渗透变形与地面沉降
第六章渗透变形
原地下水
降水后 水位线
§2
渗透变形产生的条件
1. 渗透变形的动力----动水压力 当动水压力>岩土抗渗强度（岩土抵抗 渗透水流作用的能力），产生渗透变形。 一、渗流的动水压力及临界水力梯度 渗透压力：dP=dw· w· dh · g 动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透 压力
dP dh D＝ ρ g ρ g I dw dl dl 饱水土体重量：dW ρ sat g dl dw 水的重量：dF ρ g dl dw
多薄层型:多位于河流下游 ，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组 成，主要取决于表层是否存在粘性土，其性质、厚度和完整程度如 何。如含粘性土夹层和透镜体，对土层渗透性和动水压力有一定影 响，可使局部地段水利梯度较大，而引起渗透变形。
• 2.地形地貌条件 • 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的 长度、出口条件等 四、工程因素 • 渗流出口的保护 • 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透 水层
水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat- )· g· dl· dw =’ ·g·dl· dw
当dP=dQ时，土颗粒处于平衡状态
当dp=dQ时，单元土体处于悬浮状态，发生流土。
此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr 。 即有：w· g· dw · dh = ’ ·g·dl· dw Icr = dh/dl = ’ / Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式 dh/dl= ’ /
四、确定临界水力梯度与允许水力梯度 I cr I 允＝ m 1 允许水力梯度： m m与地质条件和工程重要性有关：
一般砂土：m＝1.5~3.0
粘性土：m＝2.5~4.0 五、渗透变形可能性判定 I实>I允 发生渗透变形 I实<I允 不发生渗透变形
浅谈土体渗透变形对地基沉降的影响
浅谈土体渗透变形对地基沉降的影响作者：刘通灵李勇杰来源：《科学与财富》2019年第08期摘要：在日常的生活中以及工程的建设过程中，土是密不可分的一部分，是重要的实体对象。
土是岩石风化的产物，在自然的环境之中，岩石经历不断风化的作用以及不断的剥蚀，将会分解成大小不一样的颗粒物质，这些经历风化的颗粒物在经过大自然的搬运之后，就会不断的进行沉降，最终成为了沉降物。
这个沉降物就是土，它具有很多的特点，对人们的生活有着十分重要的影响，在人们的工程活动过程中，土体的特性也会对整个工程造成严重的影响。
本文在土地力学的基础上，结合实际的情况以及显示生活中的实例，对土的强度，渗漏，变形以及稳定性做出了简要的研究，讲述了这些因素对施工工程的影响，以及和整个工程的关系。
关键词：土地;强度;渗透;变形;影响引言：渗透水流是作用在岩土上的一种力，一般情况下被称为渗透压力或者动水压力，当这种力达到一定的数值的时候，岩土中的某些颗粒就会发生移动甚至会被渗流带走，这样就容易引起岩土的结构变松，强度会变低，严重的时候会发生破坏，这种工程动力地质作用或者现象就会被称为渗透变形或者渗透破坏。
在自然工程中，渗透变形一般不被不发生在无粘性土或者粉土之中。
土的渗透变形会对工程以及地面沉降造成影响。
1土体的渗透变形土体的渗透变形会对地基的沉降造成影响。
在工程施工的过程中，因为土体的颗粒级配和土体结构的不同，土的渗透变形通常会被分成流土，管涌，接触冲刷，接触流失这四种方式。
流土一般是指在渗流的作用之下，有些土体的表面会出现隆起的现象，会出现土粒群动面流失的现象，通常会发生在地基之上或者是在土坝下面。
管涌一般是在渗流的作用之下，出现土体被冲走的现象，一般会发生在砂砾石地基或者是粗细颗粒混杂不均匀的地基之中。
接触冲刷是当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面，或者是当建筑物和地基的接触面发生流动的时候，沿着接触面会带走细的颗粒就会被称为接触冲刷。
接触流失是指在层次分明，渗透系数相差较远的土层之中，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，这种现象就被称为接触流失。
渗透变形预测与防治
水泥土搅拌桩可适用于一般基坑支护和止水，施 工教方便，成本较低，缺点是强度不是特别大。 混凝土桩优点强度大，可支护深度大，承载力强， 支护效果好。缺点是成本高，施工复杂。 图钉墙施工快捷，成本较低。缺点是需要先开挖 再施工，且需要放坡。
三、渗透防治方法
1.流沙的防治
1.3盾构法
（1）概念
示踪法精品资料防治方法施工时流沙的防治汲水井防治管涌的措施土石坝防治渗透变形人工降低潜水位板桩防护墙盾构法沉井式支护掘进管涌图解反滤层反滤层分类反滤层要求反滤层设计反滤层构造基本介绍土石坝分类土石坝构造土石坝的渗流分析防治措施防治工艺精品资料人工降低地下水位的方法有轻型井点喷射井点电渗井点管井井点及深井泵井点等
盾构法
土石坝防治 渗透变形
基本介绍
土石坝构造
土石坝分类
土石坝的渗流 分析
防治措施
防治工艺
三、渗透防治方法
1.流沙的防治
1.1人工降低潜水位 人工降低地下水位的方法有轻型井点、喷射井点、电 渗井点、管井井点及深井泵井点等。 ⑴ 轻型井点 就是沿基坑四周将许多直径较小的井点管买入蓄水层内， 井点管上部与总管连接，通过总管利用抽水设备将地下水从 井点管内不断抽出，使原有的地下水位降至坑底以下。此种 方法适用于土壤的渗透系数K=0.1~50m/d的土层中 ⑵ 喷射井点 当基坑开挖较深，采用多级轻型井点不经济时，宜采用 喷射井点，其降水深度可达8~20m。喷射井点设备由喷射井 管、高压水泵及进水、排水管路组成。喷射井管由内管和外 管组成，在内管下端装有喷射扬水器与滤管相连，当高压水 经内外管之间的环形空间由喷嘴喷出时，地下水即被吸入而 压出地面。
盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一 种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进， 通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道 内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体 开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加 压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的 一种机械化施工方法。
水
潜水的补给与排泄
大气降水 河流补给潜水
泉
潜水补给河流
承压水（自流水）的循环
• 承压水的形成：向斜构造和单斜构造 • 承压水的补给区和分布区不一致 • 补给区远小于分布区 径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区 与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关 最适宜形成承压水的地质构造有：
纯水的密度为0.981t/m3 密度 地下淡水的密度认为与纯水密度相同 溶解盐分愈多，密度愈大，有的可达1.2～1.3 t/m3
导电性
地下水的导电性取决于所含电解质的数量和质量，即各种离子 的含量与其离子价：离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电 性愈强。水温对导电性也有影响。
放射性
地下水在特殊储藏环境下，受到放射性矿物的影响，具有一定 的放射性，如：堆放废弃的核燃料，会引起周围岩土体及其中 的水体带有放射性。
1. 地表塌陷 2. 地面沉降 地下水位下降 3. 海(咸)水入侵 引起的工程地质 4. 地裂缝的产生与复活 问题 5. 地下水源枯竭、水质恶化 海水入侵
莱州湾渤海沿岸的某些地区海水入侵到大陆内纵深10余公里， 海水入侵面积已达到八百多平方公里，每年减产粮食2-3亿公 斤，工业损失2-3亿元，累计工农业损失计50亿元之多。上海、 天津、美国、日本、以色列、荷兰 、澳大利亚等滨海城市都 存在海水入侵问题。
西 藏 热 水 井 喷 发
承压水：埋藏并充满在两个隔水层之间的含水
层中的地下水，是一种有压重力水 承 压 水 埋 藏 示 意 图
1.2 地下水的分类： 泉：地下水在地表的天然出露
