CH10渗透变形工程地质研究概要.ppt

工程地质学,ENGINEERINGGEOLOGY主讲人：刘岁海lecturer：LiuSuihai,第十章渗透变形工程地质研究Engineeringgeologystudyofpermeabilitydeformation,渗透变形的类型与特点（Styleandcharacteristicofpermeabilitydeformation）渗透变形产生的条件（Procreantconditionofpermeabilitydeformation）渗透变形的预测（Forecastofpermeabilitydeformation）渗透变形的防治（Preventionandcureofpermeabilitydeformation）,主要内容(MainTopics),第一节渗透变形的类型与特点,一、概念渗透变形(seepagedeformation）、渗透破坏(seepagefailure）：岩土体在地下水渗透力（动水压力）(hydrodynamicforce)的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。,二、研究意义,渗透危害1、基坑开挖出现流沙现象2、水坝坝基管涌3、岩溶塌陷等,堤岸,1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，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。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，再往下则是砂砾及卵石等强透水层。在汛期高水位时由于下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，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、潜蚀(piping)：在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象，又称管涌。潜蚀发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，使土层的孔隙和孔隙度增大，强度降低，发展下去会呈现“架空结构”，甚至造成地面塌陷。,潜蚀,机械潜蚀：渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携走，而较大的颗粒仍留在原处。,化学潜蚀：土中含有可溶盐类的颗粒或胶结物时，水流溶蚀了它们，使土的结构变松，孔隙度增大，水流的渗透能力加强。,根据渗透方向与重力方向的关系,水平管涌：坝基底下,垂直管涌：坝后,原因：,内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,管涌,管涌破坏,2、流土(quicksoilquicksand)（流沙）：在渗流作用下，土体中的颗粒群或团块同时发生移动的现象。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。流土的危害性较管涌大，它可以使土体完全丧失强度。,潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，可以转化为流土，但非相互转化。,流土,在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象,渗流,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,第二节渗透变形产生的条件,引起渗透变形的动力因素是动水压力，一旦当渗流的动水压力达到岩土的抗渗强度（岩土抵抗渗透水流作用的能力）时，就发生渗透变形渗透变形的产生，主要取决于渗流的动水压力与岩土抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过程,一、渗流的动水压力及临界水力梯度流入：pA=h1wgdw流出：pB=h2wgdw渗透压力：dP=pA-pB=wgdhdw,水下重量：dQ=dW-dF=(sat-)gdldw=gdldw,动水压力（D）：单位体积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：gdhdw=gdldwdh/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。,Icr=(s-1)(1-n)太沙基公式,二、土体性质与渗透变形类型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、粗细颗粒直径比例细粒从空隙中流动最优比例：d0/d=8天然无粘性土n=0.395D/d0=2.5D/d=20有利于管涌,d0：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒直径,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，有利于渗透变形当排列密实时，D/d0增大，D/d增大，不利于渗透变形,2、细颗粒的含量,用细颗粒含量来判别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、不均匀系数较小的细粒土，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。,3、土的级配特征不均匀系数Cu=d60/d10,Cu20管涌Cu10-20流土或管涌,三、地层组合关系,单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，一般发生管涌，随着细粒成分的增多，可能流土。双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因,四、地形地貌条件沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等,五、工程因素施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层,第三节渗透变形的预测,渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容。在工程兴建以前，必须预测场地或地基渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施，保障建筑物安全。此项工作，对于水工建筑物来说尤为重要。