地下水與孔隙水壓力

地下水和孔隙水壓力

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

波動決定于補給、排泄的平衡關系地面水和地下水,統(tǒng)一的水循環(huán)。補給大于排泄，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

超采開采靜儲量，伴隨著補排關系的變化，地下分水嶺外移，地表水轉(zhuǎn)為地下水。地下水位低時，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，地下水補給地表水，又出現(xiàn)地面涇流。1.2包氣帶水和毛細帶水

包氣帶水

1）位于地下水位和毛細帶以上，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，孔隙水壓力為負值；4）壓力不能用普通方法量測，只能用張力計或基質(zhì)吸力計量測；5）滲透系數(shù)對于同一類土不是常數(shù)，隨含水量而變，含水量越低，滲透系數(shù)越小，毛細帶水

1）上升高度與土的顆粒大小、顆粒級配有關，粘性土上升高度較大；2）隨高度增加，含水量降低，由毛細飽和帶過渡到非飽和帶3）孔隙水壓力為負值；4）存在毛細滯后現(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，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

局部性和暫時性，無統(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)向地下水體補給，更無下層含水層的越流補給上層滯水工程建設后后有時可能能不復存在在，但也可可能使水體體擴大，連連成大片。。對工程的主主要影響是是基坑開挖挖，破壞土土釘墻穩(wěn)定定，造成樁樁間土坍塌塌是否存在浮浮力？視水水體與建筑筑物的相對對尺寸和相相對位置而而定。5裂隙水水和巖溶水水水體形狀的的高度不規(guī)規(guī)則性水流性質(zhì)和和特殊性富水性的高高度不均勻勻6孔隙水壓力力形式：靜水壓力。。靜止的地下下水只存在在靜水壓力力，孔隙水水壓力就是是靜水壓力力。滲流孔隙水水壓力。作滲流運動時時，除靜水壓壓力外，還有有沿滲流方向向的滲流孔隙隙水壓力，產(chǎn)產(chǎn)生滲流力。。超靜水壓力。。由于某種靜力力或動力作用用，在靜水壓壓力基礎上增增長，有非穩(wěn)穩(wěn)定性質(zhì)，有有發(fā)生、積累累、消散的過過程，對土的的有效強度影影響很大。負孔隙水壓力力。存在于非飽和和土中。7靜水壓壓力特征壓力的等向性性壓力的三角形形分布與土的滲透系系數(shù)無關與土的孔隙度度無關①工程含水層弱透水層孔隙水中靜水水壓力的傳遞遞砂土、粉土、、粘性土均適用有效應應力原理包括水壓力、、浮力密實的硬粘土土，是否傳遞遞水壓力？是是否服從達西西定律而流動動？是否作用靜水水壓力？地下下結構上是否否作用完全的的浮力？7.