特殊性岩土工程性质评价综述

特殊性岩土工程特性评价综述
参阅了国内外相关文献，发现对于软土的定义都不尽相同。

往往概述性比较强，具有一定的模糊性。

软土视为软粘土的简称，
软土视为整个软弱土质(高压缩性的有机土、可液化的砂土、软粘土等)的简称
软土视为软弱土的简称
软土或软弱土
我国交通部<<公路软土地基路堤设计与施工技术规范>>(JTJ017-96)对软土的定义为“滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量、孔隙比大、对压缩性高、抗剪强度低的细粒土”。

其鉴定标准参见表1-1。

软土鉴别表(JTJ017-96) 表1-1
特征指标名称天然含水量(%) 天然孔隙比十字板剪切强度(kPa) 指标值≥35与W L≥1.0 <35
我国铁道部门则建议采用以下列物理力学指标，作为区分软土的界限：
1)天然含水量w接近或大于液限；
2)孔隙比e>1；
3)压缩模量E s<4000kPa；
4)标准贯入击数N63.5<2；
5)静力触控贯入阻力p s<700kPa；
6)不排水强度C u<25kPa；
我国建设部颁<<软土地区工程地质勘察规范>><JGJ83-91)规定凡符合以下三项特征即为软土：
1)外观以灰色为主的细粘土；
2)天然含水量大于或等于液限；
3)天然孔隙比大于或等于1.0。

软土地基的标准(1987年日本道路公团) 表1-2 地层泥炭质地基及粘土质地基砂质地基
层厚<10m >10m
SPT-N <4 <6 <10 QCC-q u/kPa <60 <100
Q c/kPa <800 <1200 <4000
《德国地基基础规范》(DIN4084)中的软土指“很容易搓捏的土”，相当软塑状态的土；而将液塑状的土称为“浆糊状土(拳头紧握它时，会从指缝挤出)”。

Terzaghi和Peck(1967)将无侧限抗压强度q u小于25kPa的粘土称作“很软的”，而将强度在25～50kPa的粘土称作“软的”。

而国外一些论文中将不排水抗剪S u(S u=q u/2)小于40kPa的粘性土称为软粘土
综合上述，软土的判别实质上是针对工程而言。

其划分界限的确定，一方面是工程建设的客观需要之外，另一方面设定一个共同的标准，便于学术交流、深入研究与执行国家相关规范标准。

因此，某一部门或某一行业所做出的软土划分界限，是人为划分，属于工程属性，而不是其固有属性。

随着工程建设需求的提高及对软土土性的深入认识，其划分标准还会有一定的变动。

2．黄土
黄土分为湿陷性黄土与非湿陷性黄土两类，就工程而言，更关注湿陷性黄土。

我国分布有世界上面积最大的黄土，对湿陷性黄土变形特征、评价方法的研究十分重要。

黄土的湿陷性是指黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质。

黄土工程特性评价，主要涉及到
定性(确定湿陷性黄土与非湿陷性黄土)
划类(划分自重湿陷性与非自重湿陷性黄土地基或场地)
分级(划分湿陷等级)
判定湿陷起始压力等。

其次，还包括评定湿陷性黄土的分布范围、深度界限与厚度大小、区分湿陷性强烈程度及其在地层中的规律性等。

2．1黄土的分类
黄土是一个统称，它由于生成的年代、成因、环境、地域以及生成后历史变迁上的差异而会具有不同的性质。

因此，仍然需要有一个恰当的分类定名体系，分别反映各自有倾向性和代表性的属性，以便更好地了解和应用各类黄土，获取相应的科学数据和特性规律。

目前人们经常遇到的黄土分类定名体系,分为三类：
1)以地质特征(地层、年代、成因)为基础的体系,
如Ｑ1黄土、Ｑ2黄土、Ｑ3黄土、Ｑ4黄土，午城黄土、离石黄土、马兰黄土，老黄土、新黄土、新近堆积黄土,风积黄土、冲积黄土、洪积黄土、坡积黄土等。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)黄土分类表，参见2-1。

