渗透变形工程地质研究40页PPT

动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力
D＝
dP dw dl
ρ
g dh dl
ρ
gI
dW ρsat g dl dw dF ρ g dl dw
水下重量dQ=dW-dF=(sat- )·g·dl·dw =’ ·g·dl·dw
’——浮密度
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 —— (critical hydraulic gradient)土的抗渗强度。 则有： dw ·dh ·g= ’ ·g·dl·dw
❖ 渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大 危害，同时影响到地面建筑物的安全。
❖ 1974年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下 80m深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一 地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流 砂快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了 塌陷漏斗。
❖ 我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、 细砂土中，1960年代施工时亦遇流砂涌入，引起 四周地面下陷达l.4m，井筒四周的板桩沉陷变形。 后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。
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。(seepage deformation)或渗透破坏(seepage failure)。 表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。
由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
❖ 河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土 洞”等现象均属之。
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。(piping)
根据渗透方向与重力方向的 关系：
垂直管涌 水平管涌

《工程地质学概论》
第七章 渗透变形工程地质研究
渗透变形破坏方式
渗透变形破坏的形成条件
渗透变形的预测 渗透变形破坏的防治措施
渗透变形破坏方式
渗透变形：在渗透水流作用下，土体颗粒发生移动，
引起土体结构变松，强度降低的现象。
渗透变形破坏方式
潜蚀：渗流作用下，土体中较细颗粒被水流移动或挟
走，较普遍发生在不均质砂层中
流土：渗流将土体所有的颗粒全部浮动、流动或整块移
动，常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中。
接触流土：渗透水近于垂直土层运动，当水流由颗粒
粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流 带进粗粒土中。
接触冲刷：粗细粒土层接触时，在平行于土层的渗流
作用下，接触面上的细粒土被水流携走。
渗透变形破坏的形成条件
D.压密固结程度：经过压密固结的土不仅孔隙度有所 降低，粒间嵌合力也有所增强，必然要经过渗流力浮动 以后才能悬浮。其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成 分相近但未经固结的土。
渗透变形破坏的形成条件
E.粘粒含量：粘粒含量增多的结果使土的内聚力增加， 进而增加土的抗潜蚀能力。
允许
粒的骨架孔隙直径d0时，才能发生潜蚀。据研究其最优 比为d0/d=8。一般天然无粘性土均为混粒结构，其孔隙 率多为n=39.59%，大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D/d0=2.5。 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D/d=20。
渗透变形破坏的形成条件
B.细颗粒含量：只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才 能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。如细颗粒达到 一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架， 则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。实验资料 证实：当细粒含量达20%~30%时，产生渗透变形所需的 水力梯度值急剧增大。当 细粒含量<20%，破坏梯度 <0.5，较计算值(0.8~1.2)小 得多，这可能是由于土的 结构和孔隙不均一的缘故。 细粒含量（％）

外力作用
地震、降雨等外力作用会改变地下水状态，增加 发生渗透变形的风险。
03
渗透变形的工程地质研究
渗透变形的地质条件
80%
土壤颗粒大小
土壤颗粒的大小和分布对渗透变 形有重要影响。颗粒越小，土壤 的渗透性越差，越容易发生渗透 变形。
100%
土壤含水率
土壤含水率越高，土壤的渗透性 越差，越容易发生渗透变形。
渗透变形的影响因素
水位变化
地下水水位的变化是影响渗透变形的关键因素。 水位上升会使岩土体受到更大的水压力作用，增 加发生渗透变形的风险；水位下降则会使岩土体 干燥，降低其抗剪强度，容易发生变形。
土体含水量
土体的含水量越高，其孔隙率越大，水压力作用 越明显，越容易发生渗透变形。
颗粒组成与结构
岩土体的颗粒组成和结构对其渗透性有着重要影 响。颗粒越细、结构越松散，岩土体的渗透性越 强，发生渗透变形的可能性越大。
经验模型
根据历史数据和经验，建立预测模型，预测不同工程条件下可能发 生的渗透变形。
04
渗透变形的防治措施
防渗排水措施
防渗帷幕
通过在工程区域周围设置防渗帷 幕，防止地下水渗入工程区域， 从而减小渗透变形发生的风险。
排水沟设置
在工程区域附近设置排水沟，将 地下水引出工程区域，降低地下 水位，减小水压力对土体的影响 。
目前对渗透变形的机理和规律 仍不完全清楚，需要进一步深 入研究其内在机制和演化过程 。
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工程地质学-渗透变形工程地 质研究
目
CONTENCT
录
• 引言 • 渗透变形的基本概念 • 渗透变形的工程地质研究 • 渗透变形的防治措施 • 工程实例分析 • 结论与展望