地下水位升降降對巖土工程程的影響地下水位上升升的影響：降低地基承載載力，建筑物物附加沉降增加地下工程程防水抗浮設設施產(chǎn)生濕陷、脹脹脹、溶陷、、凍脹加劇液化勢邊坡失穩(wěn)，老老滑坡復活治澤化、鹽堿堿化、改變環(huán)環(huán)境地下水位下降降的影響產(chǎn)生地面沉降降誘發(fā)地面塌陷陷誘發(fā)地裂縫造成海水入侵侵造成水源枯竭竭，水質(zhì)惡化化2滲流、滲滲透力和滲透透破壞2.1流網(wǎng)網(wǎng)穩(wěn)定滲流場的的拉普拉斯方程程：ψ為流函數(shù)，φ為勢函數(shù)流網(wǎng)性質(zhì)(1)等勢線與流線線正交；(2)如各等勢線間間的差值相等等，各流線間間的差值相等等，則各網(wǎng)格格的長寬比相等；；流網(wǎng)性質(zhì)(3)如研究區(qū)總流流量為,劃分分為個流線分分道，則每分道流量為為如研究區(qū)總水水頭差為，劃劃分為個等勢勢分格，則每等分格的水水頭差為(4)當a=b時，，流經(jīng)研究區(qū)區(qū)的流量由下式求得：：流網(wǎng)性質(zhì)(5)不透水邊界，等勢線與之之垂直，流線線與之平行；；等水頭邊界，流線與之垂垂直，等水頭頭邊界就是等等勢線；(6)等勢線越密，水力梯梯度越大；流線越密，流量越越大。(7)網(wǎng)格越密，水力梯度、、流速、流量量越大，由滲滲透造成的孔孔隙水壓力越越大，越易產(chǎn)產(chǎn)生滲透變形形（滲透破壞壞）；反之，網(wǎng)格越越稀，水流越越平穩(wěn)。2.2越層層滲流的水頭頭變化無越流滲透2.3滲透力地下水在土體體流動，受土土粒的阻力，，對土粒施加加滲流力。滲流力是體積積力，量綱與與水的重度γγω相同，大小與與水力梯度i成正比，方向向與水流方向向一致2.4滲透破壞流土向上的滲流力力克服了土的的向下重力時時，土顆粒懸懸浮，移動，，發(fā)生流土。。多發(fā)生在級配配均勻的粉細細砂或粉土中中，具有突發(fā)性，，危險性很大大流土的治理原原則（1）減小或消除除水頭差；（2）增加滲流途途徑；（3）在滲流出口口處覆蓋透水水材料，平衡衡滲流力；（4）用注漿等法法改良土性。。管涌滲流作用下，，細顆粒在粗粗顆粒形成的的骨架孔隙中中移動流失，，孔隙擴大，，滲流速度增增加，較粗顆顆粒繼續(xù)被帶帶走，在土體體內(nèi)形成貫通通的水流通道道。管涌在滲流出出口處首先發(fā)發(fā)生，逐漸向向內(nèi)部發(fā)展，，是漸進性破破壞。一般發(fā)生在砂砂礫土中。顆顆粒大小差別別大，缺乏某某種粒徑，孔孔隙大且互相相連通。防治管涌的原原則改變幾何條件件，在滲流溢出部部位輔設反濾濾層；改變水力條件件，降低水力力梯度。流土與管涌的的判別不均勻系數(shù)大大于5的不連續(xù)級配配土，流土：管涌，pr＜25%；過渡型25%≤Pr＜35%突涌坑內(nèi)承壓水上上覆不透水的的隔水層，在在承壓水頭壓壓力作用下破破壞，靜力平衡問題題流砂及其他滲滲流引起的破破環(huán)常把流砂和流流土混為一談談,實際上流砂的的范圍更廣一一些。流土發(fā)生在垂垂直向上滲流流而流砂可能發(fā)發(fā)生在任何方方向。止水蜼幕的基基坑，坑外地地下水向下滲滲流，坑內(nèi)向向上滲流，向向下的滲透力力增加主動土土壓力，向上上滲透力減少少被動土壓力力。3超靜水壓力超靜水壓力的的特性受到外力，包包括靜壓加載載，沖擊荷載載、打樁、車車輛振動，地地震等作用，，由土顆粒承擔擔的壓力（有有效應力）全全部或部分由由孔隙水承擔擔，孔隙壓力力上升、積累累，有效應力力降低。隨著孔隙水從從土中排出，，超靜水壓力力消散，直至至恢復原來狀狀態(tài)。消散的快慢決決定于土的滲滲透性質(zhì)和滲滲流路徑的遠遠近。