岩土工程渗流07 补充:建筑工程中的渗流问题.pptx
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1、地下水渗流力学地下水渗流力学 补充:建筑工程补充:建筑工程中的渗流问题中的渗流问题2补充:建筑工程补充:建筑工程中的渗流问题中的渗流问题第一节第一节 地基处理工程中的渗流问题地基处理工程中的渗流问题 第二节第二节 基坑基坑防渗措施及渗流对基坑稳定防渗措施及渗流对基坑稳定性和变形的性和变形的影响影响第三节第三节 边坡稳定边坡稳定分析中有关渗流的几个分析中有关渗流的几个问题问题第四节第四节 地下室抗浮问题地下室抗浮问题3第一节第一节 地基处理工程中的渗流问题地基处理工程中的渗流问题n一、概述一、概述 n二、排水固结法二、排水固结法原理原理4一、概述一、概述排水固结法可解决以下两个问题:排水固结法可
2、解决以下两个问题:(1)沉降问题沉降问题 使地基沉降在加载预压期间大部或基本完成,使地基沉降在加载预压期间大部或基本完成,使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。降差。(2)稳定问题稳定问题 加速地基土的抗剪强度增长,从而提高地基的加速地基土的抗剪强度增长,从而提高地基的承载力和稳定性。承载力和稳定性。5由排水系统和加压系统两部分组成。由排水系统和加压系统两部分组成。6排水系统排水系统n改变地基原有的排水条件,增加孔隙水排水途径,改变地基原有的排水条件,增加孔隙水排水途径,缩短排水时间。缩短排水时间。n由由水平排水砂垫层水平排水砂垫层和和竖向排水体
3、竖向排水体构成。构成。n当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期较长时,当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期较长时,可仅在可仅在地面铺设一定厚度的砂垫层地面铺设一定厚度的砂垫层,然后加载使,然后加载使地基土中的水竖向流入砂垫层而排出。地基土中的水竖向流入砂垫层而排出。n当工程遇到深厚的透水性很差的软粘土层时,可当工程遇到深厚的透水性很差的软粘土层时,可在地基中在地基中设置砂井、塑料排水板,地面连以排水设置砂井、塑料排水板,地面连以排水砂垫层砂垫层,构成排水系统。,构成排水系统。7插打塑料插打塑料排水板排水板竖向排水体竖向排水体8插打袋插打袋装砂井装砂井9有砂垫层有砂垫层无砂垫层直连无砂垫层直连水平
4、水平排水层排水层10加压系统加压系统n增加固结作用的荷载,加速地基土固结。增加固结作用的荷载,加速地基土固结。n没有加压系统,孔隙中的水不会自然排出。没有加压系统,孔隙中的水不会自然排出。n不缩短土层的排水距离,孔隙中的水排不快。不缩短土层的排水距离,孔隙中的水排不快。n排水和加压系统总是联合起来考虑。排水和加压系统总是联合起来考虑。n常用方法:堆载、真空法、降低地下水位法和常用方法:堆载、真空法、降低地下水位法和电渗法。电渗法。n堆载法施工控制要求高,易引起剪切破坏堆载法施工控制要求高,易引起剪切破坏n其余方法操作技术比较复杂。其余方法操作技术比较复杂。111213降水固结降水固结14二、排
5、水固结法原理二、排水固结法原理有效应力原理有效应力原理土的变形土的变形(压缩压缩)取决于有效应力增大,可通过取决于有效应力增大,可通过提高总应提高总应力力或或降低孔压降低孔压两种方法实现。两种方法实现。排水固结是排水固结是加速加速沉降而非沉降而非减少减少沉降!沉降!软粘土具有可压缩性,两个特软粘土具有可压缩性,两个特性是排水固结法的基础:性是排水固结法的基础:回弹远小于压缩回弹远小于压缩 压缩引起强度增长压缩引起强度增长15提高总应力或降低孔压的方法提高总应力或降低孔压的方法n堆载预压:堆载预压:增加总应力增加总应力,同时增加了孔,同时增加了孔压;随后压;随后孔压逐渐孔压逐渐消散,有效应力增加
