第八章特殊土的工程地质评价

第八章特殊土的工程地质评价学习目标：了解工程中常遇到的特殊土的形成、特性、分布范围及处理方法。

学习重点：湿陷性黄土，软土及粘土的成因、分类、工程性质及处理方法。

学习建议：抓住特殊土的主要工程地质特性，掌握特殊土地及的处理方法。

我国地大物博，地质条件复杂，各类土由于形成时的地理环境、气候条件、物质成分不同而具有显著不同的特殊工程性质。

特殊土具有明显的区域性，如湿陷性黄土主要分布于西北、华北等干旱、半干旱地；红黏土主要分布于西南亚热带湿热气候地区；膨胀土主要分布于南方和中南地区；多年冻土及盐渍土主要分布于高纬度、高海拔地区。

8.1湿陷性黄土湿陷性土一般是指非饱和的不稳定的土，在一定压力作用下，遇水后发生显著的沉陷。

湿陷性土在地球上分布很广，主要有风积的砂和黄土、次生黄土状土、冲积土、残积土；还有可溶性盐胶结的松砂、分散性粘土以及盐渍土。

其中，以湿陷性黄土的分布面积最广。

1．湿陷性黄土的形成黄土是在风的搬运作用下沉积，没有经过次生扰动、无层理、含大孔隙的黄色粉质碳酸盐类沉积物。

其它成因、黄色、具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称为黄土状土。

黄土和黄土状土（以下统称黄土）在天然含水量时，一般具有较高的强度和较小的压缩性。

但遇水后，在自重压力，或自重压力与附加压力共同作用下，有的会产生大量的沉陷变形，有的却并不发生湿陷。

前者称为湿陷性黄土，后者称为非湿陷性黄土。

湿陷性黄土又分为自重湿陷性黄土（在自重压力作用下产生湿陷性的）和非自重湿陷性黄土（自重压力与附加压力共同作用下产生湿陷性的）。

影响黄土湿陷性的主要物理性质指标为天然孔隙比和天然含水量。

在其它条件相同时，黄土的天然孔隙比越大，则湿陷性越强；黄土的湿陷性随其天然含水量的增加而减弱；当含水量相同时，黄土的湿陷量将随浸湿程度的增加而增大。

在给定的天然孔隙比和含水量的情况下，在一定的压力范围内，湿陷量将随压力的增加而增大。

黄土天然孔隙比一般在1.00左右，颗粒组成以粉粒为主（含量在60%以上），含大量的可溶盐，颜色为黄色或褐色，天然剖面形成垂直节理，一般具有肉眼可见的大孔隙。

2．湿陷变形的特征指标衡量黄土湿陷性变形特征的指标主要有三个：湿陷系数、湿陷起始压力和湿陷起始含水量。

1）湿陷系数δs：湿陷系数是单位厚度土样在规定的压力作用下受水浸湿后所产生的湿陷量。

δs可通过室内侧限浸水压缩试验确定。

湿陷系数的大小反映了黄土对水的湿陷敏感程度。

δs越大，表示土受水浸湿后的湿陷性越大。

一般认为：δs≤0.03，为弱湿陷性；0.03<δs≤0.07，为中等湿陷性，δs>0.07，为强湿陷性。

2）湿陷起始压力psh ：黄土在某一压力作用下浸水后开始出现湿陷时的压力叫湿陷起始压力。

如果作用在湿陷性黄土地基上的压力小于这个起始压力，地基即使浸水，也不会发生湿陷。

psh值常通过室内浸水压缩试验和现场浸水载荷试验确定。

黄土规范规定，当按室内试验确定时，可在p~δs曲线上取δs=0.015所对应的压力作为湿陷起始压力；当按载荷试验确定时，应在p~δs（δs为浸水下沉量）曲线上取其转折点所对应的压力为湿陷起始压力值。

