地下基坑工程

——水問題

水問題目錄滲透性滲透力土粒滲流j滲流量1基坑工程水問題圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量稍有不慎，水會(huì)引發(fā)險(xiǎn)情滲漏水突涌承壓水引起突涌破壞管涌不打井點(diǎn)或井點(diǎn)失效后，管涌滲水降水不到位，影響施工滲流改變土體參數(shù)、應(yīng)力狀態(tài)的變化滲流滑坡水土流失孔隙水在水頭差作用下滲透：水通過土孔隙流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性：土允許水流透過的性質(zhì)造成水量損失，影響工程引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律，滲透力及滲透變形等問題。2.1滲流中的水頭與水力坡降2土的滲透性2.2達(dá)西定律2.3滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素2.4層狀地基等效滲透2.5流網(wǎng)碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)能量差土顆粒土中水滲流概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流滲水壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q影響范圍降水深度原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流滲流量ABL透水層不透水層基坑板樁墻2.1滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面水力坡降線總水頭－單位重量水體所具有的能量z：位置水頭，重力勢(shì)p/γw：壓力水頭，壓力勢(shì)V2/(2g)：流速水頭≈0，動(dòng)能A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：水頭差：測(cè)管水頭水力坡降：沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度比值。水流經(jīng)過單位長度滲透路徑為克服摩擦力所耗失的機(jī)械能。試驗(yàn)前提：Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測(cè)變量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V體/T2.2達(dá)西定律LAh1h2Q透水石1856年法國學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究達(dá)西定律層流達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day，(水力坡降無因次的)滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，Vs為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速？？實(shí)際理想模型QQ’模型簡化：同一斷面Q=Q’所受阻力相同壓力P=P’相同PPAAs表觀流速（出逸流速）v=Q/A實(shí)際流速（方向、大小各點(diǎn)不同）流速（滲透流速）vsAvv：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度平均流速與實(shí)際流速的關(guān)系Q=vsAvQ=vA

達(dá)西定律是描述層流狀態(tài)下滲透流速與水頭損失關(guān)系的規(guī)律，即滲流速度v與水力坡降i成線性關(guān)系只適用于層流范圍。在土木工程中，絕大多數(shù)滲流，無論是發(fā)生大多數(shù)砂土中或一般的粘性土中，均屬于層流范圍，故達(dá)西定律可適用。v=ki適用范圍紊流？？層流?。⊥令悵B透系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫>10-1高滲透性中、粗砂、礫砂10-3~10-1中滲透性細(xì)砂10-5~10-3低滲透性粉土、砂與粘土混合物10-7~10-5極低滲透性粘土<10-7幾乎不透水層流雷諾數(shù)Re＜1-10層流

Re

＞100紊流

100＞

Re＞10過渡區(qū)

流線不相交流線相交，旋渦層流紊流v-平均流速

d-土平均粒徑

η-粘滯系數(shù)v=ki在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律雷諾數(shù)粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)不適用范圍紊流室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)2.3滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。結(jié)果整理試驗(yàn)條件:Δh，A，L=const量測(cè)變量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土hL土樣AVQ透水性較小的粘性土?室內(nèi)試驗(yàn)1不變的水頭差模型簡化：常水頭試驗(yàn)試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh變化，A，L=const量測(cè)變量:

Δh

，t土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測(cè)管開關(guān)a室內(nèi)試驗(yàn)2變水頭試驗(yàn)結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測(cè)管開關(guān)ahdhtt+dt優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)井抽水量Qrdhdrh不透水層地下水位≈測(cè)壓管水面r1r2h1h2觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長積分野外試驗(yàn)井半徑降水影響半徑井的水深Hh0r0公式1R公式2抽/注水試驗(yàn)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)K影響因素是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。是單位土體中孔隙體積的直接度量；對(duì)于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。對(duì)粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊里石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對(duì)粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得k水平﹥k垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。粒徑大小及級(jí)配度結(jié)構(gòu)礦物成分孔隙比土粒特性飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)87654328090100飽和度的影響流體粘滯性的影響溫度高粘滯性低滲透系數(shù)大封閉氣泡對(duì)k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道流體特性x不透水層條件:等效滲透系數(shù):L1122水平滲流2.4層狀地基等效滲透xzv承壓水條件:等效滲透系數(shù):vi=ki(Δhi/Hi)豎直滲流按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)層厚加權(quán)平均，由較小值控制算例井點(diǎn)降水原理降水井原理止水帷幕+降水井回灌井原理降水適用范圍流網(wǎng)及其特性流線和等勢(shì)線正交流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)，通常取為1流網(wǎng)中相鄰等勢(shì)線間的勢(shì)函數(shù)（水頭）差不變各流槽的滲流量相等在流場(chǎng)中，流線和等勢(shì)線（等水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)H=H1-H20H1H2不透水層lsabcdefgh2.5流網(wǎng)流網(wǎng)識(shí)別H=H1-H20H1H2不透水層f測(cè)管水頭h確定流速確定流量水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqq流道數(shù)2.5流網(wǎng)流網(wǎng)應(yīng)用典型流網(wǎng)分析接近壩底，流線密集，水力梯度大，滲透速度大遠(yuǎn)離壩底，流線稀疏，水力梯度小，滲透速度小3滲流量

水井是最為常見的集水（地下水）建筑物。①根據(jù)井徑的大小和開鑿方法的不同，分為筒井和管井。②按含水層埋藏條件分為：潛水井和承壓水井。③按水井進(jìn)入含水層的深度分為完整井和不完整井。水井完整井不完整井不透水層水井1863年法國水力學(xué)家裘布依(Dupuit)首先應(yīng)用直線滲透定律研究了地下水向完整井的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)出了著名的裘布依(Dupuit)公式。1.1公式推導(dǎo)時(shí)的假定條件①地下水運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定流，符合達(dá)西定律，即：Q＝KFI；②含水層均質(zhì)、等厚，各向同性；③含水層的隔水底板水平，天然水力坡度為零；④邊界條件為環(huán)形補(bǔ)給邊界(半徑為R)；⑤抽水井流量穩(wěn)定不變。滲流量1潛水完整井井抽水量Qrdhdrh不透水層Hh0r0R降水漏斗初始水位面1.2推導(dǎo)過程地下水流向?yàn)橹赶蛩行牡姆派錉钪本€，等水位線為以水井為中心的同心圓柱面，且：Qr1=Qr2=…=Q=Av=Aki=Ak△h/L，

根據(jù)達(dá)西（Darcy）定律，有：分離變量：積分得：rdhdr不透水層hQrhdr代入定解條件：移項(xiàng)：或?qū)懗沙Ｓ脤?duì)數(shù)形式：1.3Thiem(蒂姆)公式

兩個(gè)觀測(cè)孔一個(gè)觀測(cè)孔井抽水量Qrdhdrh不透水層Hr0RKM2.承壓完整井2.2推導(dǎo)過程①地下水流向?yàn)橹赶蛩行牡姆派錉钪本€，等水位線為以水井為中心的同心圓柱面，且：Qr1=Qr2=…=Q②根據(jù)達(dá)西（Darcy）定律，式中，T=KM寫成常用對(duì)數(shù)形式：

2.3Thiem(蒂姆)公式

兩個(gè)觀測(cè)孔一個(gè)觀測(cè)孔土類滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫>10-1高滲透中、粗砂、礫砂10-3~10-1中滲透細(xì)砂10-5~10-3低滲透粉土、砂與粘土混合物10-7~10-5極低滲透性粘土<10-7幾乎不透水不同土質(zhì)KQ=vA=kiA單位時(shí)間內(nèi)流過某一段土體的流體體積，m3/s純礫：V總=QT=kiAT=0.1×0.3