按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露原因分为侵 蚀泉、接触泉和断层泉。 河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河 谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称 为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触 面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡， 当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。
工程地质学基础(完整版)
绪论蒲博文工程地质学：是地质学的分支学科，它研究与工程建设有关的地质问题、为工程建设服务，属于应用地质学的范畴。
工程地质学的主要任务：❶阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利和不利的因素。
❷论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，做出确切的结论。
❸选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物。
❹研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议。
❺根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求。
❻为拟定防治和改善不良和地质作用的措施方案提供地质依据。
工程地质学的基本研究方法：自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法、工程地质类比法。
工程地质条件：是指与工程建筑有关的地质因素的综合。
地质因素包括岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材料等方面，它是一个综合的概念。
工程地质问题：是指工程地质条件与建筑物之间所存在矛盾。
第四章活断层与地震活断层：一般是是指近期曾有过活动或正在活动或将来有可能重新活动的层。
活断层的基本特征：❶活断层的继承性与反复性。
❷活断层是深大断裂复活运动的产物。
❸活断层的活动方式。
（一种是以地震方式产生间歇性的突然滑动称之为地震断层或者粘滑性断层。
一种是沿断层面两侧岩层连续缓慢的滑动称之为蠕变断层或者蠕滑型断层）活断层的鉴别：❶地质、地貌和水文地质特征①地质特征：最新沉积物的地层错开，是鉴别活断层最可靠的依据。
②地貌特征：活断层往往是两种截然不同的地貌单元的分界线，并加强各地貌单元的差异性。
活断层往往构成同一地貌单元或地貌系统的分解和异常。
走滑型的活断层可使穿过它的河流、沟谷方向发生明显的变化。
在活动断裂带上，滑坡、崩塌和泥石流等工程动力地质现象常呈线性密集分布。
③水文地质方面：活动断裂带的透水性和导水性较强，因此当地型、地貌条件合适时，岩断裂带泉水常呈线性分布，且植被发育。
地基处理中的地面沉降问题
地基处理中的地面沉降问题地基处理是建筑工程中至关重要的一步，它对整个建筑的稳定性和安全性起着决定性的作用。
然而，地基处理中常常会遇到一个棘手的问题，那就是地面沉降。
地面沉降不仅会给建筑物带来危害，还可能对周边环境和民生造成严重影响。
本文将探讨地基处理中的地面沉降问题，并提出一些解决方案。
一、地面沉降的原因地面沉降是指土地表面由于各种原因而产生的下沉现象。
主要原因包括以下几点：1. 自然沉降：土壤本身存在固有的自然沉降现象，这是由于土壤颗粒间排列结构的调整和重力作用所导致的。
2. 湿陷沉降：在湿润地区，土壤中的饱和含水层经受荷载作用后，水分排出，土壤发生不均匀沉降。
3. 工程施工引起的沉降：施工过程中，土壤受到震动、挤压等力的作用，导致土壤颗粒重新排列，从而引起地面沉降。
二、对地面沉降的影响地面沉降对建筑物和环境都会带来严重的影响，具体表现为以下几个方面：1. 建筑物损坏：地面沉降使建筑物的基础承受不均匀的荷载，导致建筑物的结构受损甚至倒塌。
2. 土地沉降导致市政设施破损：地面沉降会使地下管道、道路和桥梁等市政设施发生位移和破损，给城市的正常运转带来严重威胁。
3. 水体泛滥：地面沉降导致水体在原本排水顺畅的区域堵塞，进而引发水体泛滥，造成洪涝灾害。
三、解决地面沉降问题的方案针对地面沉降问题，科学有效的解决方案是十分必要的。
下面将介绍几种常用的处理方法：1. 加固基础：对于已经存在地面沉降问题的建筑物，可以通过增加地基的支撑力或补充土壤来加固基础，以增强其承载能力。
2. 植物修复：通过植物修复技术，引入特定的植物来提高土壤的稳定性和保水性，从而减少地面沉降。
3. 沉降监测与预测：定期进行地面沉降监测，及时了解沉降情况，并进行预测，可以帮助及早发现并解决地面沉降问题。
4. 合理规划与管理：在规划和管理建筑项目时，要合理选择建筑地点，避免在易受地面沉降影响的地区建设，有条件的话可以选择进行地基处理，以降低地面沉降的风险。
地面沉降的研究
地面沉降的研究牛正军【摘要】The paper introduces the reason and mechanism of the ground subsidence, the calculating forecasting model, the inspection technical measures and the prevention measures, has the factual summary of the inspection forecasting and prevention measures, so as to direct the correct forecasting of the ground subsidence and adopt reasonable prevention measures.%系统介绍了地面沉降产生的原因机理、计算预测模型,监测技术手段以及防治措施,并对监测预报以及防治措施进行了较具体的总结,以指导正确预测地面沉降,从而采取合理的预防措施。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)023【总页数】3页(P76-78)【关键词】地面沉降;机理;计算预测模型;防治措施【作者】牛正军【作者单位】安徽省化工设计院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TU4330 引言地面沉降是人为的或自然的因素作用下，由于地壳表层土体受力压缩导致的区域性地面标高整体下降的一种环境和地质现象，是一种无法补偿的永久性环境破坏和资源损失［1］。
地面下沉将引起一系列的危害，如道路、房屋开裂，基础设施遭到破坏及地下水资源恶化等。
根据长江三角洲、华北地区等的研究，据统计，建国以后，仅地面沉降及地裂两项造成的经济损失就达4 500亿元～5 000亿元人民币。
包括直接经济损失350亿元～400亿元人民币，年均损失90亿元～100亿元人民币，年均直接经济损失8亿元～10亿元人民币［2］。
地下水
地下水定义：地下水是赋存于地表以下岩土空隙中的水，主要来源于大气降水，经土壤渗入地下形成的。
地下水是地质环境的组成部分之一，能影响环境的稳定性。
主要表现在：地基土中的水能降低土的承载力；基坑涌水不利于工程施工；地下水常常是滑坡、地面沉降和地面塌陷发生的主要原因；一些地下水还腐蚀建筑材料。
第一节地下水概述1．地下水：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水以及结晶水和结构水。
重力水（自由水）：不受静电引力影响，在重力作用下运动，可传递静水压力，能产生浮托力、孔隙水压力，在运动过程中产生动水压力，具有溶解能力。
2．含水层：在正常的水力梯度下，饱水、透水并能给出一定水量的岩土层。
含水层的形成必须具备的条件：岩土层中有较大（指能透水）的空隙；含水层要为隔水层所限，以便地下水汇集不至流失；含水层要有充分的补给来源。
3．隔水层：在正常的水力梯度下，不透水或透水相对微弱的岩土层。
它可以是含水甚至饱水（如粘土），也可以是不含水的（如致密的岩石）。
4．滞水层：弱透水层。
5．岩土的水理性质：指岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质。
（1）容水度：岩土孔隙完全被水充满时的最大的水体积与土体积之比。
（2）持水度：饱和岩土在重力作用后，保持在土中水的体积与土体积之比。
这部分滞留土中的水为结合水和毛细水。
（3）给水度：在重力作用下排出的水的体积与岩土体积之比。
（4）透水性：岩土允许重力水渗透的能力。
用渗透系数表示。
（5）达西定律：地下水线性渗透的基本规律。
