1、水 利 工 程 地 基 处 理刘 川 顺 编 著武 汉 大 学 出 版 社图书在版编 目 （ CIP） 数据水利工程地基处理 刘 J 1J JI阪编 著 一 武汉 ：武汉大学出版 社 ， 2004. 3高等学校水利类教材ISBN 7 30 7Otll 07 3I .水 n .刘 Ill . 水利工程一地基处理 IV . TV223巾 国版本图书馆 CIP 数据核字（ 2003 ） 第 124887 号责任编辑 ： 阻扬悄 责任伎对 ： 王 建 版式设计 ：支 笛出版发 行 ： 武汉大学出版社 (130072 武昌 珞猢山 （电子邸 件 ： wdp.J whu. edu. en 网 J.tL ,
2、 www. wdp. whu. edu. en )印 刷 ： 武仅理工大印刷厂开本 ： 787 1092 1/16 印张 ： 11 字 数 ： 262 千字 版次 ： 200 1 年 3 月第 l I报 2004 年 3 月第 1次印刷 ISBN 7-307-0H07-3/TV 18 定价 ： 19. 00 元版权所 有 不得翻印 ： 凡购我壮 的 图书 如有缺页 、 但 j页 、脱页等 质 量 问 a. 请与当地图书销售部门 联系调换 内 容 提 要本 书 总 结 国 内 外 近 年 来 地 基 处 理 技 术 的 科 研 成 果 和 工 程 实 践 , 系 统 介 绍 了 在 水 利 工
3、程中 广 泛 应 用 的 地 基 处 理 新 技 术 。 全 书 共 八 章 , 包 括 地 基 处 理 基 础 知 识 、 垫 层 处 理 、 强 夯 法 、 碎 石 桩 、 深 层 搅 拌 法 、 高 压 喷 射 注 浆 法 、 冲 积 型 地 基 堤 坝 工 程 渗 流 控 制 和 土 工 合 成 材 料 。本 书 在 对 几 种 具 有 代 表 性 的 地 基 处 理 新 技 术 的 方 法 、 原 理 及 计 算 方 法 、 施 工 要 点 进 行 系 统 总 结 的 同 时 , 注 重 理 论 性 与 实 用 性 相 结 合 , 介 绍 了 较 多 的 水 工 地 基 处 理 工
4、程 实 例 , 可 作 为水 利 类 专 业 研 究 生 、 本 科 生 的 教 材 , 同 时 也 可 作 为 水 利 工 程 技 术 人 员 的 设 计 、 施 工 参 考 书 。前 言水 利 工 程 中 的 堤 防 、 土 石 坝 、 涵 闸 、 泵 站 、 渡 槽 等 水 工 建 筑 物 大 都 建 造 在 各 种 类 型 的 土 基 上 , 地 基 土 的 物 理 性 状 对 水 工 建 筑 物 的 工 作 状 态 和 安 危 有 着 直 接 的 影 响 。 实 践 表 明 , 大 部 分 水 工 建 筑 物 的 破 坏 或 失 事 是 由 于 地 基 缺 陷 或 基 础 设 计 不
5、 妥 造 成 的 。 饱 和 软 黏 土 地 基 上 的 大 量 水 闸 、 泵 房 建 筑 物 因 未 采 取 地 基 处 理 措 施 而 产 生 滑 移 、 倾 斜 和 裂 缝 。 建 造 在 砂 卵 ( 砾 ) 石 地 基 或 粉 细 砂 地 基 的 堤 坝 、 水 闸 、 泵 房 等 建 筑 物 , 由 于 缺 乏 有 效 的 渗 流 控 制 措 施 而 发 生 渗 透 变形 , 并 引 起 建 筑 物 的 塌 陷 、 滑 坡 或 倾 覆 。 因 此 在 水 利 工 程 建 设 中 , 做 好 地 基 的 勘 察 、 测 试 工 作 , 并 在 此 基 础 上 对 不 良 地 基 采
6、取 针 对 性 的 加 固 处 理 措 施 是 十 分 必 要 的 。 水 工 建 筑 物 地 基加 固 的 目 的 在 于 提 高 软 弱 地 基 的 强 度 , 保 证 地 基 的 稳 定 性 ; 减 小 地 基 的 压 缩 性 , 避 免 过 大 的地 基 沉 陷 及 不 均 匀 沉 陷 ; 控 制 地 基 ( 尤 其 是 砂 土 地 基 ) 渗 流 , 防 止 渗 透 变 形 。最 近 二 十 多 年 来 , 地 基 处 理 技 术 有 了 突 飞 猛 进 的 发 展 , 突 出 地 表 现 在 两 个 方 面 , 一 是 各种 复 合 地 基 处 理 技 术 的 诞 生 , 二 是
