工程地质学教程 教学课件 ppt 作者 姜晨光 主编 唐平英 方绪华 范千 副主编第17章 渗透变形问题.pptVIP

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第17章 渗透变形问题 17.1 概述 地下水在渗流过程中对岩土体的作用力称渗透力(Seepage Force)或动水压力(Hydrodynamic Force),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(Seepage Deformation)或渗透破坏(Seepage Failure)。由此产生的工程地质问题就是渗透稳定性问题。在自然界中,渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土中(比如“黄土喀斯特”现象、河流阶地上的“碟形洼地”、覆盖岩溶区的“土洞”、等)。由于人类的工程~经济活动使渗流加强因而产生的渗透变形问题也较多(比如基坑开挖时的流砂现象、因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷、土石坝坝基的渗透稳定、等),这种现象不但在松散土体中发生,而且在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。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称为抗渗强度,其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质、地下水流向、等因素。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的矛盾发展演化过程。目前国内外对渗透变形型式的认识和划分标准尚未统一,但一般说来应分为管涌和流土两种基本型式。渗透变形问题在坝工建设中尤为人们关注。渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大危害,同时也会影响到地面土木工程结构的安全。 17.2 渗透变形产生的条件 渗透变形产生的条件主要包括渗流的动水压力及临界水力梯度、土体的结构特征、宏观地质因素、工程因素、等。当dP=dQ时,单元体处于悬浮状态会发生流土,此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Ior,土粒越密实n越小、Ior越大、土体越不容易发生渗透变形。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。用细颗粒含量可判别双峰型砾土的渗透变形型式,当η>35%时流土、η<25%时管涌、η=25%~35%时流土或管涌(取决于砾土的密实度及细颗粒组成),细颗粒成分中粘粒含量增加可增大土的凝聚力使土的抗渗强度增加从而使渗透变形不易发生。当土的级配特征Cu<10时流土、Cu>20时管涌、Cu=10~20时流土或管涌。 由于当渗流的动水压力达到土的抗渗强度时土颗粒才开始移动,因此可以说,渗透变形产生的必要条件是渗透水流有足够大的动水压力和土体具有一定的结构特性。 管涌土的水动力条件比较复杂,一般不采用公式法计算其临界水力梯度,普遍采用的是图表法和直接试验法。由上述分析可知,渗透变形的实质就是土颗粒或一定体积的土体被渗流携走。在一定的动水压力作用下土体是否会发生渗透变形主要取决于它的抗渗强度如何。土的抗渗强度大小是受其结构特性制约的,它包括土中粗细颗粒直径比例、细粒物质的含量和土的级配特征等多方面因素。 17.2.1 土与渗透变形有关的结构特征指标 (1)粗、细粒径的比例。只有当细颗粒的粒径D小于粗颗粒的骨架孔隙直径D0时才能发生管涌。 (2)细颗粒含量。认为当细颗粒含量>35%时为流土;当细颗粒含量<25%时为管涌;当细颗粒含量在25~35%之间时流土和管涌均可能发生(主要取决于砾土的密实程度及细颗粒的组成。中等以上密实度(相对容重Dr>0.33)细颗粒成分不均粒系数较小的砾土一般发生流土;反之则为管涌)。此外,细颗粒成分中粘粒含量增加可增大土的内聚力,因而增大了土体的抗渗强度。 实践表明,在渗流作用下由于无粘性土的结构特性不同,有的首先表现为管涌,尔后在更强的水动力条件下转化为流土(产生流土的水力梯度往往较管涌的水力梯度大)。有的无粘性土在足够的水动力条件下便直接产生流土。所有这些均主要受控于土的结构特性。 17.2.2 渗透变形产生的充分条件 ? 上面讨论的渗透变形产生的必要条件是根据理沦公式推导和实验室研究获得的。一些工程场地渗透稳定性研究的资料表明,在具备渗透变形产生的必要条件前提下是否确实会出现渗透变形问题还必须由宏观地质因素和工程因素来决定。1)宏观地质因素,对渗透变形产生有意义的宏观地质因素主要是地层组合关系和地形地貌条件。2)工程因素,工程因素包括大坝和汲水井的渗流出口条件、库水位的急剧消落、施工对坝前表面弱透水层的破坏、土木工程结构底面轮廓、等。 17.3 渗透变形的预测方法 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土木工程结构的安全。坝基工程渗透变形预测的步骤大体是首先根据土体的类型和性质、判定是否易于产生渗透变形及渗透变形的类型,然后确定坝基各点(主要是下游坝脚处)的实际水力梯度,再确定临界水力梯

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