,一、预测步骤1、根据土体类型和性质，判定是否容易发生渗透变形及变形的类型2、确定土体中各点的实际水力梯度3、确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度4、根据实际水力梯度与允许水力梯度的比较，判定渗透变形的可能性及其范围,二、渗透变形类型的确定1、粗细颗粒比例2、细粒物质含量3、土的级配特征,根据累积曲线和分布曲线判别瀑布式累积曲线()产生管涌直线型累积曲线(）不产生管涌，梯度较高产生流土阶梯式累积曲线()多产生管涌，有时流土分布曲线：陡峭单峰：不发生管涌，较高梯度下产生流土双峰多峰：危险性管涌,三、实际水力梯度的确定常用方法有：水力学方法：计算及图解模型模拟法数值计算法,理论计算法：,绘制流网图解法主要是绘制坝基流网图流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格，在均质各向同性岩层中，流网最基本的特征是流线与等水头线正交。,四、确定临界水力梯度（Icr）和允许水力梯度（I允）理论计算法：适于流土类型图表法：工程等级较低阶段，初勘阶段用试验测定法：工程等级较高或后期勘察阶段,1、图表法1)、砂土和砂砾土管涌临界水力梯度，可用细颗粒含量与渗透破坏坡度关系曲线，求临界水力梯度（渗透破坏坡降）2)、当它们的不均粒系数(Cu)I允发生渗透变形I实I允不发生渗透变形,第四节渗透变形的防治,一、防治原则1、改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度2、改变土体结构，提高抗渗能力,二、防治措施,1、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施建筑物基坑人工降低潜水位板桩防护墙地下巷道水平巷道：盾构法施工竖井：沉井式支护抗掘进也可采用冻结法、电动硅化法改善砂土性质,工程降水,采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,三、渗流工程问题与处理措施,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,2、汲水井防止管涌措施主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择,3、土石坝防治渗透变形的措施垂直截渗主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。常用方法有：粘土截水槽、灌浆帷幕、混凝土防渗墙等水平铺盖排水减压反滤盖重,水平铺盖,上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径,设置反滤层,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层,三、渗流工程问题与处理措施,排水减压,为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽,堤身防治工程的设计与施工堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水、透水后戗（压浸台）、水平排水等，对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理。,（一）、防渗斜墙1、设计考虑对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况，斜墙应与其连成一体，构成完整的防渗体系，以提高防渗效果。斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和渗水的严重程度经计算确定，长度至少超过渗水段两端各5m，高度应超过设防水位0.51.0m。对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为12m，坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、冻裂和其它侵害的影响，应设壤土保护层，一般情况，保护层高于墙顶1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。,2、从施工考虑施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物，清除厚度1020cm，并适当整平。斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质，填筑压实度应不小于0.94，含水率与最优含水率的允许偏差为3。当用土工膜作隔渗层建造斜墙时，土工膜幅间的拼接应采取焊接或粘接方式，确保施工质量，并注意施工中不要损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合，并采取防止生物破坏的措施。,（二）、堤身垂直防渗垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶尽量靠近临水侧，并与堤身防渗体连成一体。根据实践，比较经济合理有效的堤身垂直防渗技术有：锥探灌浆、劈裂灌浆、和垂直铺塑等。1、锥探灌浆在堤顶采用梅花形方式布孔并进行充填灌浆。实践证明，锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法，但由于钻孔数量多往往造价较高。,2、劈裂灌浆沿堤顶轴线单排布孔，利用灌浆压力将堤身沿其走向劈开并灌浆，从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到应用，效果明显。3、垂直铺塑在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用粘土浆回填，从而达到降低堤身渗流量和浸润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的效果。,（三）、贴坡排水为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏，可以采用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物，清除深度1020cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.51.0m，长度应超出散浸堤段两端至少3m。根据反滤材料不同，有以下两种方法可供选用：1、砂砾料贴坡排水砂砾料贴坡排水的各层厚度如图A所示。褥垫排水的设计、材料的选用、反滤层铺设施工等的有关细节，请参考反滤层的设计与施工。2、土工织物贴坡排水,土工织物反滤层贴坡排水示意图,砂砾料贴坡排水示意图,（四）、透水后戗亦称透水压浸平台。它既能防止散浸造成的渗透破坏，又能加大堤身断面从而达到稳定堤坡的目的。一般适用于散浸严重、堤身断面单薄、背水坡较陡、外滩狭窄的情况。透水后戗应采用比堤身透水性大的材料填筑，高度应高出渗水的最高出逸点0.51.0m，顶宽24m，坡度1:31:5，长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大断面可小一些，相反则应大一些。当堤身较高时可采用两级或多级戗台。施工时应清除堤坡上的草皮和杂物，清除深度1020cm。填筑戗