6、,土体压缩。消散,有效应力增加,土体压缩。n真空预压法和降低地下水位法真空预压法和降低地下水位法(土层内土层内):总应力总应力不变,不变,降降低边界孔压低边界孔压,随后土层内孔压逐渐降低,随后土层内孔压逐渐降低。n降低地下水位法:降低地下水位法:(成层土)总应力(成层土)总应力基本不变,基本不变,降低土层降低土层上下边界的水位上下边界的水位,随后土层内孔压逐渐降低,随后土层内孔压逐渐降低。n电渗法:电渗法:总应力不变,在总应力不变,在电场作用下水向阴极流动排出,电场作用下水向阴极流动排出,降低了孔压。降低了孔压。16实际工程使用的方法实际工程使用的方法n常用的联合方法:常用的联合方法:堆载堆载
7、降低地下水位法降低地下水位法 堆载堆载真空预压真空预压n常用的排水通道:常用的排水通道:砂井砂井 塑料排水板法塑料排水板法 袋装砂井袋装砂井17太沙基的一维渗流固结理论太沙基的一维渗流固结理论 n当当荷荷载载面面积积远远大大于于压压缩缩土土层层的的厚厚度度时时,地地基基中中的的孔孔隙隙水主要沿竖向渗流,此即为一维固结问题。水主要沿竖向渗流,此即为一维固结问题。n回顾由回顾由K.K.太沙基太沙基(Terzaghi)Terzaghi)提出的一维固结理论。提出的一维固结理论。土力学知识回顾土力学知识回顾18z z深度处的微单元深度处的微单元体体dxdydzdxdydz在在dtdt时时间内水量间内水量
8、Q Q的变化的变化(减少减少)为:为:q:单位时间内流过单位水平横截面积的水量。单位时间内流过单位水平横截面积的水量。dtdt时间内微单元体内孔隙体积时间内微单元体内孔隙体积V Vv v的的变化变化(减少减少)为:为:连续性条件连续性条件土力学知识回顾土力学知识回顾按连续性按连续性条件条件19根据侧限条件下孔隙比与有效应力关系根据侧限条件下孔隙比与有效应力关系推导中利用了在一维固结过程中任一推导中利用了在一维固结过程中任一点竖向点竖向总应力不随时间而变总应力不随时间而变的条件。的条件。根据达西定律根据达西定律用超静水头和用超静水头和超孔压超孔压根据有效应力原理根据有效应力原理土力学知识回顾土力
9、学知识回顾20nCv:土的竖向固结系数,土的竖向固结系数,cm2/年;年;m2/D;cm2/snu:经过时间经过时间t时深度时深度z处的孔隙水压力值,处的孔隙水压力值,kPa;nk:土的渗透系数,土的渗透系数,cm/s或或cm/年;年;m/Dnw:水的重度,水的重度,kN/m3。或或土力学知识回顾土力学知识回顾上述推导,可由(上述推导,可由(3.2.17)式得到)式得到21总应力可变的情况总应力可变的情况当总应力突然变化,等式右端较小,左端近似为当总应力突然变化,等式右端较小,左端近似为即即孔压增量与总应力增量相等孔压增量与总应力增量相等。这是。这是基本假设基本假设“外荷外荷载是一次在瞬间施加
10、的载是一次在瞬间施加的”的实际意义。的实际意义。土力学知识回顾土力学知识回顾22饱和粘性土地基的渗流固结过程饱和粘性土地基的渗流固结过程(双面排水双面排水)土力学知识回顾土力学知识回顾23固结微分方程的求解固结微分方程的求解土力学知识回顾土力学知识回顾初始孔压线性分布初始孔压线性分布单面排水单面排水双面排水双面排水双面排水双面排水是两个单是两个单面排水的面排水的组合,组合,渗渗径减半径减半。24固结微分方程的求解固结微分方程的求解土力学知识回顾土力学知识回顾初始孔压均匀分布初始孔压均匀分布单面排水单面排水双面排水双面排水25固结度固结度定义:定义:土中某点处土中某点处t 时刻的变形量与最终固结
