渗透变形工程地质研究培训讲义(21页)_详细

1、一、概念 渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）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,第六章 渗透变形工程地质研究,第一节 概 述,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。 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

2、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,堤 岸,三、渗透变形的类型,1.管涌：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，又称潜蚀。它通常发生在砂砾石地层中,根据渗透方向与重力方向的关系： 垂直管涌： 水平管涌,2.流土：在渗透作用下，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。这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。粘性土发生流土破坏的外观表现为：土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无粘性土发生流土破坏的外观表现是：泉眼（群）、砂沸、土体翻滚最终被渗透托起等,3.接触冲刷 渗流沿着两种不同介质的接

3、触面流动并带走细颗粒的现象称为接触冲刷。如穿 堤建筑物与堤身的结合面和裂缝的渗透破坏等。 4.接触流土 渗流垂直于两种不同介质的接触面运动，并把一层土的颗粒带入另一土 层的现象称为接触流土。这种现象一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接 触带，如反滤层的机械淤堵等。 对粘性土，只有流土、接触冲刷或接触流土三种破坏形式，不可能产生管涌破坏。 对无粘性土，则四种破坏形式均可发生,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 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dww dh g,动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力,水下

4、重量dQ=dW-dF=(sat- )gdl dw = gdl dw,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= gdl dw dh/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,流土临界水力梯度 流土首先发生于渗流出口，不可能在土体内部直接发生。当渗流自下向上运动时，一旦渗透力克服了重力的作用，则土体就会产生流土破坏，此时土体的临界比降可以通过原状土室内试验求得，也可以由下式近似确定： Icr =(s

5、/w-1)(1-n) 由公式求得的Icr 偏小，大约小于试验值的15%25%，这主要是因为在该式中没有考虑土的抗剪强度的影响（包括内摩擦角和凝聚力两个方面），因此也是偏于安全的。下表给出了无粘性土不发生流土破坏的允许比降经验值，细砂取小值，较粗的砂土取大值,管涌可能发生在渗流出口，也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中的堵塞作用，可能会有管涌中断现象发生，有的是暂时性中断，而后继续发生，有的是永久性中断，即发生了自愈情况。还有一种情况，由于土体中细颗粒填料较少，它的带出不影响土体骨架颗粒的稳定，当细颗粒被带完后，只出清水，不出浑水，管涌终止。 由于计算管涌临界比降的公式目前还不成熟，因此管涌临界

6、比降一般通过室内试验测定。根据经验，对水流向上的垂直管涌，允许比降一般为0.10.25，水平管涌的允许比降为垂直管涌的允许比降乘以摩擦系数tg。下面给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值,管涌临界水力梯度,接触冲刷临界水力梯度 接触冲刷发生在堤身和堤基的内部，但其颗粒仍旧是从渗流出口处带出。接触冲刷不断发展会形成漏水通道，而引起堤防溃决。 在两种性质不同的土层界面上发生接触冲刷时，其临界比降可以通过室内试验或按伊斯托明娜的试验结果获得。 在土层与刚性建筑物接触界面上发生接触冲刷时，对比一些试验资料和建闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比降值列入下表，供参考。表中渗透比降的允许值是由临界比

7、降除以1.5的安全系数得到的，但没有考虑渗流出口处的保护。如果渗流出口有反滤保护，则表中的数据可以适当提高3050。 接触流土临界水力梯度 接触流土的抗渗临界比降应通过室内试验获得,粘性土的抗渗强度 粘性土的渗透破坏特性取决于容重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和成分等物理化学因素，因此，它远比无粘性土渗透破坏特性复杂。粘性土可分为分散性粘土，非分散性粘土和过渡型粘土。如图32，其中A区为分散性粘土，B区为非分散性粘土，C区为过渡性粘土。该图的纵坐标为钠的百分比，横坐标TDS为金属阳离子总量。分散性粘土遇水后土颗粒逐渐脱落而形成悬液，极易被水流带走，其破坏要

8、比细砂和粉土更为容易。而非分散性粘性土由于其凝聚力很大，只会发生流土破坏，不会发生管涌破坏，有反滤保护时，其临界比降可以超过20以上，而一般取45为粘性土的抗渗允许坡降 软弱夹层的抗渗强度 软弱夹层的渗透破坏不同于无粘性土，也不同于粘性土，而是介于两者之间。其渗透破坏的特征为： (1)泥夹碎片层，当结构发生破坏时，沿层面出水，出口细粒跳动，形成小洞眼，直至出现渗透通道; (2)含泥沙砾层，当结构破坏时，渗流出口有细粒移动并呈浑水，直至破坏。软弱夹层的抗渗强度应通过试验得到,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

9、隙中流动最优比例：d0/d = 8,d0 ：孔隙直径 d：细颗粒直径 D：粗颗粒直径,天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5 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，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、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

10、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 Cu1020 流土或管涌,3 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,4 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,5 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,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.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,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,四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定,允许水力梯度,m与地质条件和工程重要性有关： 砂土：m1.53.0 粘性土：m2.54.0m