2)以颗粒组成特性为基础的体系
朱慕仁同志根据对全国20226组(其中青海4949组，甘肃1161组，宁夏1318组，陕西7897组，山西2517组，河南607组，内蒙36组,山东657组，辽宁657组，黑龙江38组)黄土试验成果的细致分析得到：对黄土来说,塑性指数仍然是分类定名的良好指标，并以它为基础提出了把黄土区分为砂黄土(4≤I P<6，粉黄土(6≤I P<17)，粘黄土(I P ≥17)，以及必要时，将粉黄土再分为砂质粉黄土(6≤I P <9)，粉黄土(9≤I P <15)和粘质粉黄土(15≤I P<17)三个亚类,将粘黄土再分为粉质粘黄土(17≤I P<20)和粘黄土(I P≥20)等两个亚类的建议,这可作为进一步研究的基础。

这一分类体系与我们熟悉的一般粘性土的分类体系非常相似。

然而，遗憾的是，它在目前还没有得到应有的肯定和广泛的应用。

3)以湿陷特性为基础的体系
如非湿陷性黄土、湿陷性黄土，自重湿陷性黄土、非自重湿陷性黄土等。

此分类定名体系，为我国历代湿陷性黄土地基规范所采用，从而在岩土工程界影响最深最广，也最为相关人士研究最多。

但是，它只能提供关于黄土湿陷特性方面的信息，而且这些信息又以黄土在侧限低压力压缩下饱和浸水所得的湿陷变形为基础,与通常工程上遇到的非侧限(一般为有限侧胀)非饱和(一般为不同增湿)和非低压(较大的建筑物)的条件有较大的出入,使得湿
陷性的有关指标在工程计算应用上受到限制,大大减弱了它的应用价值。

此外,它除了关于黄土湿陷性在特定条件下的有关信息之外,很难从它了解到关于黄土强度,渗透或其他性质的任何信息。

它虽然抓住了一个最重要的性质,但作为黄土的分类却有太大的局限性
[1]。

2．2 黄土湿陷性评价
黄土的湿陷性评价，主要依据由归纳总结湿陷性黄土的相关研究和工程实践经验，所制定的现行《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25-90)标准进行。

2．2．1 黄土湿陷性的确定
1)湿陷系数δs值小于0.015时，定为非湿陷性黄土；
2)湿陷系数δs值等于或大于0.015时，定为湿陷性黄土。

2．2．2 湿陷性类型的划分
1)以自重湿陷系数δzs=0.015为判别标准：
当δzs≥0.015时，定为自重湿陷性黄土；
δzs 0.015时，定为非自重湿陷性黄土。

2)场地湿陷类型的判定
场地湿陷类型一是按实测自重湿陷量Δzs'或按室内压缩试验累计的计算自重湿陷量Δzs 判定。

当实测或计算自重湿陷量小于或等于7cm时，定为非自重湿陷性黄土场地；当实测或计算自重湿陷量大于7cm时，定为自重湿陷性黄土场地。

此外，也有用湿陷起始压力为依据，进行场地类型的划分，但未被列入规范。

当各土层湿陷起始压力均大于相应各土层的上覆土饱和自重压力时，定为非自重湿陷性黄土场地；当各土层湿陷起始压力均小于相应各土层的上覆土饱和自重压力时，定为自重湿陷性黄土地基。

3)湿陷性黄土地基的湿陷等级判别
湿陷性黄土地基的湿陷等级，根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素判定。

参见表2-2。

湿陷性黄土地基的湿陷等级表2-2
注：①当总湿陷量30cm<s≤50cm，计算自重湿陷量7cm<Δs≤30cm ,可判为Ⅱ级；
②当总湿陷量Δs≥50cm,计算自重湿陷量Δzs≥30cm时，可判为Ⅲ级。

③鉴于经验总结，黄土的湿陷强烈程度，根据湿陷系数δs的大小划分为三类[1]：
δs≤0.03轻微湿陷；
0.03<δs≤0.07中等湿陷；
δs >0.07强烈湿陷。

