渗透变形破坏形式-《地基与基础》成果

水流沿着土的孔隙发生渗透时，由于水流对土的骨架作用力，常造成土的失稳破坏，这种破坏，称为渗透破坏，亦称为渗透变形。渗透破坏是当渗透水力坡降达到一定值后才可能发生的。土体开始发生渗透变形时的水力坡降，称为临界水力坡降（也称抗渗坡降），它表示土抵抗渗透破坏的能力。临界水力坡降是评价土体渗透稳定的重要参数，选用合理与否，直接关系到建筑物的造价和安全。对重要工程，应尽可能结合实际条件通过试验确定，一般工程可用半经验公式确定。

大量的研究和实践表明，渗透破坏可分为流土和管涌两种基本类型。

图2-9　不同渗流方向对土的影响

（a）向下渗流时；（b）向上渗流时

1.流土

水流在发生渗透时，由于渗透力的方向与渗流方向一致，因此它对土体稳定性有着很大的影响。如果渗流方向与重力方向一致，即水的渗流自上而下时，容器内土颗粒间的压力将增加，对土体稳定性有利，如图2-9（a）所示。当渗流的方向与重力方向相反时，水的渗流自下而上，容器内土颗粒间的压力将减小，如图2-9（b）所示，在土体表面的a 点取一单位体积土体进行分析。已知土在水下的浮重度为γ′，向上的渗透力为j，当浮重度γ′和渗透力j 相等时，即

式中 γsat——土的饱和重度；

γw——水的重度。

这时a 点的合力等于零，土颗粒将处于临界状态，悬浮在土体表面，当渗透力继续增加，则土体失去稳定，这种现象称为流砂现象。临界状态时的水头梯度称为临界水头梯度icr，可由式（2-9）得到：

由式（2-10）可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质，当土的ds和e 已知时，则该土的临界水力坡降即为一定值，一般在0.8～1.2 之间。

流土往往发生在渗流的逸出处，可以用渗流逸出处的水力坡降i 与其临界水力坡降icr比较，判别流土发生的可能性。若i＜icr，则土体处于稳定状态；若i＝icr，则土体处于临界状态；若i＞icr，则土体发生流土。

在设计中，应该考虑流土发生历时短及土的复杂性等因素，为确保建筑物的安全，所以常将临界水力坡降除以安全系数作为允许水力坡降 [i]，设计中将逸出处的水力坡降i控制在允许水力坡降[i]之内，即要求：

式中 K——安全系数，一般取2.0～2.5。

流土发生时，局部土体隆起、浮动，颗粒群同时发生移动而流失。流土一般发生在无保护的渗流出口处，而不发生在土体内部。开挖基坑或渠道时出现的所谓 “流砂”现象，就是流土的常见形式。在图2-10（a）中，由于细砂层的承压水作用，当基坑开挖至细砂层时，在渗透力作用下，细砂向上涌出，出现大量流土，引起房屋地基不均匀变形，上部结构开裂，影响了正常使用。如图2-10（b）所示为河堤覆盖层下流砂涌出的现象，由于覆盖层下有一强透水砂层，当堤内、外水头差大，弱透水层薄弱处则被冲溃，大量砂土涌出，危及河堤的安全。流土的发生一般是突发性的，对工程危害较大。

图2-10　流土的危害

2.管涌(www.xing528.com)

管涌是指在渗流作用下，土中的细颗粒通过粗颗粒的孔隙被带出土体以外的现象。管涌可以发生在土体的所有部位。图2-11所示为河堤发生管涌的现象。首先细颗粒在粗颗粒的孔隙中移动，随着土中孔隙的逐渐扩大，渗流速度不断增大，较粗的颗粒也被水流逐渐冲走，最后导致土体内部形成贯通的渗流通道，酿成溃堤的严重后果。由此可见，管涌的发生要有一定的发展过程，因而是一种渐进性的破坏。

图2-11　河堤发生管涌的现象

发生管涌时的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关，但至今管涌的临界水力坡降尚无成熟的计算公式可循。对于重要的工程，须通过渗透破坏试验确定，通常可按图2-12所示的渗透试验装置进行。试验时，可将水头逐渐升高，直至开始发生管涌。除目测细颗粒的移动判断外，还要建立水力坡降与渗透速度的关系来判断管涌是否发生，如图2-13所示。当水力坡降增至某一数值后（A 点），i—v 关系曲线明显转折，这说明细颗粒已被带出，孔隙通道加大，渗流速度随之增大。最后取A 点对应的水力坡降和肉眼观察到细颗粒移动时水力坡降两者中的较小值，作为管涌临界水力坡降。

由于管涌临界水力坡降的影响因素较多，国内外学者对此进行了很多研究。对于中小型工程，无粘性土发生管涌的临界水力坡降，可按经验公式计算：

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。

图2-12　管涌试验装置示意图

图2-13　i—v 关系曲线

渗透变形的两种基本形式是水力坡降较大的情况下，土体表现出来的两种不同的破坏现象，渗透变形的形式与土的性质有关。一般来说，粘性土细颗粒呈粒团存在，颗粒间具有较大的粘聚力，且孔隙直径极小，细颗粒不会在孔隙中随渗流移动并带出，所以，不会发生管涌破坏，而多在渗透坡降大时以流土形式出现。无粘性土的渗透变形形式主要决定于颗粒组成，研究表明，不均匀系数Cu≤10 的匀粒砂土，只可能出现流土破坏形式；Cu＞10的砂砾土，既可能发生管涌，也可能产生流土，主要取决于土的级配情况与细料含量。对于缺乏中间粒径的不连续级配土，其渗透变形形式主要决定于细料含量（细料含量是指级配曲线水平段下限的粒径所对应的纵坐标）。细料含量小于25%时，不能充满粗料所形成的孔隙，细颗粒可以很容易地在孔隙中移动，渗透变形常以管涌形式出现；若细料含量在35%以上时，细料添满粗料孔隙，粗、细料形成一个整体，细颗粒移动困难，多发生流土破坏。对于级配连续的不均匀土，我国有些学者根据试验研究提出，用土的孔隙直径比较法，以判别土的渗透变形的形式。当土中有5%以上细颗粒的粒径小于孔隙平均直径时，在较小的水力坡降下细颗粒将会被渗流带走，而形成管涌破坏；当土中对应3%细颗粒的粒径大于孔隙平均直径时，细颗粒很少流失，不会发生管涌，渗透变形呈流土形式。

综上所述，无粘性土渗透破坏形式的判别准则可概括为下列形式：

其中 P——级配曲线上断点以下对应颗粒含量，即细料含量；

D0——孔隙平均直径，可用D0＝0.25d20计算；

d3、d5、d20——小于该粒径土粒含量为3%、5%、20%对应的粒径。

另外，无粘性土的渗透变形还与土的密度有关，有些土在较大密度下可能发生流土，而在小密度下则可能出现管涌。