Q=kiA; v=ki第二节地下水类型地下水按埋藏条件可分为：包气带水、潜水、承压水。
按含水介质类型分为：孔隙水、裂隙水、岩溶水。
地面以下、稳定地下水面以上为包气带。
稳定地下水面以下为饱水带。
1．包气带水：处于地表面以下、潜水位以上的包气带岩土层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳（粘土裂隙）中季节性存在的水。
2．潜水：埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上具有自由面的重力水。
《地面沉降》课件
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
治理方法
注浆加固
通过注浆技术向地层注入浆 液，增强地层强度，提高地 层的承载能力，防止地面沉 降进一步发展。
回填土方
对于已经发生沉降的区域， 通过回填土方、夯实等方法 ，增加地表的承载能力，防 止沉降继续扩大。
排水固结
通过排水系统降低地下水位 ，使土层固结压密，提高土 层的承载能力，减缓地面沉 降。
定性，可能导致地面沉降。
地质结构
土壤和岩石的分布、厚度、层理等 地质结构因素，影响土壤的应力分 布和传递，可能导致地面沉降。
地下水位
地下水位的高低直接影响土壤的含 水量和承载能力，进而影响土壤的 稳定性，可能导致地面沉降。
2023
PART 03
地面沉降的监测与评估
REPORTING
监测方法
水准测量法
2023
《地面沉降》PPT课 件
REPORTING
2023
目录
• 地面沉降概述 • 地面沉降的原因 • 地面沉降的监测与评估 • 地面沉降的防治措施 • 地面沉降的案例分析
2023
PART 01
地面沉降概述
REPORTING
定义与特征
定义
地面沉降是指地表在自然或人为 因素作用下，发生地面高程下降 的现象。
评估指标
沉降速率
衡量地面沉降变化快慢的指标，通常 以每年沉降多少毫米或厘米来表示。
累计沉降量
地面沉降发生以来累计沉降的大小， 是衡量地面沉降程度的重要指标。
沉降范围
地面沉降发生的区域范围，通常以面 积或长度、宽度表示。
地面稳定性评估
根据监测数据评估地面的稳定性，判 断是否可能发生进一步沉降或对地面 设施的安全性产生影响。
渗透变形与地面沉降
（5）因为不均匀旳地面沉降，致使地下管道旳坡度变化，地下
管道断裂。墨西哥市旳建筑物也因不均匀沉降而造成不允许
旳倾斜，甚至破坏。给水管网也有破坏和失调旳情况。
（6）过大旳地面沉降，造成严重旳地面位移。
EXIT
地面沉降旳成因：
思索题6
过量开采地下水是地面沉降旳外因，中档、高压缩性粘性土和承
压含水层旳存在是地面沉降旳内因。因而大多数人以为沉降是因
中国地面沉降情况（1993）
省 （区、市）
面积 （km2 ）
上海 850
天津 江苏 浙江 山东 10000 379.5 262.7 526
中国地面沉降情况（1993）（续表）
省（自治区、市）
陕西
河南
河北
安徽
山西
北京
广东
福建
合
计
面积（km2 ） 177.2 59
3.6×104 360 200
313.96 0给量，采用人工方法把地表水灌入地下，提升地下
水位，着才是主动旳有效措施。控制我国上海市地面沉 降就是采用人工回灌补给地下水位旳方法。水灌入地下， 以增长水源，提升水位。
地面沉降防治配套措施主要涉及：
建立健全地面沉降监测网络。 开辟新旳替代水源，推广节水技术。 调整地下水开采布局，控制地下水开采量。 对地下水开采层位进行人工回灌。 实施地下水开采总量控制，计划开采和目旳管理。
损失。此时，每一种土粒在水头
d
差作用下承受了来自水流旳渗透
p
力，即动水压力。习惯上用单位 水体承受旳水压力D表达。
dw
dp w • g • dh • dw
D
dp dw • dl
w • g • I
dh
与地下水作用有关的地质灾害
与地下水作用有关的地质灾害摘要: 人类发展演化过程中,经历了各种各样地质作用所造成的灾害,其中大部分地质灾害的形成都有地下水的参与。
据大量事实统计,地下水与岩土体互相作用所造成的地质灾害具有类型的多样性、机理的复杂性、分布的广泛性、灾害的严重性和可控性等特征。
同时,目前在生产和科研实践中对地下水作用致灾的重要性认识及勘察研究投入不够,在地质灾害评价预测中对地下水作用的定性定量分析是个薄弱环节。
因此,必须强调和加强地下水与岩土体互相作用效应的勘察研究。
地下水与岩土体间复杂的物理化学作用必然引起二者物质成分、性质和状态的变化。
其中尤以地下水位升降和水力坡度的变化影响最大,从地下水作用致灾机理看,有静水推力、有效应力变化、渗透压力增大、水力楔入、冰劈、水的加载、水化、水击、土体冻融、淋溶和沉淀等作用。
文中以渗透变形灾害为例分析了地下水与土体相互作用效应。
在此基础上提出勘察工作应以查明地下水的埋深和补给来源,查明沿渗流方向的地层岩性、成因、物质成分、厚度、空间分布和透水性为主。
指出防治对策应针对灾害类型、机理、地质环境、保护目标不同,既以治水为主,又要区别对待,与环境保护同步考虑。
关键词: 地下水;地质作用;地质灾害;渗透变形1 地质灾害的类型和特点地质灾害是指在自然和为人为因素影响下,各种地质作用对人民生命财产和国家建设事业造成的危害。
形成地质灾害的动力因素较为复杂,诸如构造应力、重力、地表水、地下水、风力和人类活动等。
与地下水作用有关的地质灾害是指地下水作为主要动力因素或主要诱发因素引起的地质环境的变化所造成的危害。
地质灾害需由致灾地质作用与受灾对象(人、物、设施) 两者遭遇之后才能形成,其中致灾地质作用(如滑坡等等) 常起主导作用,因此,所谓地质灾害常指各种相关地质作用而言[1 ] 。
与地下水作用有关的地质灾害类型较多,诸如崩塌、滑坡、渗透变形、地面塌陷、地面沉降、海水入侵、水库地震、振动液化、土壤盐碱化、土体胀缩、土体冻胀融沉、黄土湿陷、浸没、土地沼泽化、土地潜育化、地下洞室突水、水源枯竭、水土污染、地方病等。
工程地质学基础
教学大纲一、课程性质和目的本课程为高年级本科生开设的专业课的基础部分，是工程地质学科的骨干课程，同时也是土木工程、环境工程、水利水电工程等专业的重要必修课。
通过本课程的学习，为学生将来从事本专业的科学技术工作打下良好的基础。
目的：1．向学生传授内外动力及人类活动引起有关物理地质现象方面的基本知识，以及从工程地质角度研究这些动力地质现象（问题）的基本方法等。
2．通过本课程学习，具备解决某些重大工程地质实际问题的初步能力。
3．该课程应用性很强，要求学生尽可能紧密联系某些具体工程动力地质现象的实际进行学习，同时要求学生具备必修的专业基础知识，以便更好地掌握该门课程的内容。
二、课程的基本内容第一章绪论介绍工程地质学的主要研究内容、研究方法及实际意义，它与其它学科间的相互关系，工程地质学发展历史、现状和研究前沿。
如何学习该课程。
第二章活断层工程地质研究活断层的基本概念、基本特征、活断层鉴别及研究方法、活断层区建筑原则。
第三章地震工程地质研究地震的基本知识，地震效应，场地条件对震害的影响，地震小区划，建筑抗震原则及措施。
第四章砂土液化工程地质研究砂土液化机理及影响因素，砂土液化的判别方法，砂土液化的防护措施。
第五章岩石风化工程地质研究基本概念，影响岩石风化因素，风化壳及分带标志和方法，岩石风化防护措施。
本章教与学两方面没有难度，主要问题是实际工作中风化岩分带的标准很难把握，带有很大的不确定性，最好配合现场考察进行教学。
第六章斜坡变形破坏工程地质研究基本概念，斜坡应力分布特征，斜坡变形破坏形式及机理，崩塌形成条件及基本特征滑坡形态要素及分类、稳定性影响因素及评价，斜坡变形破坏预测预报及防治。
第七章渗透变形工程地质研究渗透变形概念及形式，产生渗透变形的基本条件，渗透变形预测，防治措施。
第八章岩溶工程地质研究溶蚀机理，岩溶发育的影响因素，岩溶渗漏、塌陷工程地质问题分析，渗漏及塌陷处理措施。
第九章水库诱发地震工程地质研究诱发地震的类型，水诱发机制，水库诱发地震发生的地质背景条件，水库诱发地震的基本特征，诱发地震的工程地质研究及预测。
-工程地质学复习重点(超强总结)
一、概念1.工程地质条件：与工程建筑有关的地质要素的综合，包括地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质结构及地应力、水文地质条件、物理（自然）地质作用以及天然建筑材料等六个要素。
2、工程地质问题：工程建筑与工程地质条件（地质环境）相互作用、相互制约而引起的，对建筑本身的顺利施工和正常运行以及对周围环境可能产生影响的地质问题称为工程地质问题。
3、区域地壳稳定性：是指工程建设地区现今地壳在内外动力地质作用下的稳定程度4、活断层：是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久的将来可能会重新活动的断层。
5、地震：在地壳表层，因弹性波传播所引起的振动作用或现象，称为地震。