3．膨胀土
膨胀土在我国的分布面积也很广，据报道在河北、河南、安徽、广东等省均有发现。

膨胀土的含义、命名、判别方法及工程性质评价仍主要以《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)为依据，并在此基础上，许多学者对判别指标的选取及评判方法进行了相关研究。

并取得一定的成果。

3．1 国内膨胀土判别方法及工程性质评价
所谓膨胀土指的是一中具有吸水膨胀，失水收缩的粘性土，其主矿物成分是蒙脱石-伊利石，或伊利石-蒙脱石。

GBJ112-87规范中采用宏观观察结合试验指标来判别是不为膨胀土。

对具有下列工程地质特征且自由膨胀率大于或等于40%的土，为膨胀土
●裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。

在自然条件下呈
坚硬或硬塑状态；
●多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎；
建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。

GBJ112-87规范中以自由膨胀率δef作为膨胀土膨胀势的判别标准，以地基分级变形量Sc作为膨胀土地基的胀缩等级划分标准，具体参见表3-1、3-2。

膨胀土的膨胀潜势分类表3-1
膨胀土地基的胀缩等级表3-2
《公路路基设计规范》(JTJ 013--95)依据“<0 002ｍｍ粘粒含量、自由膨胀率Ｆｓ(%)、胀缩总率(%)”三种定量指标界定膨胀土类型为“弱膨胀土、中等膨胀土、强膨胀土”3种。

其参照指标如表3-3。

膨胀土等级划分表表3-3
分类野外地质特征主要粘
土矿物
成分
<0.002粘粒
含量(%)
自由膨胀
率(%)
胀缩总率
(%)
强膨胀土灰白色、灰绿色、粘土细腻、滑感特强、网
状裂隙极发育、有蜡面、易风化呈细粒状、
鳞片状
蒙脱石
伊利石
>50 >90 >4
中等膨胀
土以棕、红、灰色为主，粘土中含少量粉砂，滑感
较强，裂隙较发育，晚风化呈碎粒状，含钙质结
核
蒙脱石
伊利石
35～5065～902～4
弱膨胀土黄褐色为主，粘土中含较多粉砂，有滑感，
裂隙发育，易风化呈碎粒状，含较多钙质或
铁锰结核
蒙脱石
伊利石
高岭石
<35 40～650.7～2.0
此外，还用利用液限与塑性指数联合建立塑性图来进行膨胀土判别，参见图3-1；按胀缩指标判别膨胀土的等级，参见表3-4；按膨胀土物质成分和物理指标分类，参见表3-5；其次根据土中交换阳离子成分与交换容量进行膨胀土的分类。

一般认为含低价交换阳离子Na+、K+、H+等的土膨胀性强,含两价交换阳离子者为中等。

按土的阳离子交换容量可分为:大于40me/100g的土属弱膨胀土;30me/100g～40me/100g的土为中等膨胀土;低于30me/100g 的土为弱膨胀土。

W L /%
I P /%
利用液限与塑性指数联合建立塑性图的方法，已被纳入国家标准(GBJ145—90)和交通部部颁标准(JTJ051—93)之中。

前者取液限(76克锥)ωL >40%，A 线以上为膨胀土；后者取液限(100克锥)ωL ≥50%，A 线以上为膨胀土。

图3-1 W L ～I P 膨胀土判别及等级分类图
膨胀土胀缩指标判别分类 表3-4
胀缩 等级 无荷载下体总胀缩率/% 无荷载下线总胀缩率/%
线总膨胀率/%
胀限含水量状态下的体缩率/%
自由膨胀率/%
强 >18 >8 >4 >23 >80 中
12～18
6～8
2～4
16～23
50～80
弱8～124～60.7～28～1630～50
膨胀土以物质成分与物理指标划分等级分类表表3-5
胀缩等级粘粒含量% 粉粒含量% 液限% 塑性指数% 比表面积
m2/g 强>50 >40 >48 >25 >300
中35～5040～5040～4818～25150～300弱<12<50<40<18<150
安徽省基建设计院提出了以液限、线膨缩总量指标为主，自由膨胀率为辅的分类方法，参见表3-6。

