第6-渗透变形工程地质研究.pptx
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1、l 概概 述述l 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件l 渗透变形的预测渗透变形的预测l 渗透变形的防治渗透变形的防治提提 要要第一节 概 述 一、概念一、概念 渗透变形渗透变形:岩土体在地下水渗透力: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(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、泉用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。眼、沙浮、土体翻动等。二、研究意义堤堤 岸岸 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
2、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
3、及时,所有人员提前撤出,无人员伤亡。三、渗透变形的类型三、渗透变形的类型1.1.管涌管涌:在渗流作用下,细在渗流作用下,细颗粒沿土体骨架中的孔道发颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象,又称潜生移动带走的现象,又称潜蚀。蚀。根据渗透方向与重力方向的根据渗透方向与重力方向的关系:关系:垂直管涌垂直管涌 水平管涌水平管涌2.2.流土流土:在渗透作用下,土体: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。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。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。第二节第二节 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件一、渗流的动水压力及一、渗流的动水压
4、力及临界水力梯度临界水力梯度流入:pA=h1 wg dw 流出:pB=h2 wg dw 渗透压力:dP=pA-pB=dww dh g水下重量水下重量dQ=dW-dF=(dQ=dW-dF=(satsat-)g gdldl d dw=w=g gdldl d dw w动水压力(D):单位体积土层所受的渗透压力当当dp=dQdp=dQ时,单元体处于临界悬浮状态,即将时,单元体处于临界悬浮状态,即将发生流土。发生流土。此时渗流的水力梯度为此时渗流的水力梯度为临界水力梯度临界水力梯度IcrIcr 土的抗渗强度。土的抗渗强度。则有:则有:d dw w dh dh g=g=g gdldl d dw w dh/
5、dl=dh/dl=/Icr=dh/dl=Icr=dh/dl=/Icr=Icr=(=(s s-1)(1-n)-1)(1-n)太沙基公式太沙基公式土粒越密实,土粒越密实,n n 越小,越小,Icr Icr 越大,土体越不容越大,土体越不容易发生渗透变形。易发生渗透变形。管涌的管涌的IcrIcr的求取较为复杂的求取较为复杂,通过,通过试验测定试验测定。二、土体性质与渗透变形类型二、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。1.1.粗细颗粒直径比例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=0.395 D/d0=2.5D/d=20
6、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土体的排列方式决定着D/dD/d0 0 的值:的值:当排列疏松时,当排列疏松时,D/dD/d0 0 减小,减小,D/d D/d 减小,有利于渗透变形减小,有利于渗透变形 当排列密实时,当排列密实时,D/dD/d0 0 增大,增大,D/d D/d 增大,不利于渗透变形增大,不利于渗透变形2.2.细颗粒的含量细颗粒的含量用细颗粒含量用细颗粒含量 来判别双峰型砾土的渗透变形型式:来判别双峰型砾土的渗透变形型式:35%35%流土流土 25%25%管涌管涌=25%35%=25%35%流土或管涌,取决于砾土的密实度及细颗粒的组成流土
7、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。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,不易抗渗强度增加,不易 发生渗透变形。发生渗透变形。3.3.3.3.土的级配特征:不均匀系数土的级配特征:不均匀系数土的级配特征:不均匀系数土的级配特征:不均匀系数Cu=dCu=dCu=dCu=d60606060/d/d/d/d10101010Cu10 Cu20 Cu20 管涌管涌CuCu10-20 10-20 流土或管涌流土或管涌三、地层组合关系