6、里氏震级：指距震中100km处的标准地震仪在地面所记录的微米表示的最大振幅A的对数值。
M=logA7、烈度：是指地面及各类建筑物遭受地震破坏的程度。
8、基本烈度：一个地区今后一定时期（100年）内，一般场地条件下可能遭遇到的最大地震烈度。
9、诱发地震：由于人类工程、经济活动而导致发生的地震称为诱发地震。
10、地震效应：在地震作用影响所及的范围内，在地面出现的各种震害或破坏，称为为地震效应。
11、场地和地基的破坏效应：是指造成建筑物破坏的直接原因是由于场地和地基稳定性引起的，也就是说、地震时首先是场地和地基破坏从而产生建筑物和构筑物破损并引发其他灾害。
12、震动破坏作用地震时地震波在岩土体中传播，给建筑物施加一个附加荷载，即地震力。
当地震力达到某一限度时，建筑物即发生破坏。
这种由于地震力作用直接引起建筑物破坏的作用成为震动破坏作用。
13、斜坡变形：是指斜坡应力状态的变化，使原有的平衡被打破，局部应力集中超过该部位岩土体的强度，引起局部剪切错动，拉裂并出现小位移但没有造成整体性的破坏。
14、斜坡破坏：当斜坡变形进一步发展，破裂面不断扩大并相互贯通，使斜坡岩土体的一部分分离开来，发生较大的位移，这就是斜坡的破坏。
15、滑坡：斜坡上的岩土体，沿贯通的剪切破坏面（带），产生以水平运动为主的现象。
渗透固结系数的变化对地面沉降计算的影响
渗透固结系数的变化对地面沉降计算的影响张炳峰，王国体合肥工业大学，安徽合肥 (230009)摘 要：通过对经典Biot 渗流力学进一步的考察，讨论在土体饱和状态下，渗透系数随孔隙率变化而变化对固结系数的影响，从而考虑固结系数变化对固结度，沉降计算的影响。
在已有的地面沉降计算方程中增加一个反映渗流系数和孔隙变化率关系的耦合方程。
对阜阳市的实测沉降资料进行相应的分析计算和对比，其结果表明这个方程能很好的反映地面沉降过程。
关键词：渗流与应力耦合，地面沉降，固结系数1. 引言 对地下水日益增加的开采，尤其是在松散冲积层、湖泊或浅海沉积地带，其后果之一是导致地表下降或沉陷，即地面沉降。
由于地下水开采而导致较大的地面沉降，在高度发达地区是比较常见的。
对地面沉降状况及补救办法的事例研究，对于将要面临同样问题的发展中地区是有帮助的。
地下水开采引起的地下水压力变化将导致渗流介质体及其相关地质体受力状态的变化，进而导致渗流介质体变形(这方面最为典型的是地下水开采诱发地面沉降)；渗流介质体的变形过程中，其物性参数(孔隙度n 、压缩系数ε、渗透系数K 等)不再是经典理论中的常量，而是与力学状态有关的变量；如此，渗流问题的研究就必须既要考虑介质体的应力应变，又要考虑渗流特性的变异；这类问题，显然不是经典渗流理论所能解决的，然而Biot 三维固结理论能够较好的解决这一问题。
2. 地面沉降过程中渗流与应力耦合模型2.1 经典Biot 渗流力学耦合方程分析1941年，美国物理学和应用数学家Maurice Anthony Biot ，将Terzaghi 有效应力理论推广到了三维空间上的固结问题研究中，并在1942、1954和1956年，将该问题的研究进行了深入和完善，由此建立的Biot 孔弹性理论[1]，为流固耦合问题的研究奠定了理论基础。
Biot 孔弹性理论模型主要有四个基础方程组成：平衡方程(1式)、几何方程(2式)、本构方程(3式和4式)和渗流方程(5式)； 在三维空间上，基本方程可写为以下模型。
沧州地面沉降区粘土压缩变形和渗透特征研究
第36卷 第5期2014年5月武 汉 理 工 大 学 学 报J O U R N A LO F W U H A NU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G Y V o l .36 N o .5 M a y 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍2014d o i :10.3963/j .i s s n .1671-4431.2014.05.021沧州地面沉降区粘土压缩变形和渗透特征研究郭海朋1,丁国平2,朱菊艳1,田小伟3,雷建涛2,王云龙1(1.中国地质环境监测院,北京100081;2.中国地质大学(武汉)环境学院,武汉430074;3.河北省地矿局第四水文工程地质大队,沧州061000)摘 要: 通过沧州地面沉降重点区水文地质工程地质综合试验孔土样试验结果,以点带面地分析了土样各物理指标之间的相关性,土体的颗粒结构,土体随深度和压力变化的压缩变形规律性,以及不同深度粘性土体的渗透特征㊂分析显示土样的各物理指标之间存在很强的相关性,土体的压缩性随压力和深度的变化有很强的规律性㊂含水层和粘性土的渗透系数差了6个数量级,间接表明地面沉降具有很强的滞后作用㊂分析结果将对深入研究沧州地区地面沉降的成因规律及客观地评价地面沉降发展趋势提供数据参考和科学依据,进而为研究有效遏制地面沉降发展趋势的防治措施提供技术支撑㊂关键词: 沧州; 粘土体; 地面沉降; 压缩变形; 渗透特征中图分类号: P642文献标识码: A 文章编号:1671-4431(2014)05-0111-07C o m p r e s s i o nD e f o r m a t i o na n dP e r m e a b i l i t y C h a r a c t e r i s t i c s o f C l a y i nL a n dS u b s i d e n c eA r e a o fC a n gz h o u G U OH a i -p e n g 1,D I N GG u o -p i n g 2,Z H UJ u -y a n 1,T I A NX i a o -w e i 3,L E I J i a n -t a o 2,W A N G Y u n -l o n g 1(1.C h i n a I n s t i t u t e o fG e o -e n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n g ,B e i j i n g 100081,C h i n a ;2.S c h o o l o fE n v i r o n m e n t S t u d i e s ,C h i n aU n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s ,W u h a n430074,C h i n a ;3.T h eF o u r t hT e a mo fH y d r o g e o l o g i c a l a n dE n g i n e e r i n g G e o l o g y ,H e b e i B u r e a uo fG e o -e x p l o r a t i o n ,C a n g z h o u061000,C h i n a )A b s t r a c t : S o i l s a m p l e sw e r e t a k e nf r o mt h e s u b s i d e n c ea r e a i nC a ng zh o uci t y a n dt e s t e d i n l a b o r a t o r y .A c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ,t h i s p a p e r a n a l y z e d r e l a t i o n s a m o n gp h y s i c a l p a r a m e t e r s o f s o i l s a m p l e s ,g r a n u l a r s t r u c t u r e o f s o i l ,c o m -p r e s s i o nd e f o r m a t i o n l a w so f s o i lw i t hd e p t ha n d p r e s s u r e ,a n d p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c so f c l a y a td i f f e r e n td e pt h s .T h e a n a l y s i s s h o w s t h a t s t r o n g r e l a t i o n s e x i s t a m o n g d i f f e r e n t p h y s i c a l p a r a m e t e r s ,a n d g o o d l a w so f c o m p r e s s i o nw i t h d e p t ha n d p r e s s u r e a r e f o u n df o r s o i l s a m