3.2壓縮固結過程程中的孔隙水水壓力假定：（1）土是均質(zhì)的，，各向同性和和完全飽和的的；（2）土粒和水水均不可壓縮縮，土的壓縮縮完全由于孔孔隙比的改變變和孔隙水的的排出；（3）附加應應力沿水平方方向無限均勻勻分布，土的的壓縮和滲流流是豎向的；；（4）滲透固結結過程中，土土的滲透系數(shù)數(shù)和壓縮系數(shù)數(shù)不變，滲透透服從達西定定律；（5）外荷一一次驟然施加加，固結過程程中保持不變變。一維滲透固結結解一維滲透固結結過程超靜水壓力增增長和消散（1）固結沉沉降是孔隙水水壓力消散的的過程；（2）固結沉降降速率決定于于土的滲透系系數(shù)和排水路徑；；（3）滲透系系數(shù)很小的軟軟黏土，不解解決排水問題題的單純預壓壓，效果不好好；（4）為加速速固結沉降，，建立排水通通道（如砂井井），消散孔孔隙水壓力是是最有效的措措施。3.3孔隙水壓力與與土的抗剪強強度（1）砂土孔孔壓消散快，，正常加荷速速率，強度與與加荷速率關關系不大。但迅速發(fā)展的的大變形，飽飽和松砂可能能靜態(tài)液化，，產(chǎn)生流滑。。地震瞬時動動荷載松砂液液化。（2）粉土和和粘性土，加加荷初期孔壓壓最高，有效效強度最小，，最危險，隨時間推移，，孔壓消散，，有效強度提提高，安全性性提高。滲透透性越小，提提高越慢。(3)慢速加載有利利于充分發(fā)揮揮土的強度,提高安全全度。正常固結粘土土與超固結粘粘土的三三軸固結不排排水試驗靜態(tài)液化不同密度飽和和砂土的固結結不排水試驗驗(a)應力遍變關系系曲線(b)孔隙水壓力（（c）有效應力路路徑靜態(tài)液化孔隙比大于臨界孔隙隙比的松砂，應變軟化，，剪縮趨勢，隨著應變的的加大，超靜靜水壓力急劇劇上升，有效效應力迅速降降低，砂土呈呈流動狀態(tài)。。臨水松砂的““流滑”就是這種靜靜態(tài)液化，3.4地震液化的孔孔隙水滲流規(guī)范公式，解解決了普遍性性的大問題。。公式是粗糙的的，判別成功功率只有百分分之八十幾，，有百分之十十幾是不成功功的數(shù)據(jù)的代表性性十分有限，，推廣到其他他場地有多少少可信度液化仍是世界界性難題。規(guī)范公式只考考慮了地震烈烈度、土的密密實度、地下下水位和所在在深度，忽略重要因素素：1微地貌和地質(zhì)質(zhì)成因，河漫漫灘、低階地地、古河道最最易液化；2成層條件，夾夾粘性土有抑抑制噴水冒砂砂的作用；3顆粒級配，粒粒度均勻的粉粉細砂最易液液化；4歷史上發(fā)生過過液化的地段段最易重復發(fā)發(fā)生，綜合判斷。液化原因和宏宏觀標志在地震動作用用下，松砂和和密度小的粉粉土發(fā)生剪縮縮，孔隙水壓壓力急劇增長長，不能及時時消散，使有有效強度喪失失液化對工程的的危害表現(xiàn)噴噴水冒砂和滑滑移。宏觀液液化的標志噴水冒砂與超超靜水壓力滲滲流有關噴冒的主要危危害(1)量水土流失，，地面和建筑筑物大幅沉陷陷，數(shù)值無法法定量預測；；(2)土變得極不均均勻，噴冒孔孔周圍土的結結構完全改變變，極為松散散，標貫錘擊擊數(shù)甚至為零零。(3）由于地形、、地層、房屋屋、井、管道道等的影響，，噴冒孔分布布很不均勻，，加強了地基基的不均勻性性。(4)模型試驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，噴冒前地地基中有“水水夾層”，完完全沒有強度度，遠小于土土的液化殘余余強度。液化滲流運動動的特點（1）水來源于震震后砂土增密密排出的孔隙隙水，非穩(wěn)定流運動動。（2）平原區(qū)排泄泄基準面為地地表，水流方向自下下向上。（3）地下水運動動的動力是超靜水壓力而非靜水壓力力。（4）不同深度流流速和流量變變化的變量運動，流速、流量量和水力梯度度，越淺越大大，地表最大。