地下水與孔隙水壓力.ppt

1、地下水和孔隙水壓力 2006.9.,目 錄,1 地下水的賦存和靜水壓力 2 滲流、滲透力和滲透破壞 3 超靜水壓力 4 地下水與工程,1 地下水的賦存和靜水壓力,1.2 地下水位和水頭,第一層地下水的穩(wěn)定水位 靜水壓力為零的位置 不一定是飽和土和非飽和土的分界線 初見(jiàn)水位和穩(wěn)定水位 潛水面，靜水壓力為零。 承壓水零壓面根據(jù)壓力水頭確定。 與潛水水位相同，其水頭位置也是靜水壓力為零的位置。,地下水位和水頭,波動(dòng)決定于補(bǔ)給、排泄的平衡關(guān)系 地面水和地下水, 統(tǒng)一的水循環(huán)。 補(bǔ)給大于排泄，地下水積累，水位或水頭上升； 排泄大于排給，含水層中的水被消耗，水位或水頭下降。,地下水位和水頭,超采開(kāi)采靜儲(chǔ)量

2、，伴隨著補(bǔ)排關(guān)系的變化，地下分水嶺外移，地表水轉(zhuǎn)為地下水。 地下水位低時(shí)，地表水轉(zhuǎn)入地下，甚至消失；,減采地下水位升高后，增加靜儲(chǔ)量，地下分水嶺內(nèi)移，地表水增加，以泉的形式溢出。 地下水位上升，地下水補(bǔ)給地表水，又出現(xiàn)地面涇流。,1.2 包氣帶水和毛細(xì)帶水 包氣帶水,1）位于地下水位和毛細(xì)帶以上，大氣降水滲入地下的通道； 2）只有一部分孔隙充水，呈非飽和狀態(tài)； 3）存在基質(zhì)吸力，孔隙水壓力為負(fù)值； 4）壓力不能用普通方法量測(cè)，只能用張力計(jì)或基質(zhì)吸力計(jì)量測(cè)； 5）滲透系數(shù)對(duì)于同一類(lèi)土不是常數(shù)，隨含水量而變，含水量越低，滲透系數(shù)越小，,毛細(xì)帶水,1）上升高度與土的顆粒大小、顆粒級(jí)配有關(guān)，粘性土上升

3、高度較大； 2）隨高度增加，含水量降低，由毛細(xì)飽和帶過(guò)渡到非飽和帶 3）孔隙水壓力為負(fù)值； 4）存在毛細(xì)滯后現(xiàn)象，,3 潛水和承壓水,同一含水層，隨空間位置不同，有的地方表現(xiàn)為潛水，有的地方表現(xiàn)為承壓水，但靜水壓力為零壓面（潛水水位和承壓水水頭）仍是連續(xù)的。 隨著季節(jié)的不同，年度的變化以及人為干預(yù)，同一含水層的性質(zhì)可能轉(zhuǎn)化，從潛水轉(zhuǎn)為承壓水或從承壓水轉(zhuǎn)化為潛水。 層間潛水,4 上層滯水,局部性和暫時(shí)性，無(wú)統(tǒng)一的有規(guī)律的水位，形不成統(tǒng)一的有一定規(guī)模水體， 上層滯水下邊存在非飽和帶。 不存在側(cè)向地下水體補(bǔ)給，更無(wú)下層含水層的越流補(bǔ)給,上層滯水,工程建設(shè)后有時(shí)可能不復(fù)存在，但也可能使水體擴(kuò)大，連成大

4、片。 對(duì)工程的主要影響是基坑開(kāi)挖，破壞土釘墻穩(wěn)定，造成樁間土坍塌 是否存在浮力？視水體與建筑物的相對(duì)尺寸和相對(duì)位置而定。,5 裂隙水和巖溶水,水體形狀的高度不規(guī)則性 水流性質(zhì)和特殊性 富水性的高度不均勻,6 孔隙水壓力形式：,靜水壓力。靜止的地下水只存在靜水壓力，孔隙水壓力就是靜水壓力。 滲流孔隙水壓力。作滲流運(yùn)動(dòng)時(shí)，除靜水壓力外，還有沿滲流方向的滲流孔隙水壓力，產(chǎn)生滲流力。 超靜水壓力。由于某種靜力或動(dòng)力作用，在靜水壓力基礎(chǔ)上增長(zhǎng)，有非穩(wěn)定性質(zhì)，有發(fā)生、積累、消散的過(guò)程，對(duì)土的有效強(qiáng)度影響很大。 負(fù)孔隙水壓力。存在于非飽和土中。,7 靜水壓力特征,壓力的等向性 壓力的三角形分布 與土的滲透系