p l e s .T h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t i e so f c l a y a r es i xo r d e r so fm a gn i t u d es m a l l e r t h a n t h o s e o f t h e a q u i f e r ,i n d i c a t i n g t h e s t r o n g h y p o t h e s i s o f l a n d s u b s i d e n c e .T h e a n a l y s i s i n t h i s p a p e r p r o v i d e s d a t a a n d s c i e n t i f i cb a s i s f o r f u r t h e r s t u d y o nm e c h a n i s mo f l a n d s u b s i d e n c e i nC a n g z h o u a n d o b j e c t i v e e v a l u a t i o n o f i t s d e v e l o pm e n t t r e n d ,a n d t h e n p r o v i d e s t e c h n i c a l s u p p o r t f o r s t u d y o n p r e v e n t i o n a n d c o n t r o lm e a s u r e s t o e f f i c i e n t l y i n h i b i t t h e d e v e l o p -m e n t t r e n do f l a n d s u b s i d e n c e .K e y wo r d s : C a n g z h o u ; c l a y ; l a n d s u b s i d e n c e ; c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n ; p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s 收稿日期:2014-01-02.基金项目:中国地质调查(12120113011700)和国家重点基础研究发展计划(2010C B 428806).作者简介:郭海朋(1979-),男,博士,副研究员.E -m a i l :g u o h p @m a i l .c i g e m.go v .c n 地面沉降是一种缓变性地质灾害,是指由于自然因素或人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象㊂目前,世界上已有50多个国家和地区发生地面沉降,较严重的国家有美国㊁日本㊁墨西哥㊁意大利㊁泰国和中国[1]㊂地面沉降作为一种人为诱发地质灾害在世界许多国家和地区产生了严重地质环境影响[2-4]㊂沧州地区地面沉降影响因素十分复杂,地面沉降影响范围和发展速率在不同空间㊁时间上具有较大的差211武汉理工大学学报2014年5月异性㊂从地面沉降形成的动力条件来看,承压水位波动式的持续下降造成土层内有效应力增加是造成地面沉降的必要前提㊂从区域水文地质条件来看,疏松的多层含水体系㊁水量丰富的承压含水层㊁开采影响范围内可压缩性厚层粘性土层等的存在是地面沉降形成的地质条件㊂沧州地区自20世纪60年代以来,工农业发展对水资源需求逐年增长,开采深层地下水成为解决水资源短缺的重要途径㊂地下水的连年超采造成地下水漏斗面积不断扩展,并和其它漏斗连成了一片,形成了14000k m2全国罕见的降落漏斗群[5]㊂沧州地区地层岩性和结构特征是产生地面沉降的重要地质基础㊂据统计,产生地面沉降比较严重的地区,第4系粘性土厚度和主要开采段的粘性土厚度均比较大,沧州市区地面沉降中心粘土厚度达214.42m,亚粘土厚度131.41m,主要开采段200~400m的粘土厚度达179.01m,为地面沉降的产生创造了地层基础[6]㊂沧州地区地面沉降主要由深层地下水开采所致,而深层地下水开采量主要集中于第3含水层组,第3含水层组粘性土层的压缩是造成地面沉降的最主要因素,它可以反映出地面沉降的规律[7-9]㊂可见,粘性土体的压缩变形规律和渗透特征是研究地面沉降成因机理和发展模式必不可少的两个因素㊂拟利用试验结果分析沧州地面沉降区的粘性土体压缩变形和渗透特征,从而为该地区地面沉降机理研究提供技术支撑㊂1沧州地区地层结构及第4系含水层组沧州市地面沉降重点区D C-1水文地质工程地质综合试验孔选址于河北沧县纸房头乡(图1),该孔揭穿了整个第4系地层,具有典型性和代表性㊂I n S A R监测结果显示,2008 2010年该地点地面沉降速率为20mm/年左右㊂1.1 地层结构沧州地区分布有第4系和上第3系地层㊂图2显示了A -A ᶄ剖面的第4系地层结构情况(剖面位置见图1)㊂第4系全新统(Q 4)在沧州地区广泛分布,岩性主要为粉细砂㊁粉土㊁淤泥质亚粘土㊁粘土或泥炭,层底埋深20~30m ㊂上更新统(Q 3)岩性主要为粗中砂㊁中砂㊁细砂㊁含泥细砂㊁亚砂土㊁亚粘土,滨海地区分布海相层和火山喷发岩,底界埋深一般为120~170m ㊂中更新统(Q 2)岩性主要为粘土㊁亚粘土㊁粉砂㊁细砂㊁粗砂等,层底埋深一般为250~350m ㊂下更新统(Q 1)岩性主要为粘土㊁亚粘土㊁亚砂土,半固结状细砂㊁中细砂砾卵石层等,底界埋深一般为350~550m ㊂上第3系(N )厚度较均匀,岩性主要为砂岩与泥岩互层㊂钻孔D C -1所处位置的第4系底界埋深约为426.60m ,该孔揭露了上新统(N 2)(只揭露至450.19m )㊂1.2 第4系含水层组的划分及其水文地质特征沧州地区第4系厚度350~550m ,厚者可达550~600m ㊂根据地层岩性特征,第4系含水岩系自上而下划分为4个含水层组(图2)㊂第Ⅰ含水层组底界埋深20~30m ,大部分相当于Q 4底界和Q 3上段,降水入渗㊁径流和补给条件较好㊂第Ⅱ含水层组底界埋深120~170m ,相当于Q 3底界,垂直入渗补给条件差,地下径流滞缓㊂第Ⅲ含水层组底界埋深250~350m ,相当于Q 2底界,富水性㊁渗透性及补给条件较差,是沧州市深层地下水主要开采层㊂第Ⅳ含水层组底界埋深350~550m ,局部达600m ,相当于Q 1底界,渗透性及富水性差,侧向径流补给微弱㊂2 D C -1钻孔土体物理特征土体物理力学指标与土体类型有很好的相关性,土体类型对土体的压缩性以及渗透特征有着很大影响㊂粘性土的孔隙比㊁比重㊁含水率㊁粘粒含量等物理指标是影响粘性土固结的重要因素㊂研究表明粘土的次固结系数随着含水率和粘粒含量的增加而增加㊂此次孔内取样深度范围9.1~449.4m ,对试验孔土体进行了包括密度㊁含水量㊁比重㊁颗粒级配㊁液塑限5项试验㊂主要土料采集和试验项目见表1㊂表1 主要土样采集和试验项目土样编号取样深度/m 试验项目土样编号取样深度/m 试验项目原1351.26~51.56基本㊁固结㊁浅渗原84359.20~359.50基本㊁固结原30134.70~135.00基本㊁固结原90384.40~384.70基本㊁深渗原41170.21~170.51基本原93402.40~402.70基本㊁深渗原54226.00~226.30深渗原96413.40~413.60基本㊁深渗原56235.10~235.40基本㊁固结原99425.80~426.10基本㊁深渗原60247.95~248.25基本㊁深渗原101433.10~433.40基本㊁深渗原68297.00~297.30基本㊁深渗原104443.90~444.20基本㊁深渗 注:基本指基本物理性能试验;浅渗指浅层渗透试验;深渗指深层高压渗透试验㊂311第36卷 第5期 郭海朋,丁国平,朱菊艳,等:沧州地面沉降区粘土压缩变形和渗透特征研究2.1 基本物理参数测试结果分析测试结果(图3)表明,测试土样的含水量一般在11%~21%之间;密度值一般在1.9~2.3g /c m 3之间;比重一般在2.70~2.75之间㊂含水量随着埋深的增加总体上呈现波动减小的趋势:埋深160m 以上含水量随深度的增加呈现减小趋势,含水量值变化范围20%~12%左右,埋深160~300m 之间含水量有逐渐增大的趋势,300m 以下含水量趋于稳定㊂密度在160m 以上变化不明显,值趋于稳定,埋深160~300m 密度有逐渐增大的趋势,300m 以下密度的值趋于稳定㊂比重随埋深的增加变化不明显,其值总体上2.70~2.75之间,埋深300m 以下比重值较浅层土样稍大一些㊂基本物理参数随深度变化的规律与土样的土体结构和所处应力环境有关㊂试验结果显示孔隙比与天然含水量呈很好的正相关性,与干密度呈负相关性㊂天然含水量㊁孔隙比与压缩系数基本成正相关性,即天然含水量㊁孔隙比越大,土体越容易压缩,反之越不容易压缩㊂2.2 