第6章渗透变形工程地质研究.ppt
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1、第六章 渗透变形工程地质研究,概 述 渗透变形产生的条件 渗透变形的预测 渗透变形的防治,提 要,第一节 概 述,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,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。 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
2、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,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。 根据渗透方向与重力方向的关系: 垂直管涌 水平管涌,2
3、.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。,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,水下重量dQ=dW-dF=(sat- ) gdl dw = gdl dw,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: dw dh g= gdl dw dh/dl= / Icr=dh/dl= / ,Icr= =
4、(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。,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=0.395 D/ d0 =2.5 D/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
5、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
6、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,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
7、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:m1.5-3.0 粘性土:m2.5-4.0m,五、渗透变形可能性判定,I实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.垂直截渗:防渗帷幕 2.铺盖 3.人工降低地下水位 4.反滤盖重 5.物理、化学方法改造 冻结、电动硅化、灌浆(化学浆液),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有反滤层的设计问题,为此专门进行讨论。 (一)反滤层的用途 反滤
8、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。对有承压水的地层还起压重作用。 (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) 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
9、斜向的情况,属于过渡型,如减压井、贴坡反滤等,可归为型。,图A 型反滤,图B 型反滤,(四) 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) 砂砾料反滤层的设计与施工 1.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/d8545 D1
10、5/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.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.施工要求 反滤料应具有要求的级配,且小于0.1毫米的颗粒含量不大于5,并有要求的透水性。质地应
11、致密坚硬,具有高度的抗水性和抗风化能力,风化料一般不能用作反滤料,如必须应用时应进行充分论证。反滤料宜尽量利用天然砂砾料筛选,在缺乏天然砂砾料时,也可以采用人工砂石料,但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。 铺反滤层前应采用挖除法将基面整平,对个别低洼处采用与基面相同的土料或第一层反滤料进行填平。铺筑时应由底部向上逐层铺设,并保证层次清楚,互不混杂,不得从高出顺坡倾倒,以免发生填筑分离。对反滤层必须进行压实,在施工中应防止雨水冲泥等污染反滤料。,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
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- 渗透 变形 工程地质 研究
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