軟粘性土，對(duì)樁數(shù)多的樁筏基礎(chǔ), 慎用擠土樁。 （3）樁筏基礎(chǔ)采用擠土樁時(shí)，嚴(yán)格控制樁距，不能過密。 （4）施工時(shí)跳打，設(shè)置孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)程，嚴(yán)格控制孔隙水壓力3.6 3.6 非飽和土的負(fù)孔隙水壓力非飽和土的負(fù)孔隙水壓力Fredlun

17、d的非飽和土強(qiáng)度準(zhǔn)則：后一項(xiàng)也稱為“假粘聚力”，s(ua-uw)是基質(zhì)吸力，隨著飽和度增加，吸力減少，使粘聚力減小，抗剪強(qiáng)度下降，基坑失事和滑坡一般在雨后發(fā)生 4 地下水與工程地下水與工程 4.1 地下室抗浮水位的確定地下室抗浮水位的確定 主要因素有： 1) 大氣降水的季節(jié)變化和多年變化； 2) 區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)背景，場(chǎng)地及其附近的地形地質(zhì)和補(bǔ)排條件； 3) 地下水開采、水庫(kù)放水、跨流域調(diào)水等人為因素； 4) 政府對(duì)水資源和水環(huán)境的綜合調(diào)控。抗浮水位的確定抗浮水位的確定 水位上升影響，隨工程重要程度和要求嚴(yán)格程度而異。 箱筏基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)浮起、傾斜或結(jié)構(gòu)損壞； 柱基和條基，不構(gòu)成浮力，地下室進(jìn)水

18、。 不是單純勘察問題，單純自然科學(xué)問題 與投資決策、發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)政策有關(guān)， 不可預(yù)知性很強(qiáng),需與投資單位、設(shè)計(jì)單位共同決策。抗浮水位的確定抗浮水位的確定 依靠有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員，在掌握充分資料的基礎(chǔ)上綜合判斷。重要工程有時(shí)需召開專家會(huì)議集體論證。 與地震、洪水等突發(fā)性災(zāi)害不同，地下水位上升不是突發(fā)事件 抗浮水位的確定抗浮水位的確定 北京為例 多年變化 地下水的開采 水庫(kù)的蓄水放水 南水北調(diào) 統(tǒng)一調(diào)配4.2多層地下水的抗浮水位多層地下水的抗浮水位 上層滯水的浮力上層滯水的浮力 實(shí)際上為“懸”水。粘土層A點(diǎn)水壓為0，B點(diǎn)水壓也為0。 多層潛水和承壓水的浮力 由滲流計(jì)算決定 砂土中的浮力只由本層水測(cè)

19、管水頭決定； 粘土中則與其上層水及下層水之間關(guān)系有關(guān) A 地下結(jié)構(gòu)在層（砂土）中, 浮力按靜水壓力計(jì)； B 處于層（粘土）中， 浮力在whl和0之間線性變化； C 在層（砂土）中， 浮力與潛水1無關(guān)，按潛水2靜水壓力分布； d. 處于層（粘土）中， 浮力既與潛水2有關(guān)，也與承壓水1 有關(guān)； e. 處于層（砂土）中時(shí)， 浮力只與承壓水1有關(guān)， 按靜水壓力pwZw變化。 浮力計(jì)算的其他問題浮力計(jì)算的其他問題 側(cè)壁摩阻力有利于抗浮 一般只作為安全儲(chǔ)備， 飽和軟粘土中地下連續(xù)墻和沉井，上浮產(chǎn)生負(fù)孔壓，不明顯上浮。但負(fù)孔壓會(huì)逐漸消散，不能用于永久建筑設(shè)計(jì) 地下室肥槽無粘性土回填，降雨充水, 從自由水面起算的全部浮力。 4.3 4.3 基坑降水基坑降水 一般采用裘布依公式推導(dǎo)出的 潛水完整井、 承壓水完整