7、各 类 土 工 合 成 材 料 在 地 基 处 理 中 的 应 用 。 这 些 地 基 处 理新 技 术 的 共 同 特 点 是 地 基 处 理 效 果 好 、 施 工 效 率 高 、 工 程 费 用 低 , 已 经 成 功 应 用 于 多 项 实 际工 程 的 加 固 。 为 了 使 地 基 处 理 技 术 更 好 地 服 务 于 水 利 工 程 建 设 , 本 书 对 几 种 具 有 代 表 性 的地 基 处 理 新 技 术 进 行 了 系 统 总 结 , 同 时 也 包 括 了 作 者 本 人 近 年 来 的 一 些 研 究 成 果 , 注 重 阐 明 各项 地 基 处 理 技 术 的
8、方 法 、 原 理 及 计 算 方 法 、 施 工 要 点 , 力 求 实 用 性 与 理 论 性 相 结 合 。 全 书共 八 章 , 第 一 章 主 要 介 绍 与 水 工 地 基 处 理 相 关 的 土 力 学 基 础 知 识 , 并 提 供 了 不 同 土 质 的 一 些 重 要 物 理 、 力 学 指 标 , 以 便 读 者 在 地 基 加 固 设 计 时 参 考 ; 第 二 章 至 第 六 章 介 绍 了 目 前 国 内 较成 熟 的 地 基 处 理 方 法 , 它 们 分 别 是 : 垫 层 处 理 、 强 夯 法 、 碎 石 桩 、 深 层 搅 拌 法 和 高 压 喷 射 注
9、浆 法 ; 第 七 章 介 绍 冲 积 型 地 基 的 水 工 渗 流 控 制 方 法 及 设 计 方 案 及 相 关 的 渗 流 计 算 方 法 ; 第 八 章 介 绍 土 工 合 成 材 料 的 类 型 、 功 能 及 其 在 水 工 地 基 处 理 中 的 应 用 。 本 书 给 出 了 较 多 的 水 工 地基 处 理 实 例 , 以 便 读 者 加 深 理 解 并 在 实 际 应 用 时 参 考 。本 书 既 可 作 为 水 利 类 专 业 研 究 生 、 本 科 生 的 参 考 教 材 , 同 时 也 可 作 为 水 利 工 程 技 术 人 员 的 设 计 、 施 工 参 考 书
10、。由 于 作 者 学 识 有 限 , 书 中 错 误 、 疏 漏 之 处 在 所 难 免 , 敬 请 读 者 批 评 指 正 。本书 的 出 版 , 得 到 了 武 汉 大 学 “研 究 生 教 材 出 版 基 金” 的 资 助 , 作 者 对 此 表 示 衷 心 的 感谢 。作 者2003 年 9 月目 录前 言第 一 章 地 基 处 理 基 础 知 识 1第 一 节 水 工 地 基 处 理 的 任 务 、 目 的 和 方 法 1第 二 节 土 的 物 理 性 质 指 标 与 土 的 工 程 分 类 3第 三 节 土 的 压 缩 性 与 基 础 沉 降 6第 四 节 土 的 抗 剪 强 度
11、11第 五 节 地 基 承 载 力 12第 六 节 土 的 渗 透 性 17第 二 章 垫 层 处 理 23第 一 节 垫 层 的 作 用 及 适 用 范 围 23第 二 节 垫 层 设 计 24第 三 节 垫 层 施 工 30第 四 节 垫 层 处 理 工 程 实 例 32第 三 章 强 夯 法 36第 一 节 概 述 36第 二 节 强 夯 法 加 固 的 一 般 机 理 36第 三 节 强 夯 法 加 固 设 计 38第 四 节 强 夯 的 施 工 44第 五 节 强 夯 法 处 理 地 基 工 程 实 例 46第 四 章 碎 石 桩 48第 一 节 概 述 48第 二 节 振 冲 碎
12、石 桩 的 适 用 范 围 及 优 缺 点 48第 三 节 振 冲 碎 石 桩 的 加 固 机 理 49第 四 节 振 冲 碎 石 桩 的 设 计 计 算 51第 五 节 振 冲 碎 石 桩 的 施 工 59第 六 节 碎 石 桩 加 固 地 基 的 工 程 实 例 64第 五 章 深 层 搅 拌 法 72第 一 节 概 述 721第 二 节 深 层 搅 拌 法 的 加 固 机 理 74第 三 节 深 层 搅 拌 法 的 桩 身 材 料 及 物 理 力 学 性 质 76第 四 节 水 泥 深 层 搅 拌 桩 复 合 地 基 的 设 计 81第 五 节 水 泥 土 深 层 搅 拌 法 施 工 要