液塑限测试结果分析液限是粘性土处于可塑状的上限含水量,塑限是使粘性土成为可塑状态的下限含水量,伴随粘性土的含水率的变化,其物理状态和化学性质都会发生明显变化㊂塑性指数(I p )即液塑限的差值,是粘土的最基本㊁最重要的物理指标之一,它综合地反映了粘土的物质组成㊂塑性指数越大,表明土的颗粒愈细,比表面积愈大,土的粘粒或亲水矿物含量愈高,土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大㊂试验结果表明,试验土体的液限在35%左右,塑限在20%左右,随深度增加塑性指数有增加趋势,说明相对粘粒含量增加㊂塑性指数与比重呈正相关性㊂比重的大小与矿物组成有关,随土体粘粒含量的增大而增大;塑性指数㊁比重与压缩系数呈一定的负相关性,即塑性指数㊁比重越大,土体越不容易压缩㊂粘性土塑性状态的基本特征是:土在外力作用下,形状改变,但不破坏其整体性㊂当外力停止后,仍保持改变后的形态㊂在沧州地区地面沉降层中,由于塑性比较大的粘土㊁粉质粘土所占比例大,所以多形成永久性沉降[10]㊂另外,粘土次固结系数也会随着粘粒的增加而增大㊂这也是沧州地区产生严重地面沉降灾害的原因之一㊂2.3 颗粒级配测试结果分析土样颗粒级配分析结果显示,土样以粘土㊁粉质粘土为主,并有少量含砂粉质粘土,其中粘土和粉质粘土交替出现,280m 以上以粉质粘土居多,280m 以下与之相反㊂总体上,土样分布在0.05~0.01mm 区间段的颗粒比例最大㊂随着深度增加,0.075~0.002mm 区间的颗粒在土壤中所占的比重有略微减小趋势,而>0.075mm 和<0.002mm 区间的颗粒所占比重变化情况与之相反㊂土壤的不均匀系数较高,表明土粒不均匀,大颗粒形成的孔隙有足够的小颗粒充填,土体易于压实而形成地面沉降㊂从所有样品的曲率系数(均>3或<1)看,土样均为级配不良的样品,且细粒含量大㊂411 武 汉 理 工 大 学 学 报 2014年5月3 土体压缩变形规律研究根据固结试验结果,总体上初始孔隙比和压缩系数随着深度的增加而呈现波动减小的变化特点(图3),这与土样的土体结构和所处地质环境密切相关㊂3.1 不同深度地层变形量随压力的变化特征以3个典型土样(原30㊁原56和原84)来讨论不同深度土样变形量随压力的变化特征(图4)㊂土样变形量随着压力的增大呈现增大的趋势,在小压力荷载的作用下,变形量变化较为剧烈,各土样在1000k P a 压力下就基本达到的变形稳定,尤其对于埋深较大的土样原84,这种规律表现得更为明显㊂根据地面沉降机理,土体的压缩过程是孔隙水排出,土体孔隙减小,颗粒间的排列更为紧密的过程㊂在压力较低时(小于1000k P a ),土体的压缩主要是大孔隙向小孔隙转变的过程㊂因此,土体的变形量较大,该过程中主要表现为自由水的排出;在压力进一步加大之后,土体的压缩主要为大颗粒土体被压碎变成小颗粒,小颗粒填充小孔隙的过程,在这个过程中,主要为结合水转变为自由水并排出的过程,土体的变形量较小㊂土体的压缩性决定于土体的结构与固结程度㊂图4显示随着压力的增大,土体结构相似情况下,浅层土样变形量大于同一压力下的深层土样变形量,这是因为浅层土样结构较为松散,可压缩性高,而深层土样结构较为密实,抗压能力强,可压缩性比较低㊂该地区其它钻孔土样压缩试验结果也表明,相似土体结构的土一般随深度增加可压缩性由大变小㊂3.2不同深度地层压缩系数随压力的变化特征压缩系数是表征土体压缩性大小的指标,根据太沙基固结理论,压缩系数越大,土体完成固结需要的时间越长,粘土层的最终沉降量也越大㊂由室内压缩固结试验得出压缩系数随压力的变化曲线如图5所示,图5中土样原30埋深134.7~135.0m 为中等压缩性土,原56埋深235.1~235.4m ,为中等压缩性土,原84埋深359.2~359.5m ,为低压缩性土㊂可以明显看出:不同埋深土样的压缩系数随压力的增大总体上呈现先增大后减小而后趋于平缓的趋势,在前期压力较小阶段,压缩系数变化剧烈,其增大㊁减小幅度非常大,尤其是对于浅层土样这种特点表现得更为明显,产生这种现象是由于卸荷回弹再压缩造成的㊂在由于抽取地下水而造成的地下水位下降过程中,加载在粘土层上的有效应力不断增加,地面沉降加剧㊂此次试验结果表明,粘土层的压缩系数不是一个常数,而是随着压力的增加而不断减小,这对正确理解抽水引起地面沉降的机理有重要意义㊂在地面沉降相关的解析和数值计算中,合理确定粘性土压缩系数显得尤为重要㊂4 粘性土渗透特征研究在沧州重点沉降区第4系粘土渗流特性的试验研究中,针对不同深度㊁不同结构的土样,选用了两种渗透系数测试方法㊂对于埋藏深度较浅的土样(170m 以上),运用渗透仪T S T -55,依照‘土工试验规程S L 237 1999“进行变水头渗透性试验;针对深层土样,采用高压渗流仪进行高压渗透试验㊂4.1 渗透系数随土体埋深的关系根据变水头渗流试验,20个第4系粘土的浅层渗透试验结果如图6所示㊂根据试验结果可知,浅层粘土的渗透系数为10-5~10-6数量级,且随着地层埋深的增加,其渗透系数总体呈减小的趋势㊂511第36卷 第5期 郭海朋,丁国平,朱菊艳,等:沧州地面沉降区粘土压缩变形和渗透特征研究4.2 渗透系数随时间变化的关系在围压为2.5M P a ,渗透压2.0M P a 的压力下,对10个粘土样进行了一级压力试验,研究了粘土的渗透性随时间变化的规律(图7),可以看出,在试验的前2~4d 的时间里,粘土的渗透系数快速降低,波动明显,然后逐渐趋于稳定,尤其对于浅层土样更明显㊂这是因为粘土自所处的地质环境取出以后,有一个应力释放的过程㊂在此过程中,粘土的微结构发生变化,粘土的孔隙半径及孔喉扩张,导致粘土在渗流试验初期,由捷径式渗流控制㊂随着试验的进行,粘土土样在高压渗流仪的压力室受围压及水头压力㊁粘土矿物的影响,粘土由初期的捷径式渗流控制转为活塞式渗流控制[11]㊂渗透系数在后期(第5d )趋于稳定后仍有微波动,这可能与粘土的矿物组分与化学成分等有关㊂高压渗流仪主要适用于深层土样,这主要是考虑到:1)采集的土体,埋藏深度大,用常规渗透仪不能模拟土样所处地质空间的压力等环境;2)土样从原位置处取出存在一个应力的释放过程,用常规渗透仪所测出的渗透系数k 一般要大于土体原有的渗透系数,使得分析问题的结果往往存在很大偏差㊂试验结果显示,深层土样的渗透系数普遍远小于浅层土样的渗透系数,除了地质环境和土体结构的影响外,不同的试验方法也具有一定的影响㊂由于试验土样从原地层取出后会产生应力释放,因此建议采用高压渗流装置测试土样(尤其是深层土样)的渗透系数㊂选取试验层段250.3~351.7m 进行了抽水试验,选择最大落程数据进行水文地质参数的简易计算,计算公式为K =0.366Q (l g R -l g r w )/(M ˑS )(1)R =10S K 1/2(2)式中,K 为含水层渗透系数;Q 为涌水量;R 为影响半径;r w 为监测井半径;M 为含水层厚度;S 为水位降深㊂将方程(1)和(2)联立迭代求解,计算得到含水层渗透系数为2.86m /d ㊂试样原60位于本层段,高压渗透试验测试得到的渗透系数为1.26ˑ10-6~3.11ˑ10-6m /d ㊂含水层和粘性土的渗透系数差了6个数量级㊂对于两个含水层中间的弱透水层,固结度和固结完成时间可由式(3)求得[12]㊂t T *=t K v (H /2)2S ᶄs(3)式中,t 为完成固结所需时间;T *为时间常数;K v 是弱透水层的垂向渗透系数;H 为弱透水层的厚度;S ᶄs 为弱透水层的贮水率(表征弱透水层压缩性的参数,与压缩系数成正比)㊂当t /T *=1.0时,固结几乎完成95%,可见,弱透水层固结的滞后性与其厚度和贮水率成正比,与垂向渗透系数成反比㊂抽水后,含水层水头降低,粘性土层与抽水含水层之间产生水头差,粘性土层中的水便向含水层中释放,增大了粘性土骨架的有效应力,导致粘性土层压密,地面相应沉降㊂由于粘性土渗透系数远小于相邻含水层的渗透系数,导致地面沉降具有很强的滞后作用,一般需要很长时间才能完成压缩㊂经过计算,试验孔所在位置不同地层完成90%固结需要的时间从不到1年到几十年不等㊂5 结 论a .沧州市地面沉降重点区水文地质工程地质综合试验孔揭穿了整个第4系地层,所取土样在空间和深度上都具有典型性和代表性,因而分析结果具有代表意义㊂土样试验结果显示土样的各物理指标之间存在明显的相关性㊂从颗粒级配分析结果看,大多数土样土粒不均匀,土体易于压实而形成地面沉降㊂611 武 汉 理 工 大 学 学 报 2014年5月b .在试验孔地面沉降层中,由于塑性比较大的粘土㊁粉质粘土所占比例较大,所以容易形成永久性沉降㊂此外,粘土次固结系数也会随着粘粒的增加而增大㊂这是沧州地区产生严重地面沉降灾害的原因之一㊂c .土体的压缩性随压力和深度的变化有很强的规律性㊂不同深度的土样在相同压力下具有随深度加大而变形量减小的趋势,这与土样的密实程度有关㊂土样的压缩系数随着压力的增大总体呈现减小的趋势,减小速率前期较大,后期逐渐减小并趋于稳定㊂在地面沉降相关的解析和数值计算中,合理确定粘性土压缩系数显得尤为重要㊂d .