安徽省基建膨胀土分类方法表3-6 液限线胀缩总量自由膨胀率分类
>48 >8 >75 严重
45～486～860～75中等
40～454～645～60一般
3．2 国外膨胀土判别方法及工程性质评价
国际会议上对膨胀土的概述性定义为是一种对环境变化，特别是对于温热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。

影响膨胀土的主要矿物是蒙脱石。

虽然在国际会议上，就膨胀土的定义进行了统一。

但由于各国传统命名上的习惯，许多国家仍旧采用传统命名。

例如印度称膨胀土为黑棉土，我国对膨胀土命名也有多种，如膨胀土、胀缩土、膨润土等。

虽然命名不一样，但就膨胀土的含义而言，国内外学者基本达成共识。

国际上广泛利用的判别方法是1964年南非土木工程研究所VanderMerWe提出，然后1980年经Williams和Donadson修正后，利用塑性指数、<2μｍ含量、粘土活性三个因素，建立粘土膨胀势判别图的方法。

在理论上，塑性指数是粘性土物质成分(粘土矿物、粘粒含量)和物理化学活性的综合影响的结果。

同时该方法又突出了粘粒含量(<2
μｍ)和活性(ＩＰ与<2μｍ粘粒含量之比)的控制作用，粘土膨胀势判别图把粘土膨胀势划分为低、中等、高、很高四级。

参见图3-2。

图3-2 Williams and Donadson法膨胀土膨胀势判别图
印度对膨胀土(黑棉土)的膨胀性提出采用多种试验指标的综合判别分类标准。

图3-3 印度膨胀土(黑棉土)的判别分类图
前苏联对膨胀土的判别有专让的规定，如全苏建筑标准与规则第15条规定：粘性土经不或化学溶液浸湿后体积增大，且在自由膨胀条件下(无荷载)，其相
对膨胀值按下式计算：
h h h H n /)(0-=σ
其中 0H h —试样浸水膨胀后的高度；h —试样浸水前的高度。

且n σ大于0.04属于膨胀土。

在判别指标的选取上，目前国内外常用的主要有两类：一类为反映土的天然结构和状态，另一类反映土的物质组成成分与水相互作用。

前一类指标要求采用原状土样测定，其测定方法较多地受条件限制；后一类指标反映土粒的基本特性，借扰动土样品可测得，测定条件简易可行，故多采用。

参见表3-7。

国内外膨胀土常用判别指标汇总表 表3-7
指标类别 指标名称
物理意义
说 明
膨胀土界限值)
反映土的自然结构与状态指标 压实性指标K d e L -e/e L -e P E L 、e P 、e 分别为液限、塑限和实际下之孔隙比 ≥1.0 膨胀性指标K e e L -e/1+e E 为实际状态下孔隙比，e L =W L G S /G W ,G S 、G W 分别为土、水的比重
≥0.4 吸水指标K w W L -W Sr /W Sr W L 、W St 分别为液限饱和含水量
≥0.4 反映土的物质组成成分的指标 自由膨胀率F S
V W -V 0/ V 0
V W 、V 0为试样在水中膨胀后的体积及其原体积 ≥40% 液限W L 反映土处于塑性状态上限时的含水量
≥40% 塑性指标I P W L -W P W L 、W P 为液限、塑限含水量
≥18 活动性指数K A
I P /A
I P 为塑性指数，A 为小于0.002mm 颗粒百分含量
≥1.25
第十节液化地基与处理
砂土液化是指饱和松散粉细砂（或粉土）在动力荷载作用下，孔隙水压力积聚达到或超过上覆有效压力，这时土中有效应力就等于零，土不再具有抗剪强度和剪切刚度，处于类似于液体的状态。

