1 软土的一般工程特性

软土地基与深基础工程主要内容软土工程性质地基处理基坑开挖桩基础地基与基础共同作用软土工程性质一、软土一般工程特性二、土的本构关系三、地基应力与沉降四、地基固结与流变五、地基承载力六、土坡稳定与计算一、软土的一般工程特性1软土的定义明确定义软土地基是困难的。通常把抗剪强度低、压缩性高、透水性差的地基以及在动力荷载作用下容易液化的地基称为软土地基。软土的概念软土包括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等，是一种天然含水量大、压缩性高、天然孔隙比大于等于1、抗剪强度低的细粒土。淤泥类土泥炭类土软土淤泥淤泥质土泥炭泥炭质土以孔隙比划分以有机物含量划分淤泥、淤泥质土的概念在静水或缓慢的流水环境中沉积，经物理化学和生物化学作用形成的，未固结的软弱细粒或极细粒土。属现代新近沉积物。淤泥按粒度组成可以是粉土质的或粘土质的，细砂质或极细砂质的极少。海滨淤泥的粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主，淡水淤泥则是以伊利石和高岭石为主。淤泥含有较多的(2～3％)和多的(10～12％)有机质，其含量随深度而减少。淤泥的主要特性是：天然含水率高于液限，孔隙比多大于1.0；干密度小,只有0.8～0.9克／立方厘米;压缩性特别高,压力自9.8×10帕增加到19.6×10帕时，压缩系数为a1-20.05，压力自9.8×10帕增加到29.4×10帕时压缩系数a1-30.1;强度极低，常处于流动状态，视为软弱地基。淤泥按孔隙比可再细分为淤泥（孔隙比大于1.5）和淤泥质土（孔隙比为1～1.5）。淤泥的自然结构变化十分敏感，结构及其强度受力破坏后能自动复原，这就是所谓的触变性。淤泥不宜作天然地基，因为它会产生不均匀沉降，使建筑物产生裂缝、倾斜、影响正常使用。在淤泥上进行建筑时必须采取人工加固措施。如压密、夯实，用垂直砂井排水，加速淤泥固结。有时可采用柱基，或在建筑物上部采用适应于不均匀沉降的刚性圈梁，沉降缝等结构措施，以保证建筑物的稳定安全。泥炭、泥炭质土的概念有机质含量达到或超过30%的松软沉积物，是湿地环境的特定产物。经过地质过程而硬化成岩，便是褐煤。泥炭是沼泽在形成过程中的产物，也是沼泽地形的特征之一。泥炭的主要来源是泥碳苔（PeatMoss）或泥碳藓（Sphagnum），但除此以外其他的有机物质例如死去的沼泽植物乃至于动物与昆虫的尸体，都有可能成为泥炭的形成来源。这些物质在死亡后沉积在沼泽底部，由于潮湿与偏酸性的环境，而无法完全腐败分解，因而形成所谓的泥炭层。泥炭呈块体，含水量一般为80～90%，泥炭的比重一般为1.20～1.60，中国泥炭的发热量，多数为9.50～15.0兆焦/千克。泥炭质地松软，容易燃烧。泥炭在自然状态下，组成物质横跨液相、气相和固相三种状态。其中固相物质的部分，主要包含有机物质和矿物质两部分。而如果以组成物质的角度来看，泥炭主要的成分是有机物质（也是碳元素的主要来源），而其中又以固相的有机物质比例最高。软土的概念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（或液限）≥1.035《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》中软土的判别标准：《软土地区工程地质勘察规范》规定软土的判别应符合下列要求：1、外观以灰色为主的细粒土；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。概念上的软土和工程设计中所指的软土？盐渍化的软土？2软土的成因、分类及分布软土软土是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等。软土按沉积环境及成因分为四类。