13、 点 88第 六 节 深 层 搅 拌 法 处 理 地 基 工 程 实 例 89第 六 章 高 压 喷 射 注 浆 法 106第 一 节 旋 喷 法 的 基 本 工 艺 及 浆 液 类 型 106第 二 节 高 压 喷 射 灌 浆 法 的 加 固 机 理 及 适 用 范 围 108第 三 节 旋 喷 桩 加 固 地 基 的 设 计 计 算 109第 四 节 高 压 喷 射 灌 浆 防 渗 体 的 形 状 及 连 接 形 式 110第 五 节 高 喷 灌 浆 工 艺 技 术 参 数 的 选 定 112第 六 节 高 喷 灌 浆 施 工 程 序 和 工 艺 113第 七 节 旋 喷 桩 处 理 地
14、基 工 程 实 例 115第 七 章 冲 积 型 地 基 堤 坝 工 程 渗 流 控 制 124第 一 节 堤 坝 工 程 渗 流 控 制 的 主 要 任 务 124第 二 节 堤 坝 渗 流 基 本 理 论 125第 三 节 堤 坝 工 程 渗 流 控 制 的 方 法 和 途 径 128第 四 节 冲 积 地 基 堤 坝 工 程 垂 直 防 渗 方 案 研 究 131第 五 节 堤 防 减 压 井 布 置 方 案 研 究 136第 六 节 冲 积 地 基 堤 坝 防 渗 加 固 实 例 140第 八 章 土 工 合 成 材 料 145第 一 节 土 工 合 成 材 料 的 种 类 145第
15、二 节 土 工 织 物 加 固 功 能 和 加 固 原 理 151第 三 节 土 工 织 物 的 加 固 设 计 153第 四 节 土 工 织 物 加 固 软 土 地 基 工 程 实 例 162参 考 文 献 16621第 一 章 地 基 处 理 基 础 知 识第 一 章 地 基 处 理 基 础 知 识第 一 节 水 工 地 基 处 理 的 任 务 、 目 的 和 方 法一 、 地 基 处 理 的 重 要 性 和 目 的任 何 水 工 建 筑 物 都 是 建 造 在 一 定 的 地 层 上 的 , 承 受 建 筑 物 荷 载 的 地 层 称 为 地 基 , 建 筑 物 向 地 基 传 递 荷
16、载 的 下 部 结 构 称 为 基 础 。实 践 表 明 , 大 部 分 水 工 建 筑 物 的 破 坏 或 失 事 是 由 于 地 基 缺 陷 或 基 础 设 计 不 妥 而 造 成 的 。 建在 软弱 地 基上 的水 闸 、 泵房 或渡 槽 等 建 筑 物 , 如 果 不 采 取 适 当 的 地 基 处 理 措 施 , 可 能 产 生 较 大 的 地 基 沉 陷 和 不 均 匀 沉 陷 , 轻 则 混 凝 土 结 构 产 生 裂 缝 , 闸 门 不 能 正 常 开 启 、 水 泵 不 能 正 常 运 用 , 重 则建 筑物 滑 移、 倾 倒。 建 在 砂 砾 石 地 基 或 粉 细 砂 地
17、 基 上 的 水 闸、 泵 房、 堤 坝 建 筑 物 , 如 果 不 采 取 适 当 的 防 渗 排 水 措 施 , 就 可 能 发 生 渗 透 变 形 , 使 地 基 淘 空 而 引 起 建 筑 物 倾 覆 或 堤 坝 塌 陷、 滑 坡 。因 此在 水工 建 筑物 设计 中 , 对 地 基 与 基 础 的 设 计 应 给 予 足 够 的 重 视 , 要 结 合 建 筑 物 的上 部结 构 情况 、 运用 条 件及 地基 土 的特 点 , 选 择 适 当 的 基 础 设 计 方 案 和 地 基 处 理 措 施 。二 、 地 基 处 理 的 对 象根 据 水 工 建 筑 物 因 地 基 缺 陷
18、而 导 致 破 坏 或 失 事 的 情 况 来 看 , 地 基 处 理 的 对 象 包 括 : 软 弱 地 基 和 高 压 缩 性 地 基 及 强 透 水 地 基 。 水 工 建 筑 物 不 良 地 基 有 以 下 几 种 常 见 类 型 :1 . 软 土软 土 包 括 淤 泥 及 淤 泥 质 土 。 软 土 的 特 点 是 含 水 量 高 、 孔 隙 比 大 , 压 缩 高 , 而 且 内 摩 擦 角 小 , 因 此 软 土 地 基 承 载 力 低 , 在 外 荷 载 作 用 下 地 基 变 形 大 。 软 土 的 另 一 特 点 是 渗 透 系 数 小 , 固 结 排 水 慢 , 在 比
19、较 深 厚 的 软 土 层 上 , 建 筑 物 基 础 的 沉 降 往 往 持 续 数 年 甚 至 数 十 年 之 久 。 软 土 地 基 的 这 些 特 点 对 建 筑 物 的 正 常 运 用 和 安 全 是 十 分 不 利 的 。2 . 冲 填 土冲 填 土 是 指 在 整 治 和 疏 浚 河 道 或 湖 塘 时 , 用 挖 泥 船 通 过 泥 浆 泵 将 泥 砂 或 淤 泥 吸 取 并 输送 到 岸 边 而 形 成 的 沉 积 土 , 亦 称 吹 填 土 。 以 黏 性 土 为 主 的 冲 填 土 往 往 是 欠 固 结 的 , 其 强 度 低 且 压 缩 性 高 , 一 般 需 经 过
