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土力学和土质学课件第2章ppt
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堤基管涌机理及悬挂式防渗墙渗控效果试验研究.pdf 65页
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堤基管涌机理及悬挂式防渗墙渗控效果试验研究毕业论文
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98洪水中，长江干堤堤基管涌占较大险情总数的52．4％，居各种险情之首。
堤基管涌问题严重威胁堤防工程的安全，是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹
之患。因此研究管涌机理，并在此基础上研究悬挂式防渗墙对双层堤基管涌的控
制效果，具有重要的现实意义。
本文采用砂槽模型试验的方法，对长江中下游典型的单层、双层、三层透水
堤基管涌分别进行了试验研究，观察到了管涌发生、发展和导致溃堤的全过程，
得到了相应的堤基管涌破坏的临界水平平均水力坡降，分析了不同堤基条件下管
涌机理的特点和差异。在此基础上，针对双层堤基，试验研究了悬挂式防渗墙控
制管涌发展的效果，论证了悬挂式防渗墙在降低管涌危害程度和提高堤基整体抵
抗管涌破坏能力方面的作用。主要得到以下成果：
①堤基管涌的发展，在水头低于临界水头时，发展至一定程度后达到自愈，
此时的管涌通道不会与上游连通，其宽度和深度有限，不会发生管涌溃堤事故。
水头超出临界水头后，管涌持续向上游发展并与外水连通，连通管道流的水力冲
刷最终导致溃堤破坏。
②堤基结构类型不同，管涌破坏的临界水平平均水力坡降也不相同。对于试
验所用砂样，单层堤基管涌破坏的临界水平平均水力坡降为O．278，双层堤基为
0．214，三层堤基随着浅砂层厚度的减小，其临界水平平均水力坡降亦逐渐减小，
试验得到的最小值为0．078。因此，堤基允许水平平均水力坡降的控制标准除了
与浅砂层的性质有关外，还应考虑堤基的具体结构条件。
③堤基结构类型不同，管涌发展的机理和管涌破坏的区域也不尽相同。单层、
双层堤基以及三层堤基中浅砂层较厚的情况下，都是在砂层顶面发生水平向浅层
管涌破坏，管涌破坏的区域只局限在砂层顶面的管涌通道，其深度和宽度有限。
当三层堤基浅砂层较薄时，将发生深层管涌破坏，管涌破坏区涉及浅砂层及下部
砂砾石层，其宽度和深度较双层堤基大，出口涌砂量也较多。
④悬挂式防渗墙能显著提高堤基抵抗管涌破坏的能力，且防渗墙布置在堤防
下游侧比上游侧更有效。这对传统的“前堵后排”渗流控制原则是一个突破，也
验证了悬挂式防渗墙对提高堤基抵抗管涌破坏能力的有效性。因而在将来选取堤
防渗控措施时，可以采用悬挂式防渗墙，并应尽量布置在堤内脚或压盖的末端。
试验成果对堤后压盖宽度和悬挂式防渗墙的合理设计、汛期抢险范围的确定
以及促进堤防渗流控制理念的转变等，具有重要参考意义。
关键词：管涌，机理，模型试验，悬挂式防渗墙，渗控效果
isrecommendedthat
CUt—offwallatthelandsidedike
addition,it
oflandsidebermtakenasanalternativeintheselection
ofpossible
正在加载中，请稍后...1．用粒径级配曲线法表示土样的颗粒组成情况时，若；3．产生流砂的充分而必要的条件是动水力(D)A．；C．方向向上D．方向向上且等于或大于土的有效重度；4．在均质土层中，土的竖向自重应力沿深度的分布规；5．在荷载作用下，土体抗剪强度变化的原因是(C)；6．采用条形荷载导出的地基界限荷载P1/4用于矩；C．安全度不变D．安全与否无法确定7．无粘性土坡；8．下列不
1．用粒径级配曲线法表示土样的颗粒组成情况时，若曲线越陡，则表示土的
B ) A．颗粒级配越好
B．颗粒级配越差 C．颗粒大小越不均匀
D．不均匀系数越大 2．判别粘性土软硬状态的指标是
) A．塑性指数
B．液性指数 C．压缩系数
D．压缩指数 3．产生流砂的充分而必要的条件是动水力
) A．方向向下
B．等于或大于土的有效重度 C．方向向上
D．方向向上且等于或大于土的有效重度 4．在均质土层中，土的竖向自重应力沿深度的分布规律是
) A．均匀的
B．曲线的 C．折线的
D．直线的 5．在荷载作用下，土体抗剪强度变化的原因是
) A．附加应力的变化
B．总应力的变化 C．有效应力的变化
D．自重应力的变化 6．采用条形荷载导出的地基界限荷载P1/4用于矩形底面基础设计时，其结果
A ) A．偏于安全
B．偏于危险 C．安全度不变
D．安全与否无法确定 7．无粘性土坡在稳定状态下（不含临界稳定）坡角β与土的内摩擦角φ之间的关系是( A
D．β≤φ 8．下列不属于工程地质勘察报告常用图表的是
) A．钻孔柱状图
B．工程地质剖面图 C．地下水等水位线图
D．土工试验成果总表 9．对于轴心受压或荷载偏心距e较小的基础，可以根据土的抗剪强度指标标准值φk、Ck按公式确定地基承载力的特征值。偏心距的大小规定为（注：Z为偏心方向的基础边长）