5、數(shù)無(wú)關(guān) 與土的孔隙度無(wú)關(guān),孔隙水中靜水壓力的傳遞,砂土、粉土、粘性土 均適用有效應(yīng)力原理 包括水壓力、浮力 密實(shí)的硬粘土，是否傳遞水壓力？是否服從達(dá)西定律而流動(dòng)？ 是否作用靜水壓力？地下結(jié)構(gòu)上是否作用完全的浮力？,7. 地下水位升降對(duì)巖土工程的影響,地下水位上升的影響： 降低地基承載力，建筑物附加沉降 增加地下工程防水抗浮設(shè)施 產(chǎn)生濕陷、脹脹、溶陷、凍脹 加劇液化勢(shì) 邊坡失穩(wěn)，老滑坡復(fù)活 治澤化、鹽堿化、改變環(huán)境,地下水位下降的影響 產(chǎn)生地面沉降 誘發(fā)地面塌陷 誘發(fā)地裂縫 造成海水入侵 造成水源枯竭，水質(zhì)惡化,2 滲流、滲透力和滲透破壞,2.1 流網(wǎng),穩(wěn)定滲流場(chǎng)的 拉普拉斯方程： 為流函數(shù)，

6、為勢(shì)函數(shù),流網(wǎng)性質(zhì),(1) 等勢(shì)線與流線正交； (2) 如各等勢(shì)線間的差值相等，各流線間的差值相等，則各網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比相等；,流網(wǎng)性質(zhì),(3)如研究區(qū)總流量為,劃分為個(gè)流線分道，則每分道流量為 如研究區(qū)總水頭差為，劃分為個(gè)等勢(shì)分格，則每等分格的水頭差為 (4) 當(dāng)a=b時(shí)，流經(jīng)研究區(qū)的流量由下式求得：,流網(wǎng)性質(zhì),(5) 不透水邊界，等勢(shì)線與之垂直，流線與之平行； 等水頭邊界，流線與之垂直，等水頭邊界就是等勢(shì)線； (6)等勢(shì)線越密，水力梯度越大；流線越密，流量越大。 (7) 網(wǎng)格越密，水力梯度、流速、流量越大，由滲透造成的孔隙水壓力越大，越易產(chǎn)生滲透變形（滲透破壞）； 反之，網(wǎng)格越稀，水流越平穩(wěn)。

7、,2.2 越層滲流的水頭變化,無(wú)越流滲透,2.3 滲透力,地下水在土體流動(dòng)，受土粒的阻力，對(duì)土粒施加滲流力。 滲流力是體積力，量綱與水的重度相同，大小與水力梯度i成正比，方向與水流方向一致,2.4 滲透破壞,流土 向上的滲流力克服了土的向下重力時(shí)，土顆粒懸浮，移動(dòng)，發(fā)生流土。 多發(fā)生在級(jí)配均勻的粉細(xì)砂或粉土中， 具有突發(fā)性，危險(xiǎn)性很大,流土的治理原則,（1）減小或消除水頭差； （2）增加滲流途徑； （3）在滲流出口處覆蓋透水材料，平衡滲流力； （4）用注漿等法改良土性。,管涌,滲流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的骨架孔隙中移動(dòng)流失，孔隙擴(kuò)大，滲流速度增加，較粗顆粒繼續(xù)被帶走，在土體內(nèi)形成貫通的水流