11、变形量之比,时刻的变形量与最终固结变形量之比,可通过可通过孔压消散孔压消散表示。表示。土中某点处的土中某点处的固结度固结度Uzt土力学知识回顾土力学知识回顾平均固结度平均固结度Ut 简称简称“固结度固结度”土中各点土中各点t t 时刻的压缩量平均值与最终固结压缩量之比时刻的压缩量平均值与最终固结压缩量之比(应力图中表现为面积比应力图中表现为面积比)26平均固结度计算公式平均固结度计算公式(以单面排水且初始孔压均(以单面排水且初始孔压均匀分布为例)匀分布为例)应用最多的应用最多的计算公式计算公式平均固结度计算公式平均固结度计算公式单面排水初始孔压线性分布单面排水初始孔压线性分布土力学知识回顾土力
12、学知识回顾双面排水、初始孔压线性分布双面排水、初始孔压线性分布特点:特点:与与无关,无关,形式上与单面排水且形式上与单面排水且初始孔压均匀状态下相同,但初始孔压均匀状态下相同,但H取土层厚度取土层厚度的一半。的一半。28手册中常见的图表手册中常见的图表土力学知识回顾土力学知识回顾29有有竖向排水通道竖向排水通道的渗流计算的渗流计算均匀布置均匀布置砂井砂井均匀布置均匀布置砂井可看成多井叠加砂井可看成多井叠加多井多井叠加可看成在隔水边界内叠加可看成在隔水边界内单个井单个井的镜像叠加的镜像叠加30均匀均匀布置布置砂井的简化砂井的简化1)塑料排水板按湿周简化为砂井)塑料排水板按湿周简化为砂井2)多边形
13、不透水边界按面积简化为圆周)多边形不透水边界按面积简化为圆周31单个井的固结度计算单个井的固结度计算有两种假设:有两种假设:(1)自由应变自由应变 地表均布力,完全柔性地表均布力,完全柔性(2)等应变等应变 地表完全刚性,应力地表完全刚性,应力重分配重分配仅考虑仅考虑向内径向排水(按等应变)向内径向排水(按等应变):固结度固结度井井径比因子径比因子32单个井的固结度计算单个井的固结度计算考虑考虑竖向竖向和和向内径向排水(按等应变)向内径向排水(按等应变):固结度固结度井井径比因子径比因子实际工程还有考虑很多因素:实际工程还有考虑很多因素:施工插板引起的涂抹效应;施工插板引起的涂抹效应;淤堵问题
14、;淤堵问题;大沉降引起的弯折。大沉降引起的弯折。33真空预压真空预压施工流程施工流程34探讨探讨:不同学派对:不同学派对真空真空预压法预压法机理的解释机理的解释n等效荷载说:等效荷载说:认为抽真空相当于在地表增加了相等的荷认为抽真空相当于在地表增加了相等的荷载,按地表加荷产生的附加应力计算地基沉降;载,按地表加荷产生的附加应力计算地基沉降;n降低降低地下水位说:地下水位说:将将真空预压法看做降低地下水位法,真空预压法看做降低地下水位法,认为抽真空会导致水位下降,存在非饱和认为抽真空会导致水位下降,存在非饱和区域;水位降低区域;水位降低导致土体压缩固结。导致土体压缩固结。n真空度传递说:真空度传
15、递说:认为抽气(水)使薄膜内外形成压差认为抽气(水)使薄膜内外形成压差(称为真空度),真空度通过排水通道下传,使土中孔压(称为真空度),真空度通过排水通道下传,使土中孔压降低,形成负的超静孔压,使土中水排出;降低,形成负的超静孔压,使土中水排出;n绝对正压说:绝对正压说:虽然抽真空形成负压,实际上是相对当地虽然抽真空形成负压,实际上是相对当地大气压力大气压力p0,绝对压力是正值。可照常按一般渗流理论分,绝对压力是正值。可照常按一般渗流理论分析。必要时,压力按相对于绝对大气压计,水、土压力均析。必要时,压力按相对于绝对大气压计,水、土压力均加上加上p0。35我的观点:我的观点:n“绝对正压说绝对
