第七章 滲透破壞

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)。一般來說，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)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，無人員傷亡。三、滲透變形的類型1.潛蝕：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粒或膠結(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)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

wgdw

流出：pB=h2

wgdw

滲透壓力：dP=pA-pB=dw

w·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-

)·g·dl·dw=’·g·dl·dw動(dòng)水壓力（D）：?jiǎn)挝惑w積土層所受的滲透壓力當(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水力梯度Icr——土的抗?jié)B強(qiáng)度。則有：dw

·dh·g=’·g·dl·dwdh/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。管涌的Icr的求取較為復(fù)雜，通過試驗(yàn)測(cè)定。二、土的抗?jié)B強(qiáng)度-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.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天然無粘性土n=0.395D/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D/d0

的值：

當(dāng)排列疏松時(shí)，D/d0

減小，D/d減小，有利于滲透變形

當(dāng)排列密實(shí)時(shí)，D/d0

增大，D/d增大，不利于滲透變形

2.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，用細(xì)顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式：

>35%流土

<25%管涌

=25%~35%流土或管涌，取決于礫土的密實(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。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.土的級(jí)配特征：不均勻系數(shù)Cu=d60/d10Cu<10流土Cu>20管涌Cu＝10-20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、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、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.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

常用方法有：水力學(xué)方法：計(jì)算及圖解——

模型模擬法——

數(shù)值計(jì)算法——理論計(jì)算法：四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定允許水力