工程地质-湿陷性黄土的工程性质

网院辅导教师：邵强2009年9月23日湿陷性黄土的工程性质湿陷性黄土的工程性质湿陷性黄土的成因及主要特征1湿陷性黄土的物理化学性质2湿陷性黄土的工程力学性质3湿陷性黄土地基的工程处治措施4一、湿陷性黄土的成因及主要特征•湿陷性黄土的定义黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部特征，不同于同时期的其它沉积物。黄土具有以下全部特征：1.颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；2.颗粒组成以粉粒(0.05-0.005mm)为主，含量一般在60%以上，几乎没有粒径大于0.25mm的颗粒；3.孔隙比较大，一般在1.0左右；4.富含碳酸钙盐类；5.垂直节理发育；6.一般有肉眼可见的大孔隙。当缺少其中一项或几项特征的称黄土状土。•黄土的分类黄土安成因分为原生（或典型）黄土和次生黄土。一般认为不具层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过流水冲刷、搬运重新沉积而形成的具有层理含较多砂粒以至细粒的黄土称次生黄土。一、湿陷性黄土的成因及主要特征次生黄土的结构强度比原生黄土低，湿陷性较高，地质界常将原生黄土称为黄土，次生黄土称为黄土状土。从工程建设角度看，主要是土的物理力学性质，因此不区别黄土或黄土状土，而通称为黄土。黄土的成因1.风成说在当时干旱的大陆性气候作用下，高度风化的黄土物质受到强大的反旋风作用，从中部呈离心状吹向荒漠边缘地区，当遇到异向风或降雨沉落于地面，经风化作用形成黄土。一般认为我国黄土材料是从中亚西亚搬运来的。形成黄土的自然环境是干旱或搬干旱地荒漠草原。我国黄土的颗粒组成、矿物和化学成分都有自南向北逐渐变化的趋势，黄土颗粒自东南向西北逐渐变粗，在同一区域内，高山和低地都有黄土分布，而且黄土堆积常有坡向性，在迎风面堆积量大，背风面少。黄土地形于下伏基岩有密切关系，常随古地形起伏而起伏，且与下伏基岩性质无关，成分复杂，呈不整合或假整合接触，在构造上，黄土无层理，柱状节理发育，这与具有层理的冲、洪积形成的黄土状土有明显差别。一、湿陷性黄土的成因及主要特征2.水成说认为黄土是由冲积、洪积、湖积等的假说。认为黄土的整个堆积过程于整个地形地貌的发展过程密切相关，早期随盆地四周山坡降水下流而汇集于山间或三角洲处的黄土冲积物堆积成黄土高原，在一定盆地内有一定的分布高度，称为黄土线，黄土线就代表着过去河流淤积的最高地面，超过这一高度就没有黄土分布。陕西高原黄土来自上游大小盆地，晚期在新构造运动作用下地层上升切割形成的河谷中，黄土沉积物堆积成阶地性状，在大陆性干旱气候下，这些沉积物在风化和成土作用下形成黄土。该学说将原生黄土与次生黄土的沉积过程与地貌形成过程统一起来，将黄土堆积物概括为两大类：较古老的高原黄土，年青的阶地黄土。3.多种成因说认为各地区黄土形成的地质地理环境以及这些环境的演化历史是不同的。利用地层、地貌、岩性、古地理、地球化学、土的物质成分等分析方法的假说。一、湿陷性黄土的成因及主要特征该假说将物质来源、堆积方式、黄土的形成以及演化看做是一个统一的过程。划分成因类型的主要标志是地质因素。根据之一原则，将我国黄土划分为十种类型：冲积、洪积、坡积、风积、冰水沉积、湖积、洪积－坡积、冲积－洪积、残积－坡积、冲积－坡积。河谷平原类型内的黄土状土的成因主要是冲积类型。另外，还有土壤残积假说。