8、单一型单一型:多位于河流的上游,一般为砂卵(砾):多位于河流的上游,一般为砂卵(砾)石层,一般发生管涌,随着细粒成分的石层,一般发生管涌,随着细粒成分的增多,可能流土。增多,可能流土。双层型双层型:主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完:主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度整程度多层型多层型:除考虑表层粘性土层外,还考虑砂层透: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镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度力梯度的突变等原因的突变等原因四、四、地形地貌条件地形地貌条件 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等五、五、工程因素工程因素 施工等破坏了表层具有防
9、渗作用的弱透水层。第三节第三节 渗透变形的预测渗透变形的预测一、预测步骤一、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三、实际水力梯度的确定 常用方法有:常用方法有:v 水力学方法:计算及图解水力学方法:计算及图解v 模型模拟法模型模拟法v 数值计算法数值计算法理论计算法:理论计算法:四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定四、临界水力梯
10、度与允许水力梯度的确定允许水力梯度允许水力梯度:m m与地质条件和工程重要性有关:与地质条件和工程重要性有关:砂土:砂土:m m1.5-3.0 1.5-3.0 粘性土:粘性土:m m2.5-4.0m2.5-4.0m五、渗透变形可能性判定五、渗透变形可能性判定I I实实 I I允允 发生渗透变形发生渗透变形I I实实 I I允允 不发生渗透变形不发生渗透变形第四节第四节 渗透变形的防治渗透变形的防治一、防治原则一、防治原则1.1.改变渗流的水动力条件,减少动水压改变渗流的水动力条件,减少动水压力即降低水力梯度力即降低水力梯度2.2.改变土体结构,提高抗渗能力改变土体结构,提高抗渗能力二、防治措施
11、二、防治措施1 1.垂直截渗:防渗帷幕垂直截渗:防渗帷幕2.2.铺盖铺盖3.3.人工降低地下水位人工降低地下水位4.4.反滤盖重反滤盖重5.5.物理、化学方法改造物理、化学方法改造 冻结、电动硅化、灌浆(化学浆液)冻结、电动硅化、灌浆(化学浆液)反滤层的设计与施工反滤层的设计与施工在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均有反滤层的设计问题,为此专门进行讨论。有反滤层的设计问题,为此专门进行讨论。(一)反滤层的用途(一)反滤层的用途 反滤层是排水设备的主要组成部分,其作用是滤土排水,防止渗流逸出处遭受渗透破坏以及渗流造成的表面水流冲刷。对有承压
12、水的地层还起压重作用。(二)对反滤层的要求(二)对反滤层的要求 1.透水性应大于被保护土,并能将渗透水流通畅排出;2.使被保护的土层不发生渗透变形;3.不致被细颗粒淤塞失效;(三)(三)反滤层的类型反滤层的类型划分反滤层类型的目的主要是为了合理地确定反滤层数,因此只分两种类型。1.型反滤:其特点是反滤层位于被保护土层的下部,渗流方向主要由上向下(图A)。如褥垫排水。2.型反滤:其特点是反滤层位于被保护土层的上部,渗流方向主要由下向上(图B)。如减压沟的反滤层。渗流方向近乎水平或倾斜向,反滤层近乎垂直或倾斜向的情况,属于过渡型,如减压井、贴坡反滤等,可归为型。图图A A 型反滤型反滤图图B B
13、型反滤型反滤(四)(四)反滤层的设计内容反滤层的设计内容 反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类,设计内容有:1.确定反滤层的类型;2.根据滤土准则,确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。3.对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数;4.鉴定反滤料的透水性,对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性;5.有纵向渗流时,鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性。(五)(五)砂砾料反滤层的设计与施工砂砾料反滤层的设计与施工 1.1.反滤料的选择反滤料的选择 对于被保护土的第一层反滤料,建议用下列方法确定;D15/d854D15/d8545 5 D15/
14、d155 D15/d155 式中:D15为过筛重量占15时的反滤料粒径,d85为过筛重量占85时的被保护土的颗粒直径;d15为过筛重量占15时的被保护土的颗粒粒径。当选择第二、三层反滤料时,可同样按以上方法确定。但选择第二层反滤时第一层反滤为被保护土,选择第三层反滤时第二层反滤为被保护土。2.2.反滤层厚度的确定反滤层厚度的确定 反滤层的厚度应根据反滤料的级配、料源、用途、施工方法等情况综合考虑确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm,垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用50cm。采用推土机平料时,最小水平宽度宜不小于3.0m。3.3.施工要求施工要求 反滤料应具有要求的级配,且小于0.1毫米的颗
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