沧州重点沉降区试验孔浅层粘土的渗透系数为10-5~10-6数量级(单位为m /d )㊂深部土样的渗透系数为10-6~10-8数量级,远小于浅部地层的渗透系数,除了土样所处地质环境和土体结构的原因外,还与采用的试验方法有关㊂常规渗透仪测出的渗透系数一般要大于土体原有受力状态下的渗透系数,因此建议采用高压渗流装置测试土样(尤其是深层土样)的渗透系数㊂含水层和粘性土的渗透系数差了6个数量级,间接表明地面沉降具有很强的滞后作用㊂试验孔所在地不同地层完成90%固结需要的时间从不到1年到几十年不等㊂参考文献[1] H uRL ,Y u e ZQ ,W a n g LC ,e t a l .R e v i e wo nC u r r e n t S t a t u s a n dC h a l l e n g i n g I s s u e s o f L a n dS u b s i d e n c e i nC h i n a [J ].E n -g i n e e r i n g G e o l o g y ,2004,76:65-77.[2] P h i e n -w e j N ,G i a o P H ,N u t a l a y aP .L a n dS u b s i d e n c ei n B a n g k o k ,T h a i l a n d [J ].E n g i n e e r i n g G e o l o g y ,2006,82(4):187-201.[3] C h a t t e r j e eRS ,F r u n e a uB ,R u d a n t JP ,e t a l .S u b s i d e n c eo fK o l k a t a (C a l c u t t a )C i t y ,I n d i aD u r i n g th e 1990s a sO b s e r v e d f r o mS p a c eb y D i f f e r e n t i a l S y n t h e t i cA p e r t u r eR a d a r I n t e r f e r o m e t r y (D -I n S A R )T e c h n i q u e [J ].R e m o t eS e n s i n g o fE n v i -r o n m e n t ,2006,102(1-2):176-185.[4] S h e l l e y EO ,O s s aA ,R o m oM P .T h e S i n k i n g o fM e x i c oC i t y :I t sE f f e c t s o nS o i l P r o p e r t i e s a n dS e i s m i cR e s po n s e [J ].S o i l D y n a m i c s a n dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g,2007,27:333-343.[5] 李志敏,孙炳华.沧州地下水超采与地面沉降关系的分析与探讨[J ].地下水,2010,32(3):35-36.[6] 邢忠信,李和学,张 熟,等.沧州市地面沉降研究及防治对策[J ].地质调查与研究,2004,27(3):157-163.[7] 郭永海,沈照理.从地面沉降论河北平原深层地下水资源属性及合理评价[J ].地球科学,1995,20(4):415-420.[8] 张廉钧.超采深层地下水引起地面沉降规律的探讨[J ].华北水利水电学院学报,1999,20(2):39-43.[9] 秦同春.沧州地区地下水开采与地面沉降的关系[J ].水土保持应用技术,2010(1):39-49.[10]任 荣.试论华北平原的城市地面沉降与防治 以沧州市为例[J ].工程勘察,1993(4):35-38.[11]丁国平,胡 成,陈华丽,等.衡水地面沉降区黏性土体渗透特征研究[J ].工程地质学报,2012,20(1):82-87.[12]D o m e n i c oPA ,S c h w a r t zF W.P h y s i c a l a n dC h e m i c a lH y d r o l o g y [M ].2n de d .N e w Y o r k :W i l e y ,1998.711第36卷 第5期 郭海朋,丁国平,朱菊艳,等:沧州地面沉降区粘土压缩变形和渗透特征研究。
工程地质资料
工程地质学基础考试样题一、名词解释1．活断层：指目前正在活动着的断层或近期有过活动且不久的将来可能会重新发生活动的断层（即潜在活断层）。
2.砂土液化：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。
3.混合溶蚀效应：不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。
4．极限平衡方法：也叫刚体极限平衡法，其使用有四点假设前提：①只考虑破坏面上的极限破坏状态，而不考虑岩土体的变形。
即视岩土体为刚体。
②破坏面上的强度由C、f值决定，遵循强度判据。
③滑体中的压力以正压力和剪应力的形式集中作用于滑面上，均视为集中力。
④q三维问题简化为二维（平面）问题来求解。
5．工程地质条件：与工程建筑物有关的地质条件的综合,包括：岩土类型及其工程性质、•地质构造、地形地貌、水文地质、工程动力地质作用、天然建筑材料六个方面。
6．地震烈度：它是衡量地震在地面震动的强烈程度的尺子，由震源深度、震中距、能量所决定。
是地震的基本参数之一。
7．工程地质类比法：它是一种定性分析的工程地质问题的分析方法，通过场地内的工程地质条件与地质分析相结合进行对工程问题的分析及解答方法。
8．临界水力梯度：当单元土体的总压力与其单元体水的重量相等时，即dp=dQ时，土体颗粒处于悬浮状态，发生流土，此时的水的水力梯度叫做临界水力梯度。
9．工程地质问题：工程建筑物与地质条件之间的矛盾或问题。
如：地基沉降、水库渗漏等。
10．滑坡：斜坡岩土体在重力等因素作用下，依附滑动面（带）产生的向坡外以水平运动为主的运动或现象。
11．振动液化：饱水砂、粉砂土在振动力的作用下，抗剪强度丧失的现象。
12．卓越周期：岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用，某种岩土体总是以某种周期的波选择放大得尤为明显而突出，这种周期即为该岩土体的卓越周期。
卓越周期的实质是波的共振。
13．基本烈度：指在今后一定时间（一般按100年考虑）和一定地区范围内一般场地条件下可能遇到的最大烈度。
渗透变形
渗透变形——地质分析学院：水利与生态工程学院班级：12水利水电建筑工程4班学号：2012011581学生：汤飘瑞指导教师：杨普济一丶渗透变形的的认识要研究渗透变形的工程地质，我们首先就要弄清楚这些概念。
1、渗流：地下水在岩土空隙中的运动。
2、渗透压力：渗透水流作用于岩土上的力，称为渗透压力，又称为动水压力。
3、渗透变形（渗透破坏）：当渗透压力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流带走，从而引起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏，表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等，这种现象称为渗透变形，由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
4、渗透变形一般发生在砂土和粉土中，在河流两岸及大坝建设中引人关注。
在自然界中，渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土中，象“黄土喀斯特现象”，河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土洞”等现象均属之。
由于人类工程—经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变形问题较多。
如基坑开挖时的流砂现象，因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷。
土石坝坝基的渗透稳定性问题等．这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。