) A．e≤ι/30
B．e≤ι/10 C．e≤b/4
D．e≤b/2 10.对于含水量较高的粘性土，堆载预压法处理地基的主要作用之一是
) A．减小液化的可能性
B．减小冻胀 C．提高地基承载力
D．消除湿陷性 第二部分
非选择题 11.建筑物在地面以下并将上部荷载传递至地基的结构称为__基础__。 12.土的颗粒级配曲线愈陡，其不均匀系数Cu值愈__小__。 13.人工填土包括素填土、冲填土、压实填土和_杂填土___。 14.地下水按埋藏条件可分为上层滞水、____潜水____和承压水三种类型。 15.在计算地基附加应力时，一般假定地基为均质的、应力与应变成___线型__关系的半空间。 16.前期固结压力大于现有土自重应力的土称为___超固结__土。 17.土的抗剪强度指标在室内通过直接剪切试验、三轴压缩试验和__无侧线抗压高度验测定。 18.无粘性土土坡的稳定性大小除了与土的性质有关外，还与_坡脚___有关。 19.墙后填土为粘性土的挡土墙，若离填土面某一深度范围内主动土压力强度为零，则该深度称为_临界深度___。 20.确定钢筋混凝土基础的高度和配筋时，上部结构传来的荷载效应应取承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。 三、名词解释题（本大题共5小题，每小题2分，共10分） 21.潜水:埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的具有自由水面的地下水称为潜水。 22.正常固结土:天然土层逐渐沉积到现在地面，经历了漫长的地质年代，在土的自重应力作用下已经达到固结稳定状态，则其前期固结压力等于现有的土自重应力，这类图称为正常固结土。 23.抗剪强度:土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，当剪阻力增大到极限值时，土就处于剪切破F坏的极限状态，此时的剪应力也就达到极限，这个极限值就是土的抗剪强度。 24.钻探:钻探是用钻机在地层中钻孔，以鉴别和划分地层，也可沿孔深取样，用以测定岩石和土层的物理力学性质的一种勘探方法。 25.灌注桩:灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内放置钢筋笼（也有省去钢筋的）再浇灌混凝土而成的桩。 四、简答题（本大题共2小题，每小题5分，共10分） 26.什么叫土的压缩性？土体压缩变形的原因是什么？ 答：土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。 土体产生压缩变形是因为在压缩过程中，颗粒间产生相对移动、重新排列并互相挤紧，同时，土中一部分孔隙水和气体被挤出导致土中孔隙体积减小，产生压缩变形。 27.哪些情况下桩产生负摩擦阻力？ 答：产生负摩阻力的情况有以下几种： (1)位于桩周的欠固结粘土或松散厚填土在重力作用下产生固结； (2)大面积堆载或桩侧地面局部较大的长期荷载使桩周高压缩性土层压密； (3)在正常固结或弱超固结的软粘土地区，由于地下水位全面降低（例如长期抽取地下水），致使有效应力增加，因而引起大面积沉降； (4)自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷； (5)打桩使已设置的临桩抬升。在上述情况下，土的重力和地面荷载将通过负摩阻力传递给桩。
五、计算题（本大题共7小题，共50分） 28.在对某地基土进行试验时，以环刀切取土样。土样高度2cm，上、下底面积为50cm2，称得原状土样质量为190g，烘干后土样质量为150g。试计算土样的密度和含水量。若该土样处于饱和状态，试计算土样的孔隙比。（6分）
29.有一柱下单独基础，其基底面积为2.5 x4m2 ，埋深d=2m，作用于基础底面中心的荷载为3000kN，地基为均质粘性土，其重度为γ=18kN/m3，试求基础底面处的附加压力P0。(5分)
30.某场地第一层为粘性土层，厚度为4m，其下为基岩，经试验测得粘性土层的平均孔隙比-1e=0. 700，平均压缩系数a=0.5Mpa。求该粘性土的平均压缩模量Es。现在粘性土层表面增加大面积荷载p= 1OOkPa，求在该大面积荷载作用下粘性土层顶面的最终固结沉降量。（5分）
31.某框架柱采用预制桩基础，如图示，柱作用在承台顶面的荷载标准组合值为Ｆｋ=2600kN，Mk= 300kN?m，承台埋深d=1m，单桩承载力特征值为Ra=700kN。试进行单桩竖向承载力验算。（6分）
32.某土样直剪试验结果为：对应于法向应力50kPa、1OOkPa、200kPa时的抗剪强度分别为27. 5kPa、55. OkPa、110. OkPa; (1)确定该土的抗剪强度指标；（5分） (2)若地基中某点的σ3=1OOkPa，σ1=280kPa，该点是否已发生剪切破坏？（3分） (3)当作用在此土中某平面的法向应力为300kPa、剪应力为160kPa时，该面是否会剪切破坏？（3分）