20、 人 工 处 理 才 能 作 为 建 筑 物 基 础 ; 以 砂 性 土 或 其 他 颗 粒 为 主 的 冲 填土 , 其 性 质 与 砂 性 土 相 类 似 , 是 否 进 行 地 基 处 理 要 视 具 体 情 况 而 定 。3 . 杂 填 土杂 填 土 是 指 由 人 类 活 动 所 形 成 的 建 筑 垃 圾 、 生 活 垃 圾 和 工 业 废 料 等 无 规 则 堆 填 物 。 杂填土 成 分 复 杂 、 结 构 松 散 、 分 布 极 不 均 匀 , 因 而 均 匀 性 差 、 压 缩 性 大 、 强 度 低 。 未 经 人 工 处 理 的 杂 填 土 不 得 作 为 建 筑 物
21、基 础 的 持 力 层 。2 水 利 工 程 地 基 处 理4 . 松 散 粉 细 砂 及 粉 质 砂 土 地 基这 类 地 基 若 浸 水 饱 和 , 在 地 震 及 机 械 震 动 等 动 力 荷 载 作 用 下 , 容 易 产 生 液 化 流 砂 , 从 而 使 地 基 承 载 力 骤 然 降 低 。 另 外 , 在 渗 透 力 作 用 下 这 类 地 基 容 易 发 生 流 土 变 形 。5 . 砂 卵 石 地 基对于 中 小 型 水 闸 、 泵 房 等 建 筑 物 及 一 般 的 堤 防 、 土 坝 工 程 而 言 , 砂 卵 石 地 基 的 承 载 力 通常 能 满 足 要 求 。
22、 但 是 , 砂 卵 石 地 基 有 着 极 强 的 透 水 性 , 当 挡 水 建 筑 物 存 在 上 下 游 水 头 差 时 , 地 基 极 易 产 生 管 涌 。 所 谓 管 涌 是 指 在 渗 流 动 水 压 力 作 用 下 , 砂 卵 石 地 基 中 粉 砂 等 微 小 颗 粒首 先 被 渗 流 带 走 , 接 着 稍 大 的 颗 粒 也 发 生 流 失 , 以 致 地 基 中 的 渗 流 通 道 越 来 越 大 , 最 后 不 能承 受 上 部 荷 载 而 产 生 塌 陷 , 造 成 严 重 事 故 。 因 此 水 利 工 程 中 的 砂 卵 石 地 基 包 括 粉 细 砂 地 基
23、必 须 采 取 适 当 的 防 渗 排 水 措 施 。6 . 特 殊 土 地 基特 殊 土 地 基 一 般 带 有 地 区 性 特 点 , 包 括 湿 陷 性 黄 土 、 膨 胀 土 和 冻 土 等 。 湿 陷 性 黄 土 的 主 要 特 点 是 受 水 浸 润 后 土 的 结 构 迅 速 破 坏 , 在 自 重 应 力 和 上 部 荷 载 产 生的 附 加 应 力 的 共 同 作 用 下 产 生 显 著 的 附 加 沉 陷 , 从 而 引 起 建 筑 物 的 不 均 匀 沉 降 。 膨 胀 土 是 一 种 吸 水 显 著 膨 胀 而 失 水 显 著 收 缩 的 高 塑 性 土 , 这 种 地
24、 基 土 的 特 性 容 易 造 成建 筑 物 隆 起 或 下 沉 , 从 而 带 来 严 重 危 害 。冻土 是 指 气 温 在 零 度 以 下 时 出 现 固 态 冰 的 土 , 包 括 瞬 时 冻 土 、 季 节 性 冻 土 和 多 年 冻 土 。 其 中 , 季 节 性 冻 土 对 水 利 工 程 的 危 害 较 大 。 季 节 性 冻 土 因 其 周 期 性 的 冻 结 和 融 化 , 从 而 造 成 地 基 的 不 均 匀 沉 降 。总 之 , 不 同 性 质 土 基 的 缺 陷 会 给 水 工 建 筑 物 造 成 不 同 形 式 的 破 坏 , 水 工 地 基 处 理 的 目 的
25、 就 是 加 强 地 基 承 载 力 , 控 制 地 基 沉 陷 和 不 均 匀 沉 陷 、 防 止 地 基 发 生 渗 透 变 形 。三 、 地 基 处 理 的 方 法 和 类 型地 基 处 理 技 术 近 年 来 得 到 飞 速 发 展 , 人 们 可 以 根 据 具 体 的 需 要 、 地 基 特 点 和 施 工 条 件 选 择 合 适 的 地 基 处 理 方 法 。 目 前 水 利 工 程 中 常 用 的 地 基 处 理 方 法 及 适 用 范 围 见 表 1 -1。表 1 -1 水 工 地 基 处 理 方 法 类 型、 适 用 范 围及 加 固 原 理分 类 方 法 适 用 范 围