黄土成因虽有不用的假说，但分歧主要是对分布于高原和高分水岭上的黄土，而分布于河谷地带的黄土则意见较为一致，都认为是冲积类型，也间有洪积－坡积类型。目前，我国大部分建筑工程多兴建在河谷地带的一、二级阶地上或是靠山、近山的洪－坡积地带，在高原上较少。一、湿陷性黄土的成因及主要特征•黄土的分布黄土分布很广，面积达1300万平方公里，约占陆地总面积的9.3%。世界各大洲黄土覆盖面积占总面积的比例为：欧洲7%，北美5%，南美10%，亚洲3%，此外，在澳大利亚、北非也有零星分布。我国黄土分布面积635280平方公里，占世界黄土分布总面积的4.9%左右，主要分布在北纬33-47度，以34-45度之间最为发育，属于干旱、半干旱气候类型。我国湿陷性黄土分布面积约占我国黄土分布总面积的60%左右，为27万平方公里，大部分在黄土中游地区，北起长城附近，南达秦岭，西自乌鞘岭，东至太行山，即北纬34-41度，东经102-114度之间。湿陷性黄土一般都覆盖在下卧的非湿陷性黄土层上，厚度以六盘山以西地区较大，达30米，六盘山以东地区稍薄，如汾渭河谷多为几米至十几米，再向东至河南西部则更少，并且有非湿陷性黄土位于湿陷性黄土层之间。一、湿陷性黄土的成因及主要特征一、湿陷性黄土的成因及主要特征•我国黄土地层的化分由于我国各地黄土堆积环境、地理、地质和气候条件不同，致使其在堆积厚度、土的物理、力学性质等方面都有明显的差别，如湿陷性具有自西向东，自北向南逐渐减弱的规律。地质时代地层名称说明全新世Ｑ4近期Q42新黄土新近堆积黄土一般有湿陷性、高压缩性早期Q41一般湿陷性黄土有湿陷性晚更新世Ｑ3马兰黄土中更新世Ｑ2离石黄土老黄土一般无湿陷性早更新世Ｑ1午城黄土二、湿陷性黄土的基本性质－物理性质1.湿陷性黄土的物理性质黄土是由固、液、气三相组成的，其三相组成间重量和体积的比例关系，可以反映出一系列物理性质，这些性质常用以下一系列指标表示：颗粒组成，土粒比重，含水量，重度，孔隙比，饱和度，液限，塑性指数。•颗粒组成土的颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑。颗粒本身可以是矿物的结晶构造，也可以是非结晶构造，如二氧化硅和氢氧化铁。不同地质时代的黄土，其颗粒组成不同，第四纪早期的黄土比晚期黄土中的粘粒含量高，而砂含量则低。湿陷性黄土以粉粒为主，含量达60%以上，其中细粉粒(0.05-0.01mm)占7-9%，粗粉粒(0.01-0.005mm)占45-65%。我国由西北向东南方向，砂粒减少而粘粒增多，这与我国湿陷性黄土由西北向东南递减的趋势大体相关。二、湿陷性黄土的基本性质－物理性质•土粒比重和天然重度黄土的土粒比重一般为2.51-2.84，平原区为2.62-2.76，比重大小与土的颗粒组成有关，当粗粉粒和砂粒含量较多时，比重常在2.69以下，粘粒含量多，则在2.72以上。黄土的颗粒组成与其液限、塑限有一定关系。湿陷性黄土天然重度一般在13.3-18.1kN/m3之间，它不仅取决于颗粒的大小和含量的多寡，还与土的含水量有关，一般工程常用干重度和孔隙比反映土的密实度。IpG72.677-102.6910-132.7113-172.72172.73-2.74二、湿陷性黄土的基本性质－物理性质•干重度和孔隙比干重度是衡量黄土密实度的一个重要指标，与土的湿陷性有较明显的关系，一般干重度小，湿陷性强，反之，则弱。其变化范围在11.4-16.9kN/m3之间。干重度除与本身密实度有关外，还与土中各种矿物成分的含量和含盐量有关。