1、工程地質(zhì)學,資環(huán)學院 吳道祥,第八章 滲透變形工程地質(zhì)研究,第一節(jié)概述一、概念,地下水在滲流過程中對巖土體作用的力，稱滲透力或動水壓力。當此力達到一定值時，巖土中一些顆粒、甚至整體就發(fā)生移動，從而引起巖土體的變形和破壞。這種作用或現(xiàn)象，稱之為滲透變形或滲透破壞。由此產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題，就是滲透穩(wěn)定性問題。 引起滲透變形的驅(qū)動力是動水壓力；動水壓力的大小主要取決于地下水的水力梯度。土體抵抗?jié)B透變形的能力叫抗?jié)B強度，其大小取決于土的顆粒組成、排列方式、物理力學性質(zhì)及地下水流向等。在滲流作用下，土體的滲透穩(wěn)定性決定于動水壓力與抗?jié)B強度之間矛盾的發(fā)展演化過程。,二、研究意義,堤 岸,1998年長江洪水

2、險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。 一般來說，長江中下 游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強透水層，在河床中露頭與河水相通。 在汛期高水位時由于滲水流經(jīng)強透水層壓力損失很小，堤內(nèi)數(shù)百米范圍內(nèi)粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的情況下），從而發(fā)生管涌。,2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午

3、9時左右，地面建筑物中山南路847號一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。,三、滲透變形的類型,三、滲透變形的類型（續(xù)1）,三、滲透變形的類型（續(xù)2）,2、流土：在滲透作用下，一定體積的土體同時發(fā)生移動的現(xiàn)象。 常發(fā)生于均質(zhì)砂土層和亞砂土層中。,據(jù)美國的有關(guān)統(tǒng)計資料，在破壞的土石壩 中，有40是壩基或壩體滲透變形造成的。我 國水利水電科學研究院于l974年調(diào)查了33座壩 身有缺陷的土石壩，其中屬滲透變形的約占60。,實例,圖73東榆林水庫副壩潰決段地質(zhì)割面圖(單位：m)砂瑯土(亞砂土)，厚l.31.5m；粉質(zhì)亞砂土，厚2.53.0m； 礫狀粘土，厚0

4、，l0，8m；龜裂土(亞砂土)，厚2.5m；砂質(zhì)粘土，厚5m； 粉砂土 (據(jù)張致仁，1982),第二節(jié)滲透變形產(chǎn)生的條件一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,當?shù)叵滤谒缮⑼馏w的孔隙中滲流時，土顆粒與水流圍繞接觸(圖74)。由于水流流線之間以及水流與土粒接觸面上摩擦腳阻力的作用，使得水流產(chǎn)生水頭損失(圖75)，因而滲流的水壓力下降。此時每一個土顆粒在水頭差作用下，承受了來自水流的滲透力。,第二節(jié) 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度 流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 滲透壓力：dP=pA-pB=dww dh g,水下重量dQ=dW-dF=(sat- )

5、 gdl dw = gdl dw,動水壓力（D）：單位體積土層所受的滲透壓力,當dp=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。 此時滲流的水力梯度為臨界水力梯度Icr 土的抗?jié)B強度。 則有： dw dh g= gdl dw dh/dl= / Icr=dh/dl= / ,Icr= =(s-1)(1-n) 太沙基公式,土粒越密實， n 越小， Icr 越大，土體越不容易發(fā)生滲透變形。,管涌的Icr的求取較為復雜，通過試驗測定。,二、土體結(jié)構(gòu)特征抗?jié)B強度,2、細顆粒的含量 用細顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式： 35% 流土 25% 管涌 =25%35% 流土或管涌，取決于礫土的密實度及

6、細顆粒的組成 中等以上密實度、細顆粒的不均勻系數(shù)較小的礫土，發(fā)生流土 細顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗?jié)B強度增加，不易發(fā)生滲透變形。,二、土體結(jié)構(gòu)特征抗?jié)B強度（續(xù)1）,3、土的級配特征：不均勻系數(shù)Cu=d60/d10 Cu20 管涌 礫質(zhì)土 Cu:1020 流土或管涌,二、土體結(jié)構(gòu)特征抗?jié)B強度（續(xù)2）,1、地層組合關(guān)系：（單一型、雙層型、多層型） 單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）石層，一般發(fā)生管涌，隨著細粒成分的增多，可能流土。 雙層型：主要考慮表層粘性土的性質(zhì)、厚度、完整程度 多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水力梯度的突變

7、等原因。 2、地形地貌條件 溝谷切割等改變了滲流的補給、滲流的長度、出口條件等。,三、宏觀地質(zhì)因素,四、工程因素,施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。,1、根據(jù)土體類型和性質(zhì)，判定是否容易發(fā)生滲透變形及變形的類型 2、確定土體中各點的實際水力梯度，尤其是最大水力梯度 3、確定相對于該土體的臨界水力梯度和允許水力梯度 4、判定滲透變形的可能性及其范圍,第三節(jié)滲透變形的預測一、預測步驟,二、滲透類型的確定,1、粗細顆粒比例 2、細粒物質(zhì)含量 3、土的級配,三、實際水力梯度的確定,三、實際水力梯度的確定（續(xù)）,理論計算法：,允許水力梯度： m與地質(zhì)條件和工程重要性有關(guān)： 一般砂土：m1.53.0 粘性土：m2.54.0,四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定,五、滲透變形可能性判定,I實I允 發(fā)生滲透變形 I實I允 不發(fā)生滲透變形,1、改變滲流的水動力條件，減少動水壓力即降低水力梯度