当水头梯度超过一定的界限值后,土中的渗透水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走,导致土体发生位移,这种现象称为渗透变形。当渗透变形达到一定程度,土体将发生失稳破坏,称为渗透破坏。
《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)中规定:土体在渗流作用下发生破坏,由于土体颗粒级配和土体结构的不同,存在流土、管涌、接触冲刷和接触流失四种破坏形式。前两种类型主要出现在单一土层中,后两种类型多出现在多层结构土层中。
1.流 土
在向上的渗透水流作用下,当渗透力等于或大于土的浮重度时,表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象,称为流土。任何类型的土,只要水力坡降达到一定的值,都会发生流土破坏。流土发生于渗流逸出处的土体表面而不是发生于土体内部。流土的发生一般是突发性的,对工程危害极大。
开挖渠道或基坑时常遇到的流砂现象,就属流土类型,如图2-11所示。流砂往往发生在细砂、粉砂及粉土和淤泥质土中,表现为颗粒的悬浮、流走。颗粒较粗(如中砂、粗砂)及黏性较大的土体(如黏土)则不易发生流砂,表现为土体表面的隆起。
图2-11 流土的危害
若地基为比较均匀的砂层,当水位差较大、渗流路径不够长时(水力坡降较大),下游渗流逸出处也会出现i>icr的情况。这时地表将会出现小泉眼,冒气泡,土颗粒群会向上鼓起,发生浮动、跳跃,这一现象称为砂沸。砂沸也是流土破坏的一种形式。
2.管 涌
在渗透水流作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动,以至流失。随着土的孔隙不断扩大,渗流速度不断增加,较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流通道,如图2-12所示,造成土体坍塌,这种现象称为管涌,也称为渗流的潜蚀现象。管涌破坏一般有一个时间发展过程,是一种渐进性破坏过程。管涌发生在一定级配的无黏性土中,发生的部位可以在渗流逸出处,也可以在土体内部。管涌发生时,水面出现翻花,随着上游水位升高,持续时间延长,险情不断恶化,大量涌水翻砂,使堤防、水闸地基土壤骨架破坏,孔道扩大,基土被淘空,引起建筑物塌陷,造成决堤、垮坝、倒闸等事故。
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图2-12 通过坝基的管涌
可以从以下五个方面区分流土和管涌:
(1)破坏现象。流土是土体局部范围的颗粒同时发生移动,而管涌是土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动。
(2)破坏位置。流土只发生在水流渗出的表层,管涌可发生于土体内部和渗流溢出处。
(3)对土质的要求。只要渗透力足够大,流土可发生在任何土中;管涌一般发生在特定级配的无黏性土中。
(4)破坏历时。流土破坏一般是突发性的,破坏过程短;管涌破坏一般有一个时间发展过程,是一种渐进性破坏。
(5)破坏后果。流土导致下游坡面产生局部滑动,管涌导致结构发生坍塌或溃口。
3.接触冲刷
当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面,或建筑物与地基的接触面流动时,沿接触面带走细颗粒的现象称为接触冲刷。
4.接触流失
在层次分明、渗透系数相差悬殊的两土层中,当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象称为接触流失。
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