《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)中规定:土的渗透变形判别包括判别土体的渗透变形类型,确定流土、管涌的临界水力坡降,确定土的允许水力坡降。
土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒组成和结构,即常说的几何条件;外因是水力条件,即作用于土体渗透力的大小。
1.流土可能性的判别
(1)用土的性质判定
在自下而上的渗流逸出处,任何土,不论黏性土还是无黏性土,只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件,均要发生流土。因此,只要知道水力坡降和临界水力坡降,即可判别流土的可能性。
(2)用临界水力坡降判定
流土往往发生在渗流的出逸处。工程中通常用渗流出逸处的水力坡降i与其临界水力坡降icr比较,即可判别流土的可能性。
若i<icr,则土体处于稳定状态不发生流土;
若i=icr,则土体处于临界状态;
若i>icr,则土体发生流土。
(3)允许水力坡降
设计中要求将出逸处的水力坡降控制在允许水力坡降[i]之内,即
式中 FS——安全系数,一般取1.5~2.0。
2.管涌可能性的判别
(1)用土的性质判定
黏性土土粒间联结较紧,颗粒间有较大黏聚力。一般不发生管涌破坏,只在水力坡降足够大时发生流土破坏。
无黏性土的渗透变形形式与土的颗粒组成、级配和密度有关,具体判别如下:
土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径,才可能让细颗粒在其中移动,这是管涌产生的必要条件。
对于不均匀系数Cu<10的较均匀土,颗粒粗细相差不多,粗颗粒形成的孔隙直径不比细颗粒大,因此细颗粒不能在孔隙中移动,也就不可能发生管涌。
对于Cu>10的不均匀砂砾石土,这种土既可能发生管涌也可能发生流土,主要取决于土的级配情况和细颗粒含量。
对于缺乏中间粒径、级配不连续的土,其渗透变形的类型主要决定于细颗粒含量。当细颗粒含量在25%以下时,细料填不满粗料所形成的孔隙,渗透变形基本上属管涌型;当细料含量在35%以上时,细料足以填满粗料所形成的孔隙,粗细料形成整体,抗渗能力增强,渗透变形是流土型;当细料含量为25%~35%时,则是过渡型。
对于级配连续的不均匀土,用土的孔隙平均直径D0与最细部分的颗粒粒径ds相比较,以判别土的渗透变形的类型。土的孔隙平均直径D0可以下述经验公式计算:
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式中,d20代表小于该粒径的土质量占总质量20%。当土中有5%以上的细颗粒小于土的孔隙平均直径时,即D0>d5时,破坏形式为管涌;如果土中小于D0的细粒含量<3%,即D0<d3时,可能流失的土颗粒很少,不会发生管涌,则呈流土破坏。
因此,对于无黏性土是否发生管涌的几何条件可用下列准则判别:
① Cu≤10的比较均匀的土为非管涌土
② Cu >10的不均匀土
a.级配不连续的土
细颗粒含量>35% 非管涌土;
细料含量<25% 管涌土;
25%≤细料含量≤35% 过渡型土。
b.级配连续的土
D0<d3 非管涌土;
D0>d5 管涌土;
d3≤D0≤d5 过渡型土。
(2)用临界水力坡降判定
渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动,是发生管涌的水力条件。一般的工程可用半经验公式判定,重要工程应尽可能结合实际条件通过试验确定。
管涌的临界水力坡降为
式中 d3——小于该粒径颗粒含量为3%所对应粒径(cm);
n——孔隙率;
k——渗透系数(cm/s)。
(3)允许水力坡降
通常要求i≤[i],方法同流土。
无试验资料时,可根据表2-2进行选用。
表2-2 无黏性土允许水力坡降
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