8、通道。 管涌在滲流出口處首先發(fā)生，逐漸向內(nèi)部發(fā)展，是漸進(jìn)性破壞。 一般發(fā)生在砂礫土中。顆粒大小差別大，缺乏某種粒徑，孔隙大且互相連通。,防治管涌的原則,改變幾何條件， 在滲流溢出部位輔設(shè)反濾層； 改變水力條件，降低水力梯度。,流土與管涌的判別,不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級(jí)配土， 流土： 管涌， pr25%； 過(guò)渡型 25%Pr35%,突涌,坑內(nèi)承壓水上覆不透水的隔水層，在承壓水頭壓力作用下破壞， 靜力平衡問(wèn)題,流砂及其他滲流引起的破環(huán),常把流砂和流土混為一談, 實(shí)際上流砂的范圍更廣一些。 流土發(fā)生在垂直向上滲流 而流砂可能發(fā)生在任何方向。 止水蜼幕的基坑，坑外地下水向下滲流，坑內(nèi)向上滲流，向下的

9、滲透力增加主動(dòng)土壓力，向上滲透力減少被動(dòng)土壓力。,3 超靜水壓力,超靜水壓力的特性,受到外力，包括靜壓加載，沖擊荷載、打樁、車(chē)輛振動(dòng)，地震等作用， 由土顆粒承擔(dān)的壓力（有效應(yīng)力）全部或部分由孔隙水承擔(dān)，孔隙壓力上升、積累，有效應(yīng)力降低。 隨著孔隙水從土中排出，超靜水壓力消散，直至恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。 消散的快慢決定于土的滲透性質(zhì)和滲流路徑的遠(yuǎn)近。,3.2 壓縮固結(jié)過(guò)程中的孔隙水壓力 假定：,（1） 土是均質(zhì)的，各向同性和完全飽和的； （2）土粒和水均不可壓縮，土的壓縮完全由于孔隙比的改變和孔隙水的排出； （3）附加應(yīng)力沿水平方向無(wú)限均勻分布，土的壓縮和滲流是豎向的； （4）滲透固結(jié)過(guò)程中，土的滲透系

10、數(shù)和壓縮系數(shù)不變，滲透服從達(dá)西定律； （5）外荷一次驟然施加，固結(jié)過(guò)程中保持不變。,一維滲透固結(jié)解,一維滲透固結(jié)過(guò)程,超靜水壓力增長(zhǎng)和消散,（1）固結(jié)沉降是孔隙水壓力消散的過(guò)程； （2）固結(jié)沉降速率決定于土的滲透系數(shù) 和排水路徑； （3）滲透系數(shù)很小的軟黏土，不解決排水問(wèn)題的單純預(yù)壓，效果不好； （4）為加速固結(jié)沉降，建立排水通道（如砂井），消散孔隙水壓力是最有效的措施。,3.3 孔隙水壓力與土的抗剪強(qiáng)度,（1）砂土孔壓消散快，正常加荷速率，強(qiáng)度與加荷速率關(guān)系不大。 但迅速發(fā)展的大變形，飽和松砂可能靜態(tài)液化，產(chǎn)生流滑。地震瞬時(shí)動(dòng)荷載松砂液化。 （2）粉土和粘性土，加荷初期孔壓最高，有效強(qiáng)度最小

11、，最危險(xiǎn)， 隨時(shí)間推移，孔壓消散，有效強(qiáng)度提高，安全性提高。滲透性越小，提高越慢。 (3) 慢速加載有利于充分發(fā)揮土的強(qiáng)度, 提高安全度。,正常固結(jié)粘土與超固結(jié)粘土的 三軸固結(jié)不排水試驗(yàn),靜態(tài)液化不同密度飽和砂土的固結(jié)不排水試驗(yàn)( a)應(yīng)力遍變關(guān)系曲線 (b)孔隙水壓力（c）有效應(yīng)力路徑,靜態(tài)液化,孔隙比大于臨界孔隙比的松砂，應(yīng)變軟化，剪縮趨勢(shì)，隨著應(yīng)變的加大，超靜水壓力急劇上升，有效應(yīng)力迅速降低，砂土呈流動(dòng)狀態(tài)。 臨水松砂的“流滑”就是這種靜態(tài)液化，,3.4 地震液化的孔隙水滲流,規(guī)范公式，解決了普遍性的大問(wèn)題。 公式是粗糙的，判別成功率只有百分之八十幾，有百分之十幾是不成功的 數(shù)據(jù)的代表性

