基土滲透變形類型及其判別方法

呂 梁（石河子中勘勘察設(shè)計院（有限公司），新疆 石河子 832000）

基土滲透變形類型及其判別方法

呂 梁
（石河子中勘勘察設(shè)計院（有限公司），新疆 石河子 832000）

摘 要：作為維持整個建筑物穩(wěn)定性的重要部位，地基在工程中的重要性不言而喻，如何對基土的滲透變形類型及其發(fā)生條件進行判斷對工程施工具有重要的意義。因此，本文著重探討了基土的滲透變形類型及其發(fā)生條件。

關(guān)鍵詞：判斷；基土；變形類型；發(fā)生條件

滲透變形是土體在一定水力坡降滲流作用下發(fā)生變形或破壞的現(xiàn)象，它包括流土和管涌兩種基本形式。在一定的水力坡降下，什么情況下發(fā)生流土破壞，什么情況下發(fā)生管涌破壞，在滲透變形類型判別中常常出現(xiàn)不準(zhǔn)確或錯誤情況，下面談?wù)勥@方面的看法。

一、滲透變形破壞類型判別

土的特性對滲透變形形式有很大關(guān)系，一般情況是粘性土和不均勻系數(shù)Cu＜10的勻粒砂，在一定水力坡降下，容易發(fā)生流土；Cu＞10的不勻粒砂礫石土（包括曲率系數(shù)Cc≠1～3的不連續(xù)級配的砂礫石），既可能發(fā)生流土也可能產(chǎn)生管涌，這種情況主要決定細小填料的含量。這里所指的填料，指自由分散在孔隙中的細小顆粒，而互相約束的較粗顆粒稱為骨料。區(qū)分骨料與填料粒徑標(biāo)準(zhǔn)：對于不連續(xù)級配的砂礫石土可按其顆粒大小分配曲線的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的粒徑作為區(qū)分尺寸，對于連續(xù)級配的砂礫石土根據(jù)測得的流失顆粒粒徑來看，大致可用2mm作為骨料與填料的區(qū)分粒徑。

在水利工程中用來判別滲透變形的兩種破壞形式的標(biāo)準(zhǔn)，可歸納為以下幾點：

1 粘性土和不均勻系數(shù)Cu＜10的勻粒砂或Cu＞10但填料含量大于35%（正常級配）的砂礫石土，其主要破壞形式為流土；

2正常級配（Cu＞10，Cc=1～3）的砂礫石土，當(dāng)其不均勻系數(shù)Cu＞10填料含量小于30%時，其破壞形式為管涌；

3缺乏中間粒徑（不連續(xù)或中斷級配）的砂礫石土，當(dāng)填料含量小于20%時，其破壞形式為管涌，而填料含量大于30%時則為流土。

另外，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287—99）附錄M“土的滲透變形判別”，水庫壩基滲透變形類型按土的細粒含量采用下列公式判別：

（1）流土：

（2）管涌：

（3） 連續(xù)級配的土，區(qū)分粗粒（骨料）和細粒（填料）的界限粒徑df按下式計算。

式中：pc—土的細粒（填料）顆粒含量，以質(zhì)量百分比計（%）；n—土的孔隙率（%）；df—粗細顆粒的區(qū)分粒徑（mm）；d70—小于該粒徑含量占總土中70%顆粒的粒徑（mm）；d10—小于該粒徑含量占總土中10%顆粒的粒徑（mm）。

df、d10、d70值均由顆粒分析試驗得到的顆粒分析曲線查得，該顆分曲線必須要求精確，否則，運用上述公式判別滲透變形類型會出現(xiàn)不準(zhǔn)確。

二、發(fā)生滲透變形破壞的條件

壩基土或基槽會不會發(fā)生流土或管涌破壞，要計算該基土在滲流作用下的臨界水力坡降icr，允許水力坡降[i]，然后與工程實際發(fā)生水力坡降i實進行比較來進行判斷。