26、加 固 原 理碾 压 法适 用于 处 理 浅 层 软 土 地 基 、 湿 陷 性 黄 土 地 基 、 膨 胀土 地 基 、 季 节 性 冻 土 地 基、 素 填 土 和 杂 填 土 地基重 锤 夯 实 法 适 用于 地 下 水 位 以 上 稍 湿 的 黏 性 土 、 砂 土 、 湿 陷性 黄土 、 杂 填 土 及分 层 填 土 地 基换 土 垫 层 法 平 板 振 动 法 适 用 于 处 理 无 黏 性 土 和 透 水 性 强 的 杂 填 土 地 基挖除 浅 层 软 弱 土 或 不 良 土 , 回 填 砂 、 碎 石 、 粉 煤 灰 、 干 渣 、 灰 土 或 素 土等 作 为 垫 层 , 分
27、 层 碾 压 或 夯 实 , 从 而 增 加 抗 剪 强 度 、 承 载 力 , 减 小压 缩 性 , 防 止 冻 胀 作 用 , 消 除 湿 陷性 或 胀 缩 性 , 防 止 液 化深 层 密 实 法挤 密 法砂 桩 挤 密 法 和 振 动 水 冲 法 一 般 适 用 于 松 散 砂 土 和 杂 填 土 ; 土 桩 和 灰 土 桩 挤 密 法 一 般 适 用 于 地 下 水 位 以 上 深 度 小 于 10m 的 湿 陷 性 黄 土 或 人 工 填土 ; 石 灰 桩 适 用 于 软 弱 黏 土 和 杂 填 土挤 土 成 孔 , 从 侧 向 将 土 挤 密 , 回 填 碎石 、 砾 石 、 砂
28、、 石 灰 、 土、 灰 土 等 材 料 , 形 成 碎 石 桩 、 砂 桩 、 石 灰 桩 、 土 桩 、 灰 土 桩 等 , 与 桩 间 土 组 成 复 合 地基 , 提 高 地 基 承 载 力 , 减 少 沉 降量 , 消 除 土 的 湿 陷 性 或 液 化 性3第 一 章 地 基 处 理 基 础 知 识Ws W Ws W Ws V = V W = V = 1 +续 表分类 方 法 适 用 范 围 加 固 原 理强 夯 法适 用 于 碎 石 土 、 砂 土 、 素 填 土、 杂 填 土 和 低 饱 和 度的 粉 土 、 黏 土、 湿 陷 性 黄土利 用 夯 击 能 , 使 深 层 土 液
29、 化 和 动 力固 结 , 从 而 使 土 体 密 实排 水 固 结 法堆 载 预 压 法 真 空 预 压 法 降 水 预 压 法适 用 于 处 理 厚 度 较 大 的 饱 和 软 土 和 冲 填 土 地 基通 过 布 置 垂 直 排 水 井 , 改 善 地 基 排 水条 件 , 并 采 取 加 压 、 抽 气 、 抽 水 等 措 施 , 加 速 地 基 的 固 结 和 强 度 增 长加 筋 土 加 筋 土 适 用 于 堤 坝 、 水 闸 、 泵 房 等 建 筑 物 软 基 加固 , 常 配 合 换 土 回 填 垫 层 使 用在人 工 填 土 的 堤 坝 、 挡 墙 结 构 及 其 基 础 和
30、 其 他 建 筑 物 地 基 铺 设 钢 带 、 钢条、 尼 龙 绳 、 玻 璃 纤 维 或 土 工 聚合物 , 使 这 种 人 工 复 合 的 土 体 具 有抗拉 、 抗 压 、 抗 弯 、 抗 剪 作 用 , 提 高加 筋 法 土 工 织 物 适 用 于 砂 土 、 黏 土 和 软 土承 载 力 , 增 加 稳 定 性 , 减 少 沉 降灌 浆 法适 用 于 处 理 岩 基 、 砂 土 、 粉 土 、 淤 泥 质 黏 土 、 粉 质黏 土 、 黏 土 和一 般 填 土通 过 注 入 水 泥 浆 液 或 将 水 泥 浆 液 进行 喷 射 或 机 械 搅 拌 , 使 土 粒 胶高 压 喷 射
31、注 适 用 于 处 理 淤 泥 质 土 、 黏 性 土 、 粉 土 、 砂 土 、 人 工结 ,从 而 提 高 地 基 承 载 力 , 减 少 沉浆 法 填 土 等 地 基 及 砂 卵 石 地 基水 泥 土 搅 适 用 于 处 理 淤 泥 质 土、 粉 土 和 含 水 率 较 高 且 承 载 降 ,防 止 砂 土 液 化 , 防 止 地 基 或 人化 学 加 固 法 拌 法 力 较 低 的 黏 性 土 工 填土 ( 堤 防 、 土 坝 等 )渗 漏第 二 节 土 的 物 理 性 质 指 标 与 土 的 工 程 分 类一 、 土 的 物 理 性 质 指 标1 . 容 重 ( )具 有 天 然 结