16、正压说”是正确的。是正确的。n“真空度传递说真空度传递说”道理没错,但提出的道理没错,但提出的“真空度真空度”概概念不清,易混淆。在分析计算时将正压负压分别考虑,念不清,易混淆。在分析计算时将正压负压分别考虑,增加不必要的工作。增加不必要的工作。n“等效荷载说等效荷载说”是工程界的说法,理论是错的,但当是工程界的说法,理论是错的,但当软土层较薄时,仅在地基处理边界区域与实际不符。软土层较薄时,仅在地基处理边界区域与实际不符。n“降低地下水位说降低地下水位说”是错误的。错在是错误的。错在“地下水位地下水位”的的定义,该派学者将定义,该派学者将地下水位定义为地下水位定义为压力压力=0。有些有些试验
17、针试验针对水位测量,证明对水位测量,证明不不存在饱和非饱和界限存在饱和非饱和界限,水位一般位,水位一般位于地表集水管上下,不需要特别考虑于地表集水管上下,不需要特别考虑。36水在不同压力状态下的沸点对照表水在不同压力状态下的沸点对照表温度压强Pa温度压强Pa温度压强Pa温度压强Pa0610263361.05213612.27843636.42705.3283779.75414998.88047342.84813.3304242.35616505.38251315.86934.6324754.35818145.28455568.881073.2345319.66019918.48660115.1
18、101227.9365940.86221838.28864941.3121402.6386619.56423904.79070110.9141598.5407375.46626144.59275593.8161817.2428199.36828557.79481446.7182063.8449100.67031157.49687672.8202328.54610085.87236943.99894298.9222643.84811160.47436957.0100101325242983.85012333.77640183.4真空泵抽出的是水与水蒸气真空泵抽出的是水与水蒸气的混合物(的混合物(
19、真空度真空度90kPa)真空泵数量和功率达到一定程度后,再增加意义不大真空泵数量和功率达到一定程度后,再增加意义不大37第二节第二节 基坑防渗措施及渗流基坑防渗措施及渗流对基坑稳定性和变形的影响对基坑稳定性和变形的影响n一、基坑防渗措施一、基坑防渗措施n二二、渗流对基坑稳定性和变形的影响、渗流对基坑稳定性和变形的影响n三、建筑基坑支护结构的水压力三、建筑基坑支护结构的水压力38一、基坑防渗一、基坑防渗措施措施n(一一)截渗方法简介截渗方法简介n1.地下连续墙地下连续墙n2.高压喷射灌浆高压喷射灌浆n3.搅拌桩墙搅拌桩墙n4.静压注浆静压注浆n(二二)降水措施(第降水措施(第5章有简要介绍)章有
20、简要介绍)39(一一)截渗方法简介截渗方法简介n1.地下连续墙地下连续墙关键控制因素:关键控制因素:槽段接头、墙底嵌入条件槽段接头、墙底嵌入条件40(一一)截渗方法简介截渗方法简介n2.高压喷射灌浆高压喷射灌浆包括旋喷、摆喷等类型包括旋喷、摆喷等类型关键控制因素:关键控制因素:钻孔垂直度、喷射搭接、墙底嵌入条件钻孔垂直度、喷射搭接、墙底嵌入条件41(一一)截渗方法简介截渗方法简介n3.搅拌桩墙搅拌桩墙关键控制因素:关键控制因素:钻孔垂直度钻孔垂直度、搭、搭接、墙底嵌入条件接、墙底嵌入条件42(一一)截渗方法简介截渗方法简介n4.静压注浆静压注浆静压静压注浆目前在基坑工程中应用不多,主要用于注浆