12、十分有限，推廣到其他場(chǎng)地有多少可信度 液化仍是世界性難題。 規(guī)范公式只考慮了地震烈度、土的密實(shí)度、地下水位和所在深度，,忽略重要因素：,1微地貌和地質(zhì)成因，河漫灘、低階地、古河道最易液化； 2成層條件，夾粘性土有抑制噴水冒砂的作用； 3顆粒級(jí)配，粒度均勻的粉細(xì)砂最易液化； 4歷史上發(fā)生過(guò)液化的地段最易重復(fù)發(fā)生， 綜合判斷。,液化原因和宏觀標(biāo)志,在地震動(dòng)作用下，松砂和密度小的粉土發(fā)生剪縮，孔隙水壓力急劇增長(zhǎng)，不能及時(shí)消散，使有效強(qiáng)度喪失 液化對(duì)工程的危害表現(xiàn)噴水冒砂和滑移。宏觀液化的標(biāo)志 噴水冒砂與超靜水壓力滲流有關(guān),噴冒的主要危害,(1)量水土流失，地面和建筑物大幅沉陷，數(shù)值無(wú)法定量預(yù)測(cè)； (

13、2) 土變得極不均勻，噴冒孔周?chē)恋慕Y(jié)構(gòu)完全改變，極為松散，標(biāo)貫錘擊數(shù)甚至為零。 (3）由于地形、地層、房屋、井、管道等的影響，噴冒孔分布很不均勻，加強(qiáng)了地基的不均勻性。 (4) 模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴冒前地基中有“水夾層”，完全沒(méi)有強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于土的液化殘余強(qiáng)度。,液化滲流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),（1）水來(lái)源于震后砂土增密排出的孔隙水， 非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。 （2）平原區(qū)排泄基準(zhǔn)面為地表， 水流方向自下向上。 （3）地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力 是超靜水壓力而非靜水壓力。 （4）不同深度流速和流量變化的變量運(yùn)動(dòng)，流速、流量和水力梯度，越淺越大，地表最大。,噴水冒砂原因,（5）水力梯度超過(guò)臨界值后，砂粒浮在水中，發(fā)生滲流液化，砂冒

14、出地面。 （6）隨著孔壓消散，流速、流量、水力梯度減小, 直至消失，土體重新固結(jié)。 噴水冒砂是滲流液化的產(chǎn)物，并非振動(dòng)液化直接引起，時(shí)間在地震發(fā)生之后。 本質(zhì)上是地震的一種次生震害。,3.5 壓實(shí)、強(qiáng)夯、擠土樁的 孔隙水壓力,“橡皮土效應(yīng)”， 擠土樁的歪樁，斷樁和浮樁嚴(yán)重破壞地基，甚至打樁不如不打樁。 土不能被擠實(shí)和壓實(shí)， 破壞了土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 孔隙水壓力使土的有效強(qiáng)度大幅度降低，已固結(jié)的土又恢復(fù)到欠固結(jié)狀態(tài)， 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)原來(lái)的強(qiáng)度。,建立下列概念：,（1）透水性小的飽和軟粘性土，不宜壓實(shí)、夯實(shí)、擠密進(jìn)行地基加固。 （2）透水性小的飽和軟粘性土，對(duì)樁數(shù)多的樁筏基礎(chǔ), 慎用擠土樁。 （

15、3）樁筏基礎(chǔ)采用擠土樁時(shí)，嚴(yán)格控制樁距，不能過(guò)密。 （4）施工時(shí)跳打，設(shè)置孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)程，嚴(yán)格控制孔隙水壓力,3.6 非飽和土的負(fù)孔隙水壓力,Fredlund的非飽和土強(qiáng)度準(zhǔn)則： 后一項(xiàng)也稱為“假粘聚力”，s(ua-uw)是基質(zhì)吸力，隨著飽和度增加，吸力減少，使粘聚力減小，抗剪強(qiáng)度下降， 基坑失事和滑坡一般在雨后發(fā)生,4 地下水與工程 4.1 地下室抗浮水位的確定,主要因素有： 1) 大氣降水的季節(jié)變化和多年變化； 2) 區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)背景，場(chǎng)地及其附近的地形地質(zhì)和補(bǔ)排條件； 3) 地下水開(kāi)采、水庫(kù)放水、跨流域調(diào)水等人為因素； 4) 政府對(duì)水資源和水環(huán)境的綜合調(diào)控。,抗浮水位