滨海相泻湖相湖相河漫滩相溺谷相三角洲相牛轭湖相沼泽相滨海沉积软土湖泊沉积软土河滩沉积软土沼泽沉积软土软土与软土地基1.2软土的成因、分类及分布滨海相沉积为主的软土:如湛江、香港、厦门、舟山、宁波、连云港、塘沽、大连湾等；泻湖相沉积的软土以温州、宁波为代表；溺谷相软土在福州、泉州一带；三角洲相软土如上海地区、珠江下游的广州地区；河漫滩相沉积软土在长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等地区；内陆软土主要为湖相沉积，如洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周以及昆明的滇池地区等。沼泽相沉积软土主要分布在内蒙、东北大、小兴安岭、西南森林地区。2软土的成因、分类及分布区别海陆别典型地区沉积相土层埋深物理性质指标（平均值）天然含水量容重孔隙比饱和度液限塑限塑限指数液限指数有机质含量m％g/cm3％％％％北部地区沿海天津塘沽、连云港、大连等滨海0～34451.781.23934222191.257.5三角洲5～9401.791.11973519161.35中部地区沿海温州湾、宁波、舟山滨海2～32521.711.4198462424温州、宁波地区泻湖1～35511.671.61984725241.346.5福州、泉州溺谷1~25581.631.74955231261.911长江下游（上海）三角洲2～19431.761.24984023171.11内陆昆明的滇池高原湖泊771.541.9370281.2818.4洞庭湖、洪泽湖、太湖等平原湖泊471.741.314323199.9长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等河漫滩471.751.2239171.44南方地区沿海湛江、香港、厦门滨海0～9611.631.65955327261.94珠江下游（广州）三角洲1～101.581.675437243软土的分布和层理1)软土的分布①分布区域：在我国大多分布在沿海地区（东海、黄海、渤海、南海等，如上海、天津、宁波、温州等）、内陆平原（长江中下游、淮河平原、松辽平原等，洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周等）和山区（昆明的滇池地区、贵州六盘水地区等）也有分布。②厚度变化大：几米～几十米。2)软土的层理构造－二元结构指厚度变化较大的地区，地表一般有一个1～3m的硬壳层，其下为5～30m的饱和软土（上海市一般为20～45m）。4软土的工程性质1)触变性－原状土受振动以后，破坏了结构连接，降低了土的强度或很快地使土变成稀释状态。用灵敏度（指土的性质受结构扰动影响而改变的特性，）表示，，甚至更大。后果：软土地基侧向滑动、沉降及基底在两侧挤出等。例如：绍兴引水工程。utuqSqtS3~4tS2)流变性－软土在剪应力作用下发生缓慢而长期的剪切变形（不同于排水固结）。后果：对地基沉降有较大影响，对斜坡、堤岸、码头等地基稳定不利。例如：上海展览馆。3)高压缩性－属高压缩性土，大部分压缩变形发生在垂直压力100左右。后果：建筑物沉降量大。1120.5aMPa11120.5~1.54.5aMPaMPa一般为，最大者达砂土不透水粘土地下水位总应力有效应力中和应力低透水粘土砂土砂土（不饱和）砂土粘土（半透水）总应力有效应力中和应力总应力有效应力中和应力毛细张力力4)低强度－因具有上述特性，地基强度很低，其不排水抗剪强度均在5~20一般低于20。后果：承载力低（一般小于100，为50~80）。kPakPakPakPa5)低透水性－透水性弱，垂向渗透系数在量级，不利地基排水固结。后果：沉降延续时间长，可达几年至几十年。6810~10/cms6)不均匀性－因沉积环境变化，常夹有厚薄不等的粘土层，使地层在垂直和水平分布上不均匀。后果：易产生差异沉降。5软土的物理力学指标，有机质含量。详见有关手册、规范、教科书。12,,,,,,,,,,,LPLutecakIIqS最“无聊”实验@Newton-科学世界：【最“无聊”实验】1927年，昆士兰大学的ThomasParnell教授为了向学生证明某些形似固体的东西实际是流体，把一些沥青放进漏斗。沥青每9年左右落下一滴。首滴1938年滴下，现已滴出8滴，下一滴可能在明年。现在实验由JohnMainstone教授看管。