如转折点不明确，可取δs/b（b为压板宽度）等于0.015所对应的压力作为湿陷起始压力值。

对自重湿陷性黄土，不需要确定其湿陷起始压力值。

3）湿陷起始含水量wsh：湿陷性黄土在一定压力作用下受水浸湿开始出现湿陷时的最低含水量叫湿陷起始含水量。

对同一种土，起始含水量并非是一个定值，一般随压力的增大而减少。

确定wsh的方法是以土样在某一压力作用下的湿陷系数等于0.015时相应含水量值。

3．湿陷性黄土地基的处理湿陷性黄土地基处理的目的，主要是改善土的物理力学性质，消除或减少地基因浸水而引起的湿陷变形。

国内目前较常的处理方法有换土垫层法、强夯法、土（或灰土或水泥土）桩挤密法、预浸水、深基础或桩基础等。

8.2膨胀土膨胀土是一种特殊的粘性土，常呈非饱和状态且结构不稳定。

粘粒矿物成分主要由亲水性矿物组成。

其最显著的特征是吸水膨胀和失水收缩。

其体积变化可占原体积的40%以上，且胀缩可逆并反复交替。

膨胀土一般分布在二级以上的河谷阶地、山前和盆地边缘丘陵地，埋藏较浅，地貌多呈微起伏的低丘陵坡和垄岗和地形，一般坡度平缓。

在旱季，地表常出现裂隙，雨季裂缝又闭合据广西、湖北两地调查，一般为10~80m，宽3~5cm，深为3.5~8.5m。

我国膨胀土形成的地质年代大多为第四纪晚更新世（Q3）及其以前为全新世（Q4）。

成因大多为残积，有的冲积、洪积或坡积。

膨胀土多呈灰白、灰绿、灰黄、棕红或褐黄色。

主要矿物成分是蒙脱石和伊利石。

蒙脱石亲水性强，遇水膨胀强烈；伊利石次之。

天然状态下的膨胀上，多呈硬塑到坚硬状态，强度较高，压缩性较低，当无水浸入时，是一种良好的天然地基。

但遇水或失水后，则膨缩明显。

建在未处理的膨胀土地基上的建筑物，往往产生开裂和破坏，且不可修复，危害极大。

膨胀土粘粒含量较高，一般超过20%；天然含水量接近塑限，饱和度一般大于85%。

塑性指数在22-35之间，天然状态下多呈硬塑或坚硬状态，土的压缩性小。

1．膨胀土的工程特性指标及影响膨胀的因素膨胀土工程特性指标主要有四个：自由膨胀率δef、膨胀率δep、收缩系数λs和膨胀力Pe。

参见文字教材p137~138。

影响膨胀土胀缩的因素主要有矿物组成和化学成分，如土中含蒙脱石越多，粘粒含量越大，土的天然孔隙比越小，则浸水后膨胀量越大。

另外气候变化，压力的作用，也对膨胀性有影响。

2．膨胀土的判别我国目前对膨胀土的采用综合判别法，即根据现场的工程地质特征、自由膨胀率、建筑物的破坏特征来综合判定。

参见文字教材p138。

3．膨胀土地基处理常用的地基处理方法有换土、预浸水、桩基等，其具体选用应根据地基的胀缩等级，地方材料、施工条件、建筑经验等通过综合技术经济比较后确定。

8.3冻土地基冻土分多年冻土和季节性冻土。

多年冻土是指连续三年或三年以上保持在摄氏零度以下，并含有冰的土层。

季节性冻土常覆盖在多年冻土之上。

冻土由于外界原因融化后，强度显著降低，压缩性增大，会导致建在其上的建筑物破坏或影响正常使用。

多年冻土在我国集中在内蒙古自治区、黑龙江少大小兴安岭，青藏高原、甘肃、新疆高山区。

这些地方年平均气温在-2℃以下，冰冻期长达七个月以上。

对不同的土起始冻结温度是不一样的。

对同一种土含水量越小，起始冻结温度越低。

在多年冻土地区常见到一些特殊的不良地质现象，如地下冰、热融滑坍、冰椎、冰丘等，在勘察时应充分查明，以便采取相应的措施。

1．冻土的物理力学性质1）冻土的特殊物理指标与一般土不同，冻土是由四相组成，即矿物颗粒、冰、水和气体。

除土的常规指标外，冻土还有以下特征指标：相对含冰量、冰夹层含水量、未冻土含量、重量含水量、冰夹层含水量和冻胀量。

指标的定义舰文字教材p140。

2）冻土的力学特性冻土的抗压强度大于未冻土的许多倍，这是由于冰的胶结作用造成的。