引起渗透变形的驱动力是动水压力；动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度．土体抵抗渗透变形的能力叫抗渗强度，其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质及地下水流向等．在渗流作用下，土体的渗透稳定性决定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。
水在土中的渗流不仅对于某一接触面作用有浮力, 而且土粒本身也受到孔隙水流拖曳力用渗流对于土体作用的孔隙水压力可以分为两种: ¹静水压力, 即由粒间孔隙中的水所传递的压力, 它与土粒间的接触情况无关, 对土体骨架的结构形式以及对土的剪应力等力学性质不产生影响; º动水压力, 当饱和土体内有水头差时, 水体就通过土粒间的孔隙流动, 沿渗流方向给土粒以拖曳力, 使土粒有前移的趋势。
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排水孔反滤层结构 EXIT13
地面沉降
思考题4
地面沉降指在自然因素和人为因素影响下形成的地表 垂直下降现象。导致地面沉降的自然因素主要是构造 升降运动以及地震、火山活动等，人为因素主要是开 采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。
中国地面沉降情况（1993）
省 （区、市）
面积 （km2 ）
预测步骤： （1）根据土体的性质和类型，判别渗透变形可能性与 类型 （2）确定坝基各点，尤其是下游坝脚处的实际水力梯 度。 （3）确定临界水力梯度和允许水力梯度。 （4）根据比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。
1. 渗透变形的可能性及类型
首先分析坝基的地层结构和地形地貌条件，初步确定
渗透变形的地段。
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2
渗透变形
渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。当此力达 到一定值时，岩土中的一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流
携走，从而引起岩土的结构变松、强度降低，甚至整体发生破坏。 这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏。 在自然界中，渗透变形一般不发生在无粘性土或粉土中。
1. 筑物基坑及地下施工时的流沙的防治措施。
建筑物基坑主要采取人工降低潜水位的办法。使潜水位低于基
坑底板。也可采用板桩防护墙。
2. 汲水井防治管涌的措施。 主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料。
思考题3
3. 士石坝防治渗透变形的措施
（1）垂直截渗 （2）水平铺盖 （3） 排水减压 （ 4）反滤盖重
可以划分为潜蚀和流土两种类型。 1. 潜蚀
思考题1
在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，称潜蚀或管涌。 潜蚀较普遍的发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，潜蚀 包括机械潜蚀和化学潜蚀两种。 潜蚀在自然条件下和工程活动中均会发生，人们习惯地把工程活 动中发生的潜蚀称为管涌。根据渗透方向与重力方向的关系，可 将管涌分为垂直管涌和水平管涌两种。
上下界面 水头差
土的抗渗强度时,就会发生渗透变 形。所以说,渗透变形主要取决于
长度
渗流的动水压力和岩土抗渗强度
这一对矛盾相互作用的发展演化
过程，这是渗透变形的基本条件，
此外还有宏观地质因素和工程因
素。
1. 渗流的动水压力及临界水力梯
度。地下水在松软土体中渗流时， 由于水质点之间以及水流与土粒 dl
之间磨擦阻力的作用，产生水头
上海 850
天津 江苏 浙江 山东 10000 379.5 262.7 526
心墙坝
斜墙坝
粘土截水可编墙辑p示pt 意图
12
（2）水平铺盖
（3） 排水减压
防渗铺盖示意图
在坝后的坝脚处设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和 减少溢出段的实际水力梯度。
（4）反滤盖重:分三层铺设，层界 面与渗流方向正交，粒径由粗到细
d=5-10mm d=1-5mm d=0.25-1mm
各分层间粒径关系
工程等级较低或初级堪察阶段可采用图表法，工程等 级较高或后期勘察阶段则采用试验法。理论计算仅适 用于流土类型，可根据土的类型及密实程度，选用不 同的计算公式。
允许水力梯度(Iy)： 临界水力梯度(Icr)除以安全系数m，m=1.5-3
可编形的防治，通常采用三方面的防护措施。即改变渗流的 动力条件、保护渗流出口和改善土石性质。可根据工程性质和 地质条件选择使用。
确定坝基实际水力梯度的方法有：理论计算法、绘制流 网的图解法、水电比拟法及观测法等。
绘制流网的图解法比较简单且可靠，是常用方法。流网 图是由一系列流线和等水头线所组成的网格。
△S
△S △h
坝基任一点的水力梯度： I h
可编辑ppt s
10
3. 确定临界水力梯度和允许水力梯度
包括理论计算法、图表法和试验测定法。
土的级配特征可用土的不均粒系数（Cu） 表示，为土粒重百分数60%与10%的比值。 值越大表示土粒越不均匀。 当Cu<10时，主要形式是流土。 当Cu>20时，主要形式是潜蚀。
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6
3. 宏观地质因素和工程因素。
宏观地质因素包括地层结构和地表地形条件两个方面。
地层结构对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。
土木工程地质讲义
第一编 动力地质作用与不良地质现象
第一章 地壳与地质作用 第二章 活断层与地震防灾规划 第三章 滑坡与泥石流 第四章 岩溶 第五章 渗透变形与地面沉降 第六章 河流侵蚀与淤积 第七章 地裂缝与采空区塌陷
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1
地下水的渗流作用 －－渗透变形与地面沉降
1. 渗透水流作用类型 2. 渗透变形产生的条件 3. 渗透变形的预测 4. 渗透变形的防治 5. 地面沉降的分布与危害 6. 地面沉降的成因与防治
地形地貌条件对渗透变形的影响，主要表现在沟谷切割 影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口条件等方面。
工程因素主要指的是渗流出口的保护问题。土石坝和汲 水井的渗流出口段水力梯度较整个流径上的平均水力梯 度为高。水流方向也有利于土的松动和悬浮。若不加保 护，最易产生渗透变形。
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EXIT7
渗透变形的预测：
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3
土石坝坝基渗流示意图
2. 流土 在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象， 称流土或流沙。流土一般发生在均质砂土层或粉土中。 潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，往往 可以转化为流土。
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EXIT4
渗透变形产生的条件
思考题2
引起渗透变形的动力因素是动水 压力,一旦渗流的动水压力达到岩
随后，根据累积曲线和分布曲线，计算出不均粒系数
和细颗粒的百分含量，来确定渗透变形的类型。
也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判断：瀑布式
产生管涌，直线式不产生管涌。
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8
累 积 百 分 曲 线
管 涌
流 土
管涌或流土
粒径
颗粒累积曲线形式与渗透变形类型
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2. 确定坝基各点的实际水力梯度
损失。此时，每一个土粒在水头
d
差作用下承受了来自水流的渗透
p
力，即动水压力。习惯上用单位 水体承受的水压力D表示。
dw
dp w•g•dh•dw
D dp 可编辑pptdw•dl
w•g•I
dh
水压力
面积 水力梯度
5
2. 土的抗渗强度—-结构特性
土体抗渗强度取决于其本身的结构。制约渗透变形 发生的土体结构特性，包括土中粗细颗粒直径比例、 细粒物质的含量和土的级配特征、颗粒形状及排列 方式等因素。