他们凭“连续进行时间最长的实验”而获得2005年Ig诺贝尔奖。6勘察试验要求（有关手册、规范）1)勘察要点。2)室内试验。3)原位测试。4)根据不同工程要求，确定试验方法和参数。7软土地基评价1)稳定性评价遇下列情况时应评价地基的稳定性。①当“建物”离河岸、池塘、海岸等边坡较近时，应评价软土侧向挤出或滑移的可能性。②当地基受力范围内有顶面倾斜的基岩或硬土层，应评价软土沿该面产生滑移的可能性。③当场地位于强震区，应分析场地和地基的地震效应饱和砂土、粉土液化判别、场地稳定性和震陷的可能性评定。④水文地质条件变化较大时，分析其对地基和稳定性的影响。⑤浅层含沼气的地基，分析沼气逸出时对地基稳定性和变形的影响。2)地基承载力软土地区浅基础的地基承载力受变形控制，因此要综合考虑地基土、基础和上部结构的相互作用，理论与地区经验相结合。①软土地区（上海、天津、福建、浙江等）规范推荐的计算公式。②双层土地基的承载力公式。③原位测试确定－静载、静探、旁压、十字板等3)地基沉降icsicsSSSSSSS总沉降式中瞬时沉降；固结沉降；次固结沉降。次固结沉降固结沉降瞬时沉降总沉降4)软土地基强度和变形评价注意事项（1）不宜用单一方法计算确定，应采取原位测试、理论计算及地区经验相结合的综合方法确定。（2）评价时应考虑下列因素：①软土的物理力学性质及取样技术、试验方法等；②软土的形成条件，成层特点、均匀性、应力历史、地下水及其变化。③上部结构类型、刚度，对不均匀的敏感性，荷载性质、大小及分布特征；④基础的类型、尺寸、埋深和刚度等；⑤施工方法、工序及加荷速率对软土性质的影响。8几个特殊岩土工程问题1)桩的负摩阻力产生于下列情况：①桩穿过欠固结的软粘土或新填土，支承于较硬土层或岩层上；②桩周围地面上有较大面积堆载或新填土；③地下水位下降，使土中有效应力增大，引起桩周围土的压缩下沉；④排土桩施工时，使桩周土体发生隆起及孔隙水压力升高，施工结束后，桩周土发生重固结下沉。*具体计算参考文献[6-10]。2)软土土体稳定性分析①在软土地基上填筑土堤或房屋建筑－最危险的阶段是施工刚结束；②在软土地基上挖方工程－最危险的不是施工刚结束，而是开挖后相当长时间。由于卸荷产生的负超孔压逐渐消散，土的抗剪强度逐渐降低；③天然软土边坡－（蠕变）土坡稳定受软土长期强度控制（上海经验：固快为60%~80%）3)基坑开挖的变形问题①基坑隆起：理论公式、经验公式②支挡结构的变形③坑外地表沉降（a）小变形（≤50mm）－属于正常变形，一般“建物”可能有裂缝，但对主体结构无影响；（b）中等变形（50~100mm）－一般“建物”有裂缝，地下管线要维修；（c）大变形（100mm）（见图）B1/2BH危险区中等危险区稳定区基坑外地表沉降示意图4)软土中土坡稳定问题简化的Bishop法（电算）5)软土的地震特性①深厚软土场地在远震作用下的地面运动比坚硬地基要强烈好几倍，震害大。②上海地区上部的土层主要起放大作用，而夹在两个砂层间的深层粘性土有“隔震”作用。③深厚软土有低通滤波作用（高频滤，低频通过）。讨论◆解决岩土工程问题的程序1.针对工程要求，现场调查，搞清岩土工程条件。2.提出问题，抓主要的，并作一定简化。3.确定数学模型及分析计算原理。4.获取有关资料。5.选择所用参数。6.加上工程经验，作出判断、预测、评价及处理方案。7.检验及修正认识。二、土的本构关系•土的本构关系又称为本构模型，即描述土的应力－应变－关系的数学表达式。土的关系很复杂，具有非线性、粘弹塑性，同时强度发挥程度、应力历史以及土的组成状态和结构等对其都有影响。目前，已建立的本构模型很多，重要的有以下几类：1.弹性模型-----Winkler、弹性半空间、分层地基2.非线性弹性模型-----D-C3.弹塑性模型------剑桥4.粘弹性模型5.边界面模型6.内蕴时间模型（一）土体的变形特性1.非线性和非弹性2.塑性体积应变和剪胀性3.塑性剪应变4.硬化和软化5.应力路径和应力历史对变形的影响6.中主应力对变形的影响7.高固结压力的影响8.各向异性（二）非线性弹性地基模型具有代表性的邓肯－张模型（Duncan-Changmodel，1970）（1）特点如图a