1 流土的臨界水力坡降和允許水力坡降

在壩基下游水流出逸出當(dāng)垂直向上的水流滲透力j等于土的浮ρˊ密度時，即：

這時，土的有效質(zhì)量為零，土粒之間的壓力消失，土粒處于懸浮狀態(tài)，土體處于臨界狀態(tài)，土體隨水流動而開始涌砂（翻騰），產(chǎn)生局部或整體的流土現(xiàn)象，從上式求出該臨界狀態(tài)的水力坡降為：

式中：icr—臨界水力坡降；Gs—土粒比重；e—土的孔隙比；n—土的孔隙率；ρsat—土的飽和密度g/cm3；ρω—水的密度等于1 g/cm3。

從上式可知，只要土的孔隙比e和土粒比重Gs為已知，臨界水力坡降就是個定值，一般在0.8～1.2之間，為保證適當(dāng)安全，按上式計算出的臨界水力坡降應(yīng)除以2～2.5的安全系數(shù)，就可得到允許滲透坡降值，一些資料指出，勻粒砂土的允許滲透坡降值[i]=0.27～0.44，填料含量大于30%的砂礫石土料的[i]=0.3～0.4，對于粘性土它的滲透變形類型為流土，但一般不會輕易發(fā)生，其允許水力坡降較大，為[i]=0.4～0.6，以上值可供設(shè)計參考。

2 管涌的臨界水力坡降和允許水力坡降

管涌的臨界水力坡降可通過試驗測定，試驗表明：當(dāng)砂礫石料的填料含量介于20%～30%時，icr=0.15～0.30，填料含量小于20%時， icr=0.07～0.10，同樣為保證一定安全程度，要除之以1.5～2.0的安全系數(shù)而得到允許滲透坡降值，當(dāng)正常級配的砂礫石料的填料含量小于35%時，如10 ＜CU＜20時，其[i]=0.2，如Cu＞20時，其[i]=0.1

另外，管涌的臨界水力坡降還可采用下式計算，

式中：d5d20—分別占總質(zhì)量的5%和20%的粒徑（mm），由顆粒分析曲線查得。

3 實際發(fā)生水力坡降計算

壩基、基槽等實際水力坡降可用下式計算：

式中：H1—上游水頭高程，取正常蓄水位；

H2—下游水頭高程，取壩后地下水位；

2b—壩基寬度或滲流長度（m）

以上計算，若i實＞[i]時，土體發(fā)生滲透變形破壞；i實=[i]時，土體處于臨界狀態(tài)；當(dāng)滿足i實＜[i]時，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會產(chǎn)生滲透變形破壞。

三、滲透變形破壞的防治措施

壩基土、基槽如發(fā)生滲透變形破壞，會造成基土掏空，建筑物失穩(wěn)和產(chǎn)生基槽邊坡坍塌、滑坡等不良情況。為防止基土、基槽在滲流作用下的滲透變形破壞，在工程設(shè)計、施工和管理上，可采取一些防治和處理的工程措施?？偟脑瓌t是做好上堵下排工作，即在上游做好增長滲流途徑（鋪設(shè)水平不透水粘土防滲鋪蓋等）和截斷滲漏（設(shè)截水槽、防滲墻、垂直帷幕灌漿等）的方法，在下游進行壩體導(dǎo)滲、壩后導(dǎo)滲，或設(shè)置減壓排水溝、減壓井、石料透水蓋重壓滲臺、反濾層等，以降低、平衡下游的滲透壓力。對于基坑（槽）、管溝，可用降低來水水位、排水、打板樁等方法防止流砂現(xiàn)象。

參考文獻

[1]劉建剛.堤基滲透變形理論與滲漏探測方法研究[D].河海大學(xué)，2012.

中圖分類號：TU471

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：呂梁（1979-） 男，山東人，本科，工程師 研究方向：地質(zhì)勘查方面。