32、 构 和 湿 度 的 土 重 ( W ) 与 其 体 积 ( V ) 之 比 , 即 为 土 的 容 重 ( 又 称 为 天 然 容 重或 湿 容 重 ) , 用 表 示 :2 . 含 水 量 ( w )= WV ( 单 位 : g/ cm3 或 kN/ m3 ) ( 1 -1)土 中 水 重 ( W w ) 与 固 体 颗 粒 重 ( Ws ) 之 比 , 即 为 土 的 含 水 量 , 用 w 表 示 :W w 100 ( % ) ( 1 -2)3 . 干 容 重 ( d )w = Ws土 的 固 体 颗 粒 重 与 土 体 积 之 比 , 即 为 土 的 干 容 重 , 用 d 表 示
33、:3 3 d =4 . 土 粒 比 重 ( Gs )Ws + W w w ( 单 位 : g/ cm 或 kN/ m ) ( 1 -3)土 的 固 体 颗 粒 重 与 其 同 体 积 ( Vs ) 水 重 之 比 , 即 为 土 的 比 重4 水 利 工 程 地 基 处 理V VV vGs = Ws 1 sV = ( 1 -4)s w w3 3式 中 : s 为 土 粒 密 度 ( 单 位 : g/ cm5 . 孔 隙 比 ( e ) ; w 为 水 的 密 度 ( 取 为 1g/ cm ) 。土 的 孔 隙 体 积 ( V v ) 与 固 体 颗 粒 体 积 ( Vs ) 之 比 , 即 为
34、 土 的 孔 隙 比6 . 孔 隙 率 ( n)V ve = Vs =V - VsVs =VVs - 1 ( 1 -5)土 的 孔 隙 体 积 与 土 体 积 之 比 , 即 为 土 的 孔 隙 率V v V v Vs Vv Vs e7 . 饱 和 度 ( Sr )n = V = VsV = Vs Vs + Vv = 1 + e ( 1 -6)土 孔 隙 中 水 的 体 积 ( V w ) 与 孔 隙 体 积 之 比 , 即 为 土 的 饱 和 度V w V w V s Ws V w V s Ws W w Vs Gs wSr =V v = =Vs Vv =s Ws Vv =s Ws Vv e(
35、 % ) ( 1 -7)8 . 饱 和 容 重 ( sa t )孔 隙 中 全 部 充 满 水 ( 即 Sr = 100 % ) 时 的 土 重 与 其 体 积 之 比 , 即 为 土 的 饱 和 容 重V vWs + V v w ( Gs Vs + V v ) w Gs + V w ( G + e) sa t = V = Vv s+ Vs = s w= e + 19 . 浮 容 重 ( )Vs + 1( 单 位 : g/ cm3 或 kN/ m3 ) ( 1 -8)地 下 水 位 以 下 的 土 受 水 的 浮 力 作 用 , 其 单 位 体 积 土 体 的 有 效 重 , 即 为 土 的
36、浮 容 重Ws + V v w - V w 3 3 =V = sa t - 1 ( 单 位 : g/ cm或 k N/ m ) ( 1 -9)二 、 土 的 物 理 状 态 指 标1 . 无 黏 性 土 的 相 对 密 实 度 ( Dr )相 对 密 实 度 是 反 映 砂 石 、 碎 石 土 疏 松 状 态 的 物 理 指 标 , 由 下 式 确 定 :ema x - e0 ( d - d m i n ) d m a xDr = ema x=- em i n ( d m a x - d m i n ) d(1 -10)式 中 : e0 为 无 黏 性 土 的 天 然 孔 隙 比 或 无 黏
37、性 填 土 的 填 筑 孔 隙 比 ; em ax 为 无 黏 性 土 的 最 大 孔 隙比 ; em i n 为 无 黏 性 土 的 最 小 孔 隙 比 ; d 为 无 黏 性 土 的 天 然 干 密 度 或 填 筑 干 密 度 ; d m a x 为 无 黏 性 土 的 最 大 干 密 度 ; d m in 为 无 黏 性 土 的 最 小 干 密 度 。最 小 干 密 度 是 把 烘 干 土 料 以 25mm 的 自 由 落 高 , 散 落 在 一 定 容 积 的 容 器 内 , 测 定 其 体 积 V , 称 其 质 量 ms , 则 得 到 d m i n = ms/ V ; 最 大
