临界水力坡度与流砂.pdf

2005/8/11/15§ 4- 8 臨界水力坡度與流砂§ 4- 8 臨界水力坡度與流砂由於水流經由土壤的滲透作用導致靜壓力( 包括有效應力及孔隙水壓力)之變化，因而影響土壤之強度及穩定本節即討論此水流之壓力效應首先繪一靜止水流之總應力、孔隙水壓力及有效應力之分佈圖如圖4-15所示P.1172005/8/12/15圖 4 - 15 靜止水流uwσ'γw (H1+ H )γ'HOγwH1γwH1土樣H1H定水頭溢流ABγwH1+ γs a tH σuwσ'γw (H1+ H )γ'HOγwH1γwH1土樣H1H定水頭溢流ABγwH1+ γs a tH σ當 H1= 4 .5 m ， H = 4 .0 m ，3 satm/t0.2=γ， 則 B 點 之 有 效 應 力 為 4 .0 t/m2P.1172005/8/13/15如圖4-16所示，下降水流之水力坡度為Hhi =，B點之有效應力增加：wwfhiHPγ=γ= 此壓力又稱滲流壓力( S e e p a g e Pr e s s u r e )滲流壓力( S e e p a g e Pr e s s u r e ) ，係由流動 水流所產生牽力所引起。

工程上常見回填砂石級配料 時，工地猛灌水使地層產生向下滲流壓力，以增加地 盤之緊密度，就是這個道理P.1172005/8/14/15而由流動水流所產生之單位 體積之壓力稱為滲流力( S e e p a g e F o r c e ) 以Ps表示之wwf siHiH HPPγ=γ==( Ps之因次與γw相同為F / L3) 故受流動水流之均勻土壤內 任何斷面之滲流力均相等，而滲 流壓力則隨著滲流深度之增加而 改變P.1172005/8/15/15圖 4 - 16 下降水流土樣H1H定水頭溢流水流方向hABγw (H1+ H - h )γwH1+ γs a tH σuwσ'γ'H + γwhγwH1γwH1O土樣H1H定水頭溢流水流方向hABγw (H1+ H - h )γwH1+ γs a tH σuwσ'γ'H + γwhγwH1γwH1OP.1172005/8/16/15例題 4- 9如圖 4-16 所示，當 H1=4.5m，H=4.0m，h=1.5m， 3 satm/t0 .2=γ，則 B 點之有效應力為? 滲流壓力 Pf=? 滲流力 Ps=?【 解 答 】B點 之 有 效 應 力2m/t5.5)5.11()41(=×+×=滲 流 壓 力2 fm/t5.1)5.11(P=×=滲 流 力3 sm/t375.045 .1P==P.1182005/8/17/15若水流係向上，如圖 4 - 1 7所示，當水力坡度為Hhi=時，B點有效應力之減少量Pf，係由於滲流 所引起。

P.1182005/8/18/15假若水力坡度繼續增大則滲流 壓力Pf隨之增加，使有效應力逐漸 減少當有效應力減為零時，此時 水力坡度稱為臨界水力坡度水力坡度( (Cr i t i c a l H y dr a ul i c Gr a di e nt )Cr i t i c a l H y dr a ul i c Gr a di e nt )， 土 壤 無 法 承 受 任 何載重而發生流砂條件(Q u i c k S a n d Co nd i t i on)流砂條件(Q u i c k S a n d Co nd i t i on)，如圖4 - 1 7 係因地層內部 擠 壓 上 升 壓 力 大 而 造 成 之 泥 火 山 P.1182005/8/19/15臨 界 水 力 坡 度 ic求 法 如 下 ：有 效 應 力0HiHwcw=γ−γ=即 得e11Giswsub c+−=γγ=故產生流砂條件之安全係數 ( F a c to r o f S a f e t y )可 以 下 式 表 示 之 ：Hhe11GiiF.S.sc+−==P.1182005/8/110/15圖4-17係流砂槽之模型試驗設備，透過提昇水頭差h之高度可發現砂土產生流砂現象，將一元銅板置於其上，會沉入底下，將人放入產生流砂現象之流砂槽模型中又將如何?P.1182005/8/111/15圖 4 - 17 上升水流土樣H1H定水頭溢流水流方向hABγw (H1+ H + h )γwH1+ γs a tH σuwσ'γ'H - γw hγwH1γwH1O土樣H1H定水頭溢流水流方向hABγw (H1+ H + h )γwH1+ γs a tH σuwσ'γ'H - γw hγwH1γwH1OP.1182005/8/112/15圖 4 - 18 因地層內部擠壓上升壓力大而造成之泥火山 P.1192005/8/113/15圖 4 - 19 流砂槽之模型試驗設備 P.1192005/8/114/15例 題 4 -1 0如 圖 4- 17所 示 ， 當 H1= 4 .5 m， H = 4 .0 m ，h = 1 .5 m ，3 satm/t0.2=γ， 則 B 點 之 有 效 應力 為 ? 滲 流 壓 力 Pf= ? 滲 流 力 Ps= ? 臨 界 水 力 坡 度 = 1 ， 產 生 流 砂 條 件 之 安 全 係 數 = ?P.1192005/8/115/15【 解 答 】 B點 之 有 效 應 力2m/t5.2)5.11()41(=×−×=滲 流 壓 力2 fm/t5 .1)5.11 (P=×=3 sm/t375.045 .1P==臨 界 水 力 坡 度 =1， 產 生 流 砂 條 件 之 安 全 係 數67.245.112=−=P.119。