噴水冒砂原因因（5）水力梯度超過臨界值后，砂粒浮在在水中，發(fā)生生滲流液化，砂冒出地面面。（6）隨著孔孔壓消散，流流速、流量、、水力梯度減減小,直至至消失，土體重新固結結。噴水冒砂是滲滲流液化的產(chǎn)產(chǎn)物，并非振動液液化直接引起起，時間在地地震發(fā)生之后后。本質(zhì)上是地震震的一種次生震害。3.5壓實、強夯、、擠土樁的孔孔隙水壓壓力“橡皮土效應”，擠土樁的歪樁，斷樁樁和浮樁嚴重重破壞地基，，甚至打樁不不如不打樁。。土不能被擠實實和壓實，破壞了土的結結構強度，孔隙水壓力使使土的有效強強度大幅度降降低，已固結結的土又恢復復到欠固結狀態(tài)，需要很長時間間才能恢復原原來的強度。。建立下列概念念：（1）透水性性小的飽和軟軟粘性土，不不宜壓實、夯夯實、擠密進進行地基加固固。（2）透水性性小的飽和軟軟粘性土，對對樁數(shù)多的樁樁筏基礎,慎慎用擠土樁樁。（3）樁筏基基礎采用擠土土樁時，嚴格格控制樁距，，不能過密。。（4）施工時時跳打，設置置孔壓監(jiān)測點點，及時調(diào)整整施工進程，，嚴格控制孔孔隙水壓力3.6非飽和土的負負孔隙水壓力力Fredlund的非飽飽和土強度準準則：后一項也稱為為“假粘聚力”，s＝(ua-uw)是基質(zhì)吸力，隨著飽和度度增加，吸力力減少，使粘粘聚力減小，，抗剪強度下下降，基坑失事和滑滑坡一般在雨雨后發(fā)生4地下水與工程程4.1地下室抗浮水水位的確定主要因素有：：1)大氣降水的季季節(jié)變化和多多年變化；2)區(qū)域地質(zhì)和水水文地質(zhì)背景景，場地及其其附近的地形形地質(zhì)和補排排條件；3)地下水開采、、水庫放水、、跨流域調(diào)水水等人為因素素；4)政府對水資源源和水環(huán)境的的綜合調(diào)控。?？垢∷坏拇_確定水位上升影響響，隨工程重重要程度和要要求嚴格程度度而異。箱筏基礎，結結構浮起、傾傾斜或結構損損壞；柱基和條基，，不構成浮力力，地下室進進水。不是單純勘察察問題，單純純自然科學問問題與投資決策、、發(fā)展水平、、經(jīng)濟政策有有關，不可預知性很很強,需與投投資單位、設設計單位共同同決策?？垢∷坏拇_確定依靠有經(jīng)驗的的專業(yè)人員，，在掌握充分分資料的基礎礎上綜合判斷斷。重要工程程有時需召開開專家會議集集體論證。與地震、洪水水等突發(fā)性災災害不同，地地下水位上升升不是突發(fā)事事件抗浮水位的確確定北京為例多年變化地下水的開采采水庫的蓄水放放水南水北調(diào)統(tǒng)一調(diào)配4.2多層地下水的的抗浮水位上層滯水的浮浮力實際上為“懸”水。粘土層A點點水壓為0，，B點水壓也也為0。多層潛水和承承壓水的浮力力由滲流計算決定砂土中的浮力只由由本層水測管管水頭決定；；粘土中則與其上層層水及下層水水之間關系有有關A地下結構在①①層（砂土）中,浮力按靜水壓壓力計；B處于②層（粘土）中，浮力在γwhl和0之間線性變化化；C在③層（砂土）中，浮力與潛水1無關，按潛水水2靜水壓力分布布；d.處于④層（粘土）中，浮力既與潛水水2有關，也與承承壓水1有關；e.處于⑤層（砂土）中時，浮力只與承壓壓水1有關，按靜水壓力?pw＝?Z·γw變化。浮力計算的其其他問題側(cè)壁摩阻力有有利于抗浮一般只作為安安全儲備，飽和軟粘土中中地下連續(xù)墻墻和沉井，上上浮產(chǎn)生負孔孔壓，不明顯顯上浮。但負負孔壓會逐漸漸消散，不能能用于永久建建筑設計地下室肥槽無無粘性土回填填，降雨充水水,從自由水面起起算的全部浮浮力。