38、干 密 度 d m a x 是 把 一 定 量 的 烘 干 土 料 装 入 容 器 , 在 施 加 一 定 的 压 重 下 , 放 在 振 动 台 上 振 密 , 测 出 振 密 后 的 体 积 , 称 量 其 质 量 , 然 后 计 算 求 得 。工 程 上 , 按 相 对 密 实 度 将 无 黏 性 土 划 分 为 三 种 状 态 :0 15 时 , 为 颗 粒 不 均 匀 或 级 配 良 好 的 土 。 土 料 的 Cu 越 大 , 填 筑 时 越 容 易 得 到 较 小 的 孔隙 比 。三 、 土 的 工 程 分 类土 的 分 类 指 标 很 多 , 目 前 土 的 分 类 体 系 繁
39、 杂 多 样 , 不 仅 各 国 尚 未 统 一 , 而 且 在 国 内 各 个行 业 部 门 也 都 制 定 了 本 专 业 的 分 类 体 系 。 我 国 目 前 倾 向 于 以 土 的 颗 粒 组 成 特 征 、 塑 性 指 标 作 为 划 分 土 类 的 依 据 。 在 区 分 土 类 时 采 用 表 1 -2 所 列 的 粒 组 划 分 , 然 后 按 塑 性 指 标 将 粗 粒土 和 细 粒 土 进 一 步 细 分 ( 见 表 1 -3 ) 。表 1 -2 粒 组 划 分粒 组 名 称 粒 径 d 范 围 ( mm) 粒 组 统 称漂 石 (块 石 ) 粒卵 石 (碎 石 ) 粒
40、200200 60巨 粒砾 粒 粗 砾 细 砾砂 砾60 2020 22 0 .075粗 粒粉 粒黏 粒0 .0750 .0050 .5 的 粉 土0 1 .1红 黏 土含 水 比 w 0 .8含 水 比 w 0 .800 .151 .21 .4e 及 IL 均 小 于 0 .85 的 黏 性 土 0 .3 1 .6e 0 .8 饱 和 ; (2 ) 含 水 比 w = w/ wL 。第 六 节 土 的 渗 透 性一 、 水 工 渗 流 及 其 危 害流 体 在 多 孔 介 质 中 的 运 动 称 为 渗 流 。 水 工 渗 流 主 要 涉 及 水 在 土 体 ( 含 风 化 岩 体 ) 孔
41、隙 中 的 运 动 。 水 利 水 电 工 程 中 由 于 广 泛 建 造 堤 、 坝 、 围 堰 、 水 闸 等 挡 水 建 筑 物 形 成 了 水 头 差 , 这 些 建 筑 物 或 其 地 基 通 常 是 透 水 的 多 孔 介 质 ( 土 或 风 化 岩 石 ) , 因 此 , 水 工 渗 流 现 象 十 分 普 遍 。水 工 渗 流 造 成 多 方 面 的 危 害 。 渗 流 造 成 水 库 、 渠 道 水 量 损 失 , 渗 流 使 堤 坝 、 围 堰 土 体 饱和 , 降 低 坝 体 的 有 效 应 力 , 从 而 降 低 抗 剪 强 度 , 可 能 导 致 坝 坡 失 稳 ;
42、建 筑 物 地 基 中 的 有 压 渗 流 同 样 降 低 地 基 抗 剪 强 度 , 并 同 时 对 建 筑 物 底 板 产 生 扬 压 力 而 导 致 抗 滑 、 抗 倾 安 全 度 的 降 低 。 水 工 渗 流 最 直 接 最 严 重 的 危 害 是 当 渗 透 坡 降 过 大 时 , 造 成 堤 坝 或 建 筑 物 地 基 中 的 土 体 颗 粒流 失 , 发 生 渗 透 变 形 , 从 而 使 堤 坝 塌 陷 溃 决 和 建 筑 物 滑 移 、 倾 覆 。18 水 利 工 程 地 基 处 理二 、 达 西 定 律1856 年 , 法 国 工 程 师 亨 利 达 西 ( H .Dar
43、cy ) 通 过 对 装 在 圆 筒 中 的 均 质 砂 土 进 行 渗 透 试 验发现 , 通 过 两 个 渗 流 断 面 间 的 平 均 渗 流 流 速 , 正 比 于 两 断 面 间 的 水 头 差 h , 反 比 于 渗 径 长度 L , 且 与 土 粒 结 构 及 流 体 性 质 有 关 。 这 就 是 著 名 的 达 西 定 律 , 可 用 公 式 表 达 为v = - k h = - k d h = kJ (1 -39)L d s2式中 : h 为 测 压 管 水 头 , h = z + p + v2 g2, z 为 位 置 高 度 , p 为 压 强 , 为 水 的 容 重 ,
