第八章_渗透变形工程地质研究.ppt

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1、工程地质学资环学院吴道祥第八章渗透变形工程地质研究地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力或动水压力。当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒、甚至整体就发生移动，从而引起岩土体的变形和破坏。这种作用或现象，称之为渗透变形或渗透破坏。由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。引起渗透变形的驱动力是动水压力；动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度。土体抵抗渗透变形的能力叫抗渗强度，其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质及地下水流向等。在渗流作用下，土体的渗透稳定性决定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。二、研究意义堤岸1998年长江洪水险情以

2、渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。一般来说，长江中下游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生管涌。2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引

3、起地面大幅沉降。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。三、渗透变形的类型1.管涌：在渗流作用下，单个颗粒发生独立移动的现象，又称为潜蚀。根据渗透方向与重力方向的关系：垂直管涌水平管涌三、渗透变形的类型（续1）接触管涌：当粗细粒土相互叠置时，接触面上发生的管涌。按渗流方向与土层接触面的关系：垂直接触管涌：在垂直于土层接触面的渗流作用下，细粒土层的单个颗粒向粗粒土层孔隙移动的现象。平行接触管涌：在平行于粗、细粒土层接触面的渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度较细粒土层大得多，而使接触

4、面附近的细粒土层中的颗粒被携走的现象。三、渗透变形的类型（续2）2、流土：在渗透作用下，一定体积的土体同时发生移动的现象。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝中，有40％是坝基或坝体渗透变形造成的。我国水利水电科学研究院于l974年调查了33座坝身有缺陷的土石坝，其中属渗透变形的约占60％。实例图7－3东榆林水库副坝溃决段地质割面图(单位：m)①－砂琅土(亚砂土)，厚l.3－1.5m；②－粉质亚砂土，厚2.5－3.0m；③－砾状粘土，厚0，l－0，8m；④－龟裂土(亚砂土)，厚2.5m；⑤－砂质粘土，厚5m；⑥－粉砂土(据张致仁

5、，1982)第二节　渗透变形产生的条件一、渗流的动水压力及临界水力梯度当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒与水流围绕接触(图7－4)。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦脚阻力的作用，使得水流产生水头损失(图7－5)，因而渗流的水压力下降。此时每一个土颗粒在水头差作用下，承受了来自水流的渗透力。第二节渗透变形产生的条件一、渗流的动水压力及临界水力梯度流入：pA=h1wgdw流出：pB=h2wgdw渗透压力：dP=pA-pB=dww·dh·g水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·dw=’·g·dl·dw动水压力（D）：单位体积

6、土层所受的渗透压力当dp=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr——土的抗渗强度。则有：dw·dh·g=’·g·dl·dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)……太沙基公式土粒越密实，n越小，Icr越大，土体越不容易发生渗透变形。管涌的Icr的求取较为复杂，通过试验测定。土体结构包括了土中粗细颗粒直径比例、细粒物质含量、土的级配等。1、粗细颗粒直径比例最优比例：d0/d=8d0：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒直径天然无粘性土n=0.395D/d0=2.5

7、D/d=20有利于管涌土体的排列方式决定着D/d0的值：当排列疏松时，D/d0减小，D/d减小，渗透变形广泛当排列密实时，D/d0增大，D/d增大，渗透变形不广泛二、土体结构特征－抗渗强度2、细颗粒的含量用细颗粒含量来判别双峰型砾土的渗透变形型式：>35%流土<25%管涌=25%~35%流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成中等以上密实度、细颗粒的不均匀系数较小的砾土，发生流土细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗渗强度增加，不易发生渗透变形。二、土体结构特征－抗渗强度（续1）3、土的级配特征：不均匀系数Cu=d60/d10Cu<10

8、流土Cu>20管涌砾质土Cu:10~2