×3600×24×A(cm3)=20m3

細(xì)砂：V總

=10-3

×20=0.02m3

密實(shí)粘土：V總

=2

×

10-6=0例：滲水直徑1m，水力坡降0.3，24小時(shí)的水量？4土的滲透變形4.1滲透力4.2滲透變形4.3防治措施土粒滲流j定義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力。j=γwi大小：方向：與滲流方向一致作用對(duì)象：土骨架4.1滲透力土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞。基本類型流土管涌形成條件防治措施4.2滲透變形突涌管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不會(huì)發(fā)生管涌在不大的水力梯度下就可以發(fā)生管涌流土型管涌型粘性土無粘性土過渡型土只有流土而無管涌與土的顆粒組成、級(jí)配和密度等因素有關(guān)與密度有關(guān)，大密度流土，小密度管涌粘性土k1<<k2砂性土k2壩體粘性土基中，土顆粒間有粘結(jié)力，個(gè)體不易被沖動(dòng)攜帶，在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒整體同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象滲流原因：4.2滲透變形流土i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)任何土，包括粘性土或無粘性土,滲透坡降大于臨界水力坡降這一個(gè)事實(shí)，均要發(fā)生流土。即i>

icr

土粒任何土，包括粘性土或無粘性土,滲透坡降大于臨界水力坡降這一個(gè)事實(shí)，均要發(fā)生流土。即i>

icr

透水層基坑板樁墻ΔHLH1不透水層基坑ΔHLl1i<icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞壩體原因內(nèi)因：土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑必須大于細(xì)顆粒的直徑外因：滲透力足夠大

滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失2.孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷管涌4.2滲透變形在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。較均勻土（Cu≤10）管涌幾何條件水力條件必要條件級(jí)配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于細(xì)粒徑不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)D0=0.25d20細(xì)粒含量>35%細(xì)粒含量<25%細(xì)粒含量=25-35%D0

<d30D0

>d50D0=d30-d50管涌土過渡型土非管涌土非管涌土管涌土過渡型土(1)幾何條件

土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑(D0)必須大于細(xì)顆粒的直徑(ds)，才可能讓細(xì)顆粒在其中移動(dòng)，這是管涌產(chǎn)生的必要條件。一般發(fā)生在無粘性土中。(2)水力條件

滲透力足夠大，能帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)砂層基坑板樁墻ΔHL不透水層承壓水層粘土層流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口突涌4.2滲透變形當(dāng)基坑下有承壓水存在，開挖基坑減小了含水層上覆不透水層的厚度，在厚度減小到一定程度時(shí)，承壓水的的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，引起基坑底土體隆起破壞并同時(shí)發(fā)生噴水涌砂的現(xiàn)象?；影鍢秹油挥?，偏保守承壓水層不透水層(粘土等)不透水層(粘土等)Hh規(guī)范：4.2滲透變形基坑板樁墻基坑突涌承壓水層不透水層(粘土等)不透水層(粘土等)Hh考慮土體剪切強(qiáng)度理論研究：突涌土的臨界水力梯度抗?jié)B強(qiáng)度：土體抵抗?jié)B透破壞的能力，通常以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度表示，一般稱為臨界水力梯度或抗?jié)B梯度，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)破壞，土粒處于一種懸浮狀態(tài)。4.3臨界水力梯度流土型土的臨界水力梯度

流土的臨界水力梯度決定于土的物理性質(zhì)，當(dāng)土的比重和孔隙率已知時(shí)，則土的臨界水力梯度是一定值，一般在0.8~1.2之間

根據(jù)豎向滲流不考慮周圍土體的約束作用情況下推得的，因此，按此式求得臨界水力梯度偏小，一般比試驗(yàn)值要小15％～20％粘性土的臨界水力梯度粘性土由于粒間粘結(jié)力的存在，其臨界水力梯度較大。粘性土與無粘性土的流土破壞機(jī)理不同，后者是由于滲流力的作用，前者則還與土體表面的水化崩解作用（水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑有關(guān)。水科院建議對(duì)粘性土逸出梯度與滲透穩(wěn)定流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于流土狀態(tài)逸出梯度與滲透穩(wěn)定滲透逸出的水力梯度實(shí)際上是不可求出的，通常是把滲流逸出處的流網(wǎng)網(wǎng)格的平均水力梯度作為逸出梯度。在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建