21、目前在基坑工程中应用不多,主要用于抢险或有些用其他常规方法时施工机具难以实施抢险或有些用其他常规方法时施工机具难以实施的场合。的场合。主要方法有:主要方法有:帷幕灌浆帷幕灌浆 袖袖阀阀管灌浆管灌浆 双液灌浆双液灌浆 或或 化学灌浆化学灌浆43(二二)降水措施(第降水措施(第5章有简要介绍)章有简要介绍)44二、渗流对基坑稳定性和变形的影响二、渗流对基坑稳定性和变形的影响n(一)孔隙水压力对基坑稳定性影响(一)孔隙水压力对基坑稳定性影响n(二)承压水引起的基底隆起(突涌)(二)承压水引起的基底隆起(突涌)n(三)围护基坑的渗流稳定性(三)围护基坑的渗流稳定性45(一)孔隙水压力对基坑稳定性影响(
22、一)孔隙水压力对基坑稳定性影响n这是一个尚在研究的课题。这是一个尚在研究的课题。n开挖为开挖为“卸荷卸荷”过程,开挖时土体水平总应力减为过程,开挖时土体水平总应力减为0,孔压也减,有可能为负。孔压也减,有可能为负。n因此刚暴露时是稳定的,随着孔压消散,稳定性降低。因此刚暴露时是稳定的,随着孔压消散,稳定性降低。n不能用一般非稳定渗流不能用一般非稳定渗流方程解决方程解决开挖过程渗流问题。开挖过程渗流问题。因为该方程有因为该方程有“仅有仅有z方向变形方向变形”的假定,这里的假定,这里x方向方向有更大的变形。有更大的变形。46(二)承压水引起的基底隆起(突涌)(二)承压水引起的基底隆起(突涌)n开挖
23、卸荷,使基底重力小于浮力,产生基底隆起。开挖卸荷,使基底重力小于浮力,产生基底隆起。解决的办法:解决的办法:截渗截渗减压减压基底加固基底加固47(三)围护基坑的渗流稳定性(三)围护基坑的渗流稳定性悬挂式围护渗流分析,可用阻力系数法。悬挂式围护渗流分析,可用阻力系数法。最好用有限元程序最好用有限元程序计算。计算。关键是插入深度,渗径。关键是插入深度,渗径。4849三三、基坑、基坑支护结构的水压力支护结构的水压力n(一)影响支护结构上水土压力因素(一)影响支护结构上水土压力因素n(二)国内关于支护结构上水压力的计算(二)国内关于支护结构上水压力的计算这个问题仍是有待研究的问题:这个问题仍是有待研究
24、的问题:1、原则上应该水土分算;、原则上应该水土分算;2、水应该通过渗流分析而不是简单假定来确定;、水应该通过渗流分析而不是简单假定来确定;3、土压力的算法用于基坑与实际有相当距离,要、土压力的算法用于基坑与实际有相当距离,要进一步研究;进一步研究;4、在软粘土情况,用合算影响不大。、在软粘土情况,用合算影响不大。第三节第三节边坡稳定分析中边坡稳定分析中有关渗流的几个问题有关渗流的几个问题n一、问题的提起一、问题的提起n二、瑞典条分法计算二、瑞典条分法计算中渗流中渗流影响影响问题探讨问题探讨n三、水位骤降渗流场的计算三、水位骤降渗流场的计算n四、结论四、结论一、问题的提起一、问题的提起n1、边
25、坡稳定与渗流密切相关、边坡稳定与渗流密切相关n2、瑞典条分法计算中的考虑渗流影响的相关问题、瑞典条分法计算中的考虑渗流影响的相关问题n3、渗流场的计算:、渗流场的计算:稳定渗流;稳定渗流;骤降问题;骤降问题;降雨入渗问题降雨入渗问题1、边坡稳定与渗流密切相关、边坡稳定与渗流密切相关n大多数边坡滑坡是在强降雨或坡脚水位骤降时大多数边坡滑坡是在强降雨或坡脚水位骤降时发生。发生。n渗流对边坡稳定的影响:渗流对边坡稳定的影响:渗透力以体积力的形式作用与坡体;渗透力以体积力的形式作用与坡体;孔压增大,降低有效应力使抗剪能力下降;孔压增大,降低有效应力使抗剪能力下降;土体泡水强度下降;土体泡水强度下降;土
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