土的液化使得地基将完全丧失承载能力。

地震、波浪、车辆行驶、机器振动、打桩及爆破等都可能引起饱和砂土的液化，其中又以地震引起的大面积甚至深层砂土液化的危害最大。

例如1964年日本新泻地震和其后美国阿拉斯加地震，以及我国1976年唐山地震等就是造成这类破坏的例证。

一、地基液化病害
1. 砂土液化造成的灾害的外观表现
1）喷砂冒水
地震时在砂土层中产生相当高的孔隙水压力，在覆盖层比较薄弱地方或地震所形成的裂缝中喷出砂、水混合物。

喷出的砂土能破坏农田，淤塞渠道。

喷砂冒水的范围往往很大，持续时间可达几小时甚至十几天，有的水头可高达2~3m 。

2）震陷
液化时喷砂冒水带走了大量砂土，导致建筑物地基产生不均匀沉陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。

例如1964年日本新泻地震时，有的建筑物产生了1m左右的沉陷和2.3˚以上的倾斜，机场跑道遭到严重破坏，卡车和混凝土结构沉入土中。

又如1976年唐山地震时，天津某农场高10m左右的砖砌水塔，因其西北角处地基土喷砂冒水，水塔整体向西北倾斜了6˚。

3）滑坡
在岸坡或坝坡中的饱和砂层，由于液化而丧失抗剪强度，使土坡失去稳定沿着液化层滑动，形成大面积滑坡。

1971年美国加洲San Fernando 坝在地震中发生上游坝坡大滑动，研究证明这是因为在地震振动即将结束时，在靠近坝底和粘土心墙上游面处的广阔区域内砂土发生液化的缘故。

4）地基失稳
建筑物地基中的砂土层因液化而失去承载能力，使地基整体失稳而破坏。

例如日本新泻地震时，有一公寓因地基砂土层液化失稳而陷入土中并以80˚的倾斜度倾倒。

图5-59地震前和地震时单元体的理想受力状态
在地震时，土体内单元体所受的力主要是从基岩向上传播的剪切波所引起的。

水平砂层
内单元体理想的受力状态如图5-59所示。

在地震前，单元体上受到有效主应力v
σ'和v k σ'0的作用，其中k 0为静止土压力系数。

在地震时，单元体上将受到周期性，大小和方向在不断变化的循环剪应力d τ的重复剪切作用。

饱和松砂在这一循环荷载作用下产生不可逆的体积压缩，在排水不畅或不排水条件下，孔隙水压力会随着循环荷载的次数增加发生积聚，而逐渐上升，土中有效应力下降。

在某次循环荷载之后，孔隙水压力将迅速上升，应变急剧增大，有效应力趋于零，土体的承载能力丧失，土体进入液化状态。

a)地震前
b)地震后
2. 影响土液化势的主要因素
1）土的成分
土的矿物成份是决定土是否液化的重要条件之一，粘性土由于粘土矿物与水作用产生的粘聚力c，即使孔隙水压力等于有效应力，抗剪强度也不会完全丧失，因而不具备液化的内在条件。

土的粒度成分同样对土的液化有影响。

粗颗粒土的排水性能良好，循环荷载作用下不易产生孔隙水压力积聚现象，因此不易发生土液化现象。

换言之，饱和细粉砂或粉土由于其既不具有粘性土的粘聚力，而排水又不够通畅，在地震循环荷载作用下，最易发生孔隙水压力的积聚而导致液化。

此外，级配不良的砂土较级配良好的砂土更易液化。

2）土的初始状态
有关液化土的初始物理状态是指其密实程度，一般采用相对密度Dr来描述。

松砂在循环荷载作用下，易产生不可逆的体积压缩，即剪缩现象。

剪缩加剧了孔隙水压力积聚的水平和速度。

密砂剪切则与松砂不同，甚至出现剪胀现象，在土中产生负的孔隙水压力，不易产生孔隙水压力的积聚。

因此，松砂较密砂更易发生液化。

日本新泻地震的资料表明，对于7度强度的地震，Dr≤50%砂土发生液化；而Dr>70%的土不发生液化。

同样我国中科院“海城地震与液化考察报告”中亦提出相似的结论。

另外，砂土的初始应力状态，即指土体的有效初始竖向应力
σ'愈小（液化土层埋藏深度愈浅），土体达到液化时，所需积聚的孔隙水压v
力水平就愈低，土层愈容易发生液化破坏；地震的强度愈高，持续时间愈长，即循环荷载产生的剪切力愈大，循环次数愈多，液化土层愈易发生液化。