33.某工业厂房柱基础，基底尺寸4×6m2，作用在基础顶部的竖向荷载F= 3000kN，弯矩M=2100kN?m，地质条件及基础埋深如图所示，地下水位于基础底面处，试验算该地基土承载力是否满足要求。(γw= 1OkN/m3，γG= 20kN/ m3)（8分）
34.某挡土墙高7m，墙后填土指标如图示。试采用朗肯土压力理论求作用于墙背上的主动土压力分布（不要求计算土压力合力及作用点）。（9分）
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地下水运动的基本规律
渗流基本概念
渗流––––地下水在岩石空隙中的运动称为渗流（渗透，地下径流）。
渗流场––––发生渗流的区域。
层流运动––––水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。
紊流运动––––水的质点无秩序的、互相混杂的流动。
稳定流––––各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变的水流运动。
非稳定流––––运动要素随时间变化的水流运动。
地下水总是从能量较高处流向能量较低处。能态差异是地下水运动的驱动力。
地下水的机械能包括动能和势能，水力学中用总水头(hydraulic head)H表示，水总是从总水头高的地方流向总水头低的地方。
重力水运动的基本规律
1．达西定律（Darcy’s Law）
1856年达西通过实验得到达西定律。实验在砂柱中进行（P36：图4—1），根据实验结果（流量）：
Q=KA(H1-H2)/L=KAI
Q为渗透流量(出口处流量，即通过砂柱各断面的体积流量)；
A为过水断面的面积(砂柱的横断面积，包括砂颗粒和孔隙面积)；
H1 H2分别为上、下游过水断面的水头；
L为渗透途径(上、下游过水断面的距离)；
I为水力梯度；
K为渗透系数。
由水力学：Q=vA
(对地下水也适用)
达西定律也可以另一种形式表达（流速）：
由公式（5.1）及Q=VA得：
式中：V––––渗透流速，m/d，cm/s；
K––––渗透系数，m/d，cm/s；
I––––水力梯度，无量纲（比值）。
具体到实际问题：
计算流量：
（单位一般为：m3/d，L/s）
微分形式：
式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方向）：由水位高→低；而水力梯度方向：由等水位线低→高。
在三维空间中（向量形式）：
式中：K––––为渗透系数张量；
若用标量表示，的三个分量分别为：
2．渗透流速（V）（seepage velocity，Darcy velocity）与实际流速（u）
渗透流速––––水流通过整个过水断面（包括砂砾和孔隙）的流速。
水流实际流过的面积（扣除结合水）––––水流实际过水断面是扣除结合水所占范围以外的空隙面积An即：
式中：ne为有效孔(空)隙度。
有效孔隙度（ne）––––为重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占据的空间）与岩石体积之比。（对重力水的运动有效）
关于有效孔隙度ne：
2）一般重力释水时，空隙中有结合水、毛细水，所以 (＜ne；
3）对于粘性土，空隙细小、结合水所占的比例大，所以ne很小，尽管n很大；
4）对于空隙大的岩层（如大的溶隙、裂隙），ne≈(≈n。
由于A不是实际过水断面，
V不是真实流速（假设水流通过骨架与空隙在内的流速），虚拟流速––––渗透流速。
令实际过水断面面积为An（孔隙面积），则渗透流速V与实际流速u之间的关系为：
（因ne为&1的小数，故u&v）
3．水力梯度（I）（hydraulic gradient）
水力梯度––––沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。
式中：n为等水头面(线)的外法线方向，也是水头降低的方向。
水在岩石空隙中运动需要克服2个阻力：
4．渗透系数（coefficient of permeability，hydraulic conductivity）与渗透率（k）
渗透系数––––水力梯度等于1时的渗透流速。
1）I为定值时，K大，V大；K小，V小（V＝KI）；
2）V为定值时，K大，I小(等水位线疏；K小，I大(等水位线密。
渗透系数可定量说明岩石的渗透性：K大→渗透性强；K小→渗透性弱。
一般，松散岩石，岩石颗粒愈粗，渗透系数K愈大。
测定：a．室内土柱试验（达西试验）；b．野外抽水试验。
我们引入渗透率k (permeability)表征岩层对不同流体的固有渗透性能(intrinsic permeability)，渗透率k仅仅取决于岩石的空隙性质，与渗流的液体性质无关。渗透系数与渗透率的关系为：
K=k(ρg/μ)
式中：ρ为液体密度；g为重力加速度；k为液体动力粘滞系数；k的量纲为[L2]，常用单位为达西或cm2。
5．适用范围
达西定律：V＝KI，V与I的一次方成正比→线性渗
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