– 当向上渗流的水头差h不断增大，直至a—a断面上的孔 隙水压力与该面上的总应力相等时，有效应力将减小为零， 即
– 由此得
’=-pw=’gl2-wgh=0
Icr=’/w
– 由于水的密度为1t/m3，所以临界水力梯度Icr在数值上 等于土的浮密度。根据土物理性质指标间的关系
’=(s-1)(1-n)
–故
– 渗透变形一般发生于无粘性土和粉土中。如“黄土喀斯特” 现象、河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土洞” 等现象均属渗透变形。
– 常见的渗透变形问题：基坑开挖时的流沙现象、因矿山排 水或抽取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷、土石坝坝基 的渗透稳定性问题。渗透变形除在松散土体中发生外，还可 在基岩的断裂破碎带和风化壳中发生。
– 所以岩土体的渗透稳定性取决于渗流的动水压 力与抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过 程。这也就是渗透变形产生的基本条件。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 1．渗流的动水压力和临界水力梯度
• （1）动水压力
– 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒于水流围 绕接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦 阻力的作用，使得水流产生水头损失，因而渗流的水压力 将下降。此时，每一个土颗粒在水头差的作用下，承受来 自水流的渗透力。 – 为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水流自下 而上流经一个单元土体（右下图），其长度为dl、断面面
=wgl1+mgl2
其中，m为饱和砂土的密度。 – 该断面上的孔隙水压力pw为：
pw=wg(l1+l2+h)
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 根据有效应力原理，a—a断面上的有效应力’ 为：
’=-pw=’gl2-wgh

第七章 渗透变形的工程地质研究
• 2．流土 – 流土是在渗流作用下一定体积的土体同时发 生移动的现象。流土一般发生于均质砂土层和 粘质砂土中。它可使土体完全丧失强度，而危 及建筑物的安全，因此危害性较管涌大。如建 筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流沙现 象。
– 管涌和流土虽为两种不同的渗透变形形式， 但管涌的发展、演化往往会转化为流土。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• （2）地形地貌条件
– 地形地貌条件对渗透变形的影响，主要表现在 沟谷切割影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口 条件等方面。若坝体上下游的沟谷将弱透水的表 土层切穿，则有利于渗流的补给，并使渗径缩短 而加大水力梯度。如果下游地下水溢出地段的渗 流出口临空，则极有利于渗透变形的产生。
– 所以岩土体的渗透稳定性取决于渗流的动水压 力与抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过 程。这也就是渗透变形产生的基本条件。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 1．渗流的动水压力和临界水力梯度
• （1）动水压力
– 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒于水流围 绕接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦 阻力的作用，使得水流产生水头损失，因而渗流的水压力 将下降。此时，每一个土颗粒在水头差的作用下，承受来 自水流的渗透力。 – 为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水流自下 而上流经一个单元土体（右下图），其长度为dl、断面面
积为d，上下界面的水头差为dh。
则此单元土体承受的总渗透压力dP为：
dP=wgdhd
其中，w为水的密度。
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 习惯上将渗透压力分解作用在土体的单位体 积上，称为动水压力D：
D
dP
d dl

3.接触重刷
• 定义：渗流沿着水平渗透系数相差悬殊的两种土 层接触面带走细颗粒的现象。（流向水平） • 主要发生于：巨粒土和粉土的接触带
4.接触流失
定义：渗流沿着垂直渗透系数相差悬殊的两种土 层接触面带走细颗粒的现象。（流向垂直）
• 各种现象的判别方法
二、渗透变形类型的判别
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。
常发生于：不均匀的砂类土 或者卵砾类土中。
根据渗透方向与重力方向的 关系： 垂直管涌 、水平管涌 非发展管涌、发展管涌 内部管涌、外部管涌
长江江陵县马家寨堤段 发生管涌险情
武陟县举行2012年 黄沁河军民联合防 汛
管涌引发坍塌的翻山岭水库部分坝体
2.流土：在渗透作用下，一定体积土体中的 颗粒群或团块同时发生移动、悬浮、顶穿的 现象。（需要较大的渗透力） 常发生于均质砂土层和亚砂土层、粉土中。
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，单 个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。（较小的渗透力）
常用方法有：理论公式
水力学方法：计算及图解——
模型模拟法—— 数值计算法——

四、临界水力梯度的确定
1.公式计算法 1）太沙基公式 2）扎马林公式 3）渗流沿斜坡逸出公式
2.实验实测法：室内实验和现场实验 钻孔压水实验、围堰法、堤坝法等：
3.根据土颗粒组成和透水性确定

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流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
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2021/6/9
变水头渗透试验装置
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3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
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图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
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➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
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2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
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▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
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例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
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（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
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工程地质学——渗透变形工程 地质研究（精选）
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪Leabharlann 29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
▪
谢谢！
26

基本类型： • 管涌 • 流土 • 接触流土 • 接触冲刷
单一土层渗透变形 的两种基本形式
渗透变形
流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水 力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏
渗流
坝体 粘性土k1<<k2
砂性土k2
原因： i icr
icr
Gs 1 1 e
与土的密实度有关
渗透变形 - 流土
渗透变形
在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通 过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与 地表贯通的管道
1. 在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失 2. 孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走 3. 形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷
kA h2
t=t2
h2
水头 测管
开关
A k aL ln h1
At h2
选择几组量测结果 ，计算相应的k，取平均值
室内试验方法-变水头试验法
渗透系数的测定
条件 已知 测定 公式 取值 适用
常水头试验
Δh=const Δh，A，L
V，t
k VL Aht
重复试验后，取均值
粗粒土
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t
土的渗透变形
工程地质与土工试验
目录
contents
渗透系数的测定方法 渗透力 渗透变形
渗透系数的测定
渗透系数的测定方法
室内试验方法 野外试验方法
• 常水头试验法 • 变水头试验法
• 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
渗透系数的测定
试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积V，t