二、液化地基的处理
无论是液化地基处理的设计，还是处理后效果的检验，都要求有一个砂土液化可能性评价的有效方法。

目前大致归纳为三大类方法，即现场试验、室内试验和经验对比。

由于地震时砂土液化的机理十分复杂，现场试验判别砂土液化可以比较全面地反映液化土的各种影响因素，如何利用现场的实测结果判断砂土液化可能性，成为工程界关心的问题。

1. 砂土液化的判别
关于土的液化判别方法，在我国《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）中作了明确的规定。

具体判别方法如下：
饱和的砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或不考虑液化影响 （1）地质年代为第四世纪晚更新世（Q3）及其以前时，可判为不液化土；
（2）粉土的粘粒（粒径小于0.005mm 的颗粒）含量百分率，对应于地震裂变七度、八
度和九度分别不小于10、13、和16时，可判别为不液化土；
（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一
时，可不考虑液化影响
20-+>b u d d d
30-+>b w d d d
5.425.10-+>+b w u d d d d （5-111）
式中 d w －为地下水位深度（m ），宜按建筑使用期内或近期内年平均最高水位采用，也可
按近期内年最高水位采用；
d u －为上覆非液化土层厚度（m ），计算时宜将淤泥或淤泥质土层扣除； d b －为基础埋置深度（m ），不超过2m 时应采用2m ； d o －液化土特征深度（m ），可按表5-25采用。

经过以上初步判定后，认为需要进一步判别时，应采用标准贯入击数N 的判别法，即
在地面下15m 深度范围内，有可能液化土层按式（5-112）判定。

当有成熟经验时，尚可采用其它判别方法。

cr N N < c
w s cr P d d N N 3
)]
(1.09.0[0-+= （5-112） 式中 N －为饱和土标准贯入锤击数实测值（未经杆长修正）； N cr －液化判别标准贯入锤击数临界值；
表5-25 液化土特征深度（m ） 饱和土 类别 烈度 七度 八度 九度 粉土 6 7 8 砂土
7
8
9
N０－为液化判别标准贯入锤击数基准值，应按表5-26采用；
d s－为饱和土标准贯入点深度（m）；
P c－为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时均应采用3。

表5-26 标准贯入锤击数基准值N０
近、远震烈度
七度八度九度
近震 6 10 16
远震8 12 -
2. 防止砂土液化的工程措施简介
地震时因砂土地基液化而造成建筑物毁坏的情况是十分普遍的。

所以当判明建筑物地基中有可液化的砂土层时，必须采取相应的工程措施，以防止震害。

防止砂土液化的处理原则是避开、挖除或加固。

如果可能液化的范围不大，可以根据具体情况或避开或挖除。

如果范围较广、较深时，一般只能采取加固的措施。

我国目前常用的加固方法有人工加密、围封、桩基及盖重等。

加密是增加砂土层密度，如用振浮法、砂桩挤密法，以及国内外近年推行的强夯法等。

前二者已经实践证明可有效地提高地基抗液化能力；后者经近年来实践证明亦是可行的。

围封是用板桩把有可能液化的范围包围起来。

桩基是将建筑物支承在桩基础上，而桩必须穿过可能液化的砂层，支承在下部不液化的密实土层上。

盖重是加大可液化砂层的上覆压力。

如在可能液化范围的地面上加载（如堆土）等，这对防止液化也有一定效果。

如果在增加上覆压力过程中同时采取排水措施，还可使砂土进一步加密，抗液化效果更好。

此外，复合型土工合成材料制作的塑料排水板PVDs也可用于地基抗液化处理，这是基于PVDs既有优良的张拉特性，在可能液化地基中起到加筋作用；又因为其排水功能，降低易液化地基在动力（地震）荷载下超静孔隙水压力积聚的水平。

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