随着温度的降低，土中含冰量增加，同时冰的强度也增大，因此冻的抗压强度随温度的降低而增高。

土中含水量越大，冻土的抗压强度就越大。

冻土中由于存在未冻水和冰，故在长期荷载作用下土的流变性十分显著。

冻土长期极限抗压强度比常规试验条件下得到的瞬时抗压强度要小得多。

冻土融化后的抗压强度与抗剪强度将显著降低。

对于含冰量很大的土，融化后的内聚力约为冻结时的1/10。

这时，建于冻土上的建筑物将因地基强度破坏而造成严重事故。

2．冻土地基设计原则冻土未融化时，强度较高，可作为天然地基，而融化后的冻土应进行处理或采取相应措施后才能作为建筑物的地基。

因此，冻土地基可采取两种不同的设计原则：保持冻结和允许融化法。

一般来说，当冻土厚度较大，土温比较稳定，或者是坚硬的和融陷性很大的冻土，采取保持冻结法比较合理，特别是对那些不采暖房屋和带不采暖地下室的采暖建筑物最为适宜；如果冻土厚度不大，土层埋藏较浅，不连续分布的小块岛状冻土或融陷量不大的冻土层，则采取允许融化的原则较合理。

8.4盐渍土盐渍土是指易溶盐含量大于0.5%或中溶盐含量大于5%的土。

盐渍土对工程上的危害较广泛，可以概括为三个方面：即溶陷性、膨胀性和腐蚀性。

滨海盐渍土因常年处于饱和状态，其溶陷性和膨胀性不明显，主要是腐蚀方面的危害，而内地盐渍土则三种危害兼而有之，且较为严重。

例如：天然状态下的盐渍土是很好的建筑地基，但一旦因自然条件改变而浸水，盐渍土地基就产生严重溶陷。

所以，在工程上，研究和处理盐渍土重点应面向内陆盐渍土。

8.5软土地基软土一般是指在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物。

其天然含水量大、压缩性高、承载力低、渗透性小，是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘性土。

软土的天然含水量w大于液限wL；天然孔隙比e大于1；压缩系数a1-2大于0.5MPa-1；不排水抗剪强度c小于20kPa。

当软土天然孔隙比e大于1.5时为淤泥；天然孔隙比e小于1.5而大于1.0时为淤泥质土。

工程上把淤泥和淤泥质土统称为软土。

我国沿海地区和内陆平原或山区都广泛地分布着海相、三角洲相、湖相和河相沉积的饱和软土。

其厚度由数米至数十米不等。

软土具有压缩性高，强度低等特性，因此变形问题是软土地基的一个主要问题，表现为建筑物的沉降量大而不均匀、沉降速率大以及沉降稳定历时较长等特点。

8.6红粘土地基红粘土是指出露地表的碳酸盐类岩石，在湿热气候条件下经风化、淋滤和红土化作用而形成的一种高塑性粘土，它常覆盖于基岩上，呈棕红或褐红、褐黄色。

红粘土主要分布于我国黄河、秦岭以南、青藏高原以东地区。

集中分布在北纬30度以南的桂、黔、滇、川东、湘西等省区。

在北纬30度与35度之间也有零星分布，如鲁南、陕南、鄂西等地。

土的状态一般从地表往下逐渐变软，上部往往呈坚硬、硬塑状态，在深度6m以下一般呈软塑状态，因此，红粘土地基往往具有硬壳层。

红粘土层厚度变化很大、裂隙普遍发育。

竖向裂隙从地表可延伸到3~6m。

裂隙面一般光滑。

由于裂隙的存在，破坏了土的完整性，将土体切割成块状，地下水往往沿裂缝活动，对红粘土的工程性质十分不利。

在红粘土地基上建造建筑物应充分考虑红粘土上硬下软的湿度状态竖向分布特征，基础尽量浅埋。

对三级建筑物，当满足持力层承载力时即可以认为已满足下卧层承载力的要求。

如土层下部有软弱下卧层存在，在设计时，应注意验算地基变形值如沉降量、沉降差等，确定它们是否合乎要求。

在红粘土分布的斜坡地带，施工中必须注意斜坡和坑壁的崩滑现象。

由于红粘土具有胀缩特征，在反复干、湿的条件下会产生裂隙，雨水等沿裂隙渗入，以致坑壁容易崩塌，斜坡也容易出现滑坡，应予重视。