16、的確定,水位上升影響，隨工程重要程度和要求嚴(yán)格程度而異。 箱筏基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)浮起、傾斜或結(jié)構(gòu)損壞； 柱基和條基，不構(gòu)成浮力，地下室進(jìn)水。 不是單純勘察問(wèn)題，單純自然科學(xué)問(wèn)題 與投資決策、發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)政策有關(guān)， 不可預(yù)知性很強(qiáng),需與投資單位、設(shè)計(jì)單位共同決策。,抗浮水位的確定,依靠有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人員，在掌握充分資料的基礎(chǔ)上綜合判斷。重要工程有時(shí)需召開(kāi)專(zhuān)家會(huì)議集體論證。 與地震、洪水等突發(fā)性災(zāi)害不同，地下水位上升不是突發(fā)事件,抗浮水位的確定,北京為例 多年變化 地下水的開(kāi)采 水庫(kù)的蓄水放水 南水北調(diào) 統(tǒng)一調(diào)配,4.2多層地下水的抗浮水位,上層滯水的浮力 實(shí)際上為“懸”水。粘土層A點(diǎn)水壓為0，B點(diǎn)水壓也

17、為0。,多層潛水和承壓水的浮力,由滲流計(jì)算決定 砂土中的浮力只由本層水測(cè)管水頭決定； 粘土中則與其上層水及下層水之間關(guān)系有關(guān),A 地下結(jié)構(gòu)在層（砂土）中, 浮力按靜水壓力計(jì)； B 處于層（粘土）中， 浮力在whl和0之間線性變化； C 在層（砂土）中， 浮力與潛水1無(wú)關(guān)，按潛水2靜水壓力分布；,d. 處于層（粘土）中， 浮力既與潛水2有關(guān)，也與承壓水1 有關(guān)； e. 處于層（砂土）中時(shí)， 浮力只與承壓水1有關(guān)， 按靜水壓力pwZw變化。,浮力計(jì)算的其他問(wèn)題,側(cè)壁摩阻力有利于抗浮 一般只作為安全儲(chǔ)備， 飽和軟粘土中地下連續(xù)墻和沉井，上浮產(chǎn)生負(fù)孔壓，不明顯上浮。但負(fù)孔壓會(huì)逐漸消散，不能用于永久建筑

18、設(shè)計(jì) 地下室肥槽無(wú)粘性土回填，降雨充水, 從自由水面起算的全部浮力。,4.3 基坑降水,一般采用裘布依公式推導(dǎo)出的 潛水完整井、 承壓水完整井、 潛水不完整井、 承壓水完整井、不完整井 的大井公式計(jì)算,大井公式問(wèn)題,一、將基坑假定為大井顯然很粗糙。 二、以裘布依公式為基礎(chǔ)的公式都是穩(wěn) 定流公式。 三、影響半徑是虛擬的，實(shí)際上不存在 一個(gè)圓形水位不變的邊界 四、計(jì)算的主要參數(shù)滲透系數(shù)不易正確 確定,事先計(jì)算只是大致的估計(jì)，工程進(jìn)行過(guò) 程中不斷調(diào)整。 布置一定數(shù)量觀測(cè)孔，監(jiān)測(cè)水位變化，描繪漏斗發(fā)展過(guò)程，指導(dǎo)降水工作。 僅抽水井動(dòng)水位觀測(cè)不夠。 建立更符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型, 運(yùn)用非穩(wěn)定流理論進(jìn)行計(jì)算。,4.4 基坑開(kāi)挖中含水層的疏不干 一般條件下降低地下水位示意,含水層