44、 因 为 渗流 的 流 速 v 一 般 很 小 , 流 速 水 头 v2 g可 忽 略 , 故 h = z + p ; k 为 反 映 土 粒 结 构 及 流 体 性 质的 系 数 , 即 渗 透 系 数 , 对 于 某 一 具 体 的 流 体 ( 比 如 水 ) 而 言 , k 值 仅 与 土 粒 结 构 有 关 ; J 为 渗 透坡 降 , J = d h 。d s式 中 的 负 号 “ - ”表 示 水 总 是 流 向 水 头 减 小 的 方 向 。应 当 注 意 , 达 西 定 律 中 的 流 速 是 全 断 面 上 的 平 均 流 速 v , 而 不 是 土 体 孔 隙 中 的 流
45、速 v ,这 两 种 流 速 存 在 以 下 关 系 :v = n v (1 -40)式 中 : n 为 体 积 孔 隙 率 , 可 见 达 西 流 速 小 于 土 体 孔 隙 中 的 流 速 。还 应 注 意 , 达 西 定 律 只 能 适 用 于 层 流 状 态 的 渗 流 运 动 。 在 水 利 工 程 中 , 除 了 堆 石 坝 、 堆 石 排 水 体 等 大 孔 隙 介 质 中 的 渗 流 为 紊 流 之 外 , 绝 大 多 数 渗 流 都 属 于 层 流 , 达 西 定 律 都 可 适用 。 对 于 非 层 流 渗 流 , 其 流 动 规 律 可 用 以 下 公 式 形 式 表 达
46、 :1 v = kJ m (1 -41)上 式 中 当 m = 1 时 , 为 层 流 渗 流 ; 当 m = 2 时 , 为 完 全 紊 流 渗 流 ; 当 1 1 .0 流 土 破 坏4 pf ( 1 - n ) 1 .0 管 涌 破 坏 (1 -45)式中 : n 为 孔 隙 率 ; pf 为 小 于 无 黏 性 土 中 粗 细 颗 粒 分 界 粒 径 df 的 土 粒 百 分 比 含 量 ( % ) , df由 式 (1 -46 ) 确 定df = 1 .3 d1 5 d8 5 (1 -46)式 中 : df 为 粗 细 颗 粒 分 界 粒 径 ( mm ) ; d1 5 、 d8 5
47、 分 别 为 土 颗 粒 级 配 曲 线 上 小 于 含 量 15 % 、 85 %的 颗 粒 的 粒 径 ( mm ) 。4 . 土 的 抗 渗 强 度上 面 叙 述 了 渗 透 变 形 的 形 式 及 各 种 渗 透 变 形 可 能 发 生 在 何 种 土 体 的 条 件 , 至 于 是 否 会发 生 渗 透 变 形 , 还 要 看 土 体 是 否 具 备 足 够 的 抗 渗 强 度 。 土 的 抗 渗 强 度 包 括 抗 渗 临 界 坡 降 Jcr 和 允 许 坡 降 JB , JB 由 Jcr 除 以 安 全 系 数 Fs 得 到 。(1 ) 发 生 流 土 的 临 界 坡 降流 土
48、既 可 能 发 生 在 无 黏 性 土 , 也 可 能 发 生 在 黏 性 土 , 这 两 类 土 的 流 土 临 界 坡 降 是 不 一 样 的 。 对 于 无 黏 性 土 , 流 土 临 界 坡 降 多 由 太 沙 基 公 式 或 王 韦 公 式 计 算 , 对 于 黏 性 土 , 流 土 临 界21第 一 章 地 基 处 理 基 础 知 识0坡 降 可 由 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 公 式 估 算 。a) 太 沙 基 流 土 临 界 坡 降 公 式太沙 基 认 为 , 在 流 土 即 将 发 生 的 瞬 间 , 单 位 体 积 土 体 的 有 效 重 量 ( 1 - n
49、 ) = ( s - w ) ( 1 - n) 与 作 用 在 该 土 体 上 的 渗 流 力 w J 处 于 极 限 平 衡 状 态 , 由 此 导 出 流 土 的 临 界 坡 降 为Jcr = s w - 1 (1 - n ) (1 -47)式 中 : w 、 s 分 别 为 水 的 容 重 和 土 粒 容 重 ; n 为 土 体 的 孔 隙 率 。b) 王 韦 流 土 临 界 坡 降 公 式南 京 水 利 科 学 研 究 院 王 韦 1960 年 对 太 沙 基 流 土 临 界 坡 降 公 式 作 了 改 进 , 他 认 为 发 生 流 土 时 , 渗 流 力 不 仅 要 克 服 土 的 有 效 重 量 , 还 要 克 服 土 的 有 效 重 力 引 起 的 侧 压 力 所 产 生 的 摩 阻 力 , 由 此 得 到 下 面 的 流 土 临 界 坡 降 公 式 sJcr = - 1 (1 - n ) ( 1 + tan ) (1 -48)w式 中 : 为 内