一般而言当干重度超过15kN/m3以上，一般属于非湿陷性黄土，但也有例外，如合阳糖厂位于黄河一级阶地，地基由14.5m新近堆积黄土组成，颗粒较粗，塑性指数3.3-8.6(5.2)干重度14.3-16.9kN/m3(15.6kN/m3)，仍具有强烈湿陷性。湿陷性黄土孔隙比在0.85-1.24之间，大多数在1.0-1.1之间。一般以孔隙比0.8作为化分湿陷性和非湿陷性的界限。当然，对于某些砂粒含量较多的次生黄土是例外，大多数情况下，土的孔隙比随埋藏深度增加而降低，但也有例外。二、湿陷性黄土的基本性质－物理性质•含水量和饱和度湿陷性黄土的天然含水量在3.3-25.3%之间，其大小与场地地下水位埋深和年平均降雨量有关。大多数情况下，黄土的天然含水量都较低，在塬、梁、峁上的黄土地下水位较深，含水量在6-8%之间，低级阶地上的黄土，含水量较高在11-21%之间。不同季节取样含水量可相差2-5%之间。经验表明，含水量在25%时就不具有湿陷性，而压缩性则恰恰相反。湿陷性黄土的饱和度在15-77%之间，多数在40-50%，处于稍湿状态，随饱和度增加，湿陷性减弱，当饱和度接近80%时，湿陷性基本消失。5.稠度指标稠度指标包括液限、塑限、液性指数和塑性指数，他们反映了水对土的性状的影响。湿陷性黄土的液限、塑限分别在20％-35％和14％-21％之间，Iｐ为3.3-17.5,大多在9-12左右，液性指数在零上下波动，大多数湿陷性黄土处于坚硬和硬塑状态，承载力较高，压缩性属中等或偏低，少部分二、湿陷性黄土的基本性质－化学性质（新近堆积黄土）属于可塑或软塑状态。当夜限在30%以上时，失陷一般较强，国外有认为液限是用扰动土测定的，它并不能反映与原状土强度的关系。由西向东，由北向南，含水量、重度逐渐增加，孔隙比逐渐减小，液限塑性指数稍有增大，湿陷系数减小，湿陷性降低。•湿陷性黄土的化学性质1.化学成分全量湿陷性黄土中的化学成分有：SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2OFeOMnOTiOSO3P2O5等，其化学成分主要是二氧化硅、倍半氧化物、碳酸盐类。二氧化硅存在于由粗颗粒到胶粒的各级粒组中，为主要成分，钙、镁呈固态、液态存在于黄土中，为重要胶结物，三氧化二铝、三氧化二铁以镁、铝胶体形式存在，一部分能被盐酸溶解的二氧化硅以无定形硅酸盐形式存在，都属胶体物质。二、湿陷性黄土的基本性质－化学性质•水溶盐水溶盐根据其在20摄氏度水中的溶解度分为三类：易溶盐：氧化物，硫酸镁，碳酸钠中溶盐：石膏难溶盐：碳酸钙水溶盐与土的湿化、收缩、膨胀和透水性关系密切，并影响土的黏性合强度。易溶盐：含量在0.003-1.74%之间，个别在4-8%，常见值为0.32%，含量不大，当土中易溶盐含量0.5%，对黄土的性状影响甚微。易溶盐含量由西向东，由北向南逐渐减少，因为降雨量大，地下水，地表水活动强，一部分易溶盐溶解并流失。中溶盐：含量在0.01-1.44%之间，平均0.3%，含量不大，偶见3%的，研究表明，浸水压缩试验前后土中石膏含量由0.24-0.67%，似乎对湿陷性有一定影响。当石膏呈碎屑颗粒分布时，对土粒既无胶结作用，受水浸湿时也不易溶解，对黄土的湿陷性也就没有什么影响了。二、湿陷性黄土的基本性质－化学性质难溶盐：碳酸钙占全部碳酸盐的90%以上，碳酸镁占10%以下。碳酸钙含量在0.38-25.5之间，平均10%，呈多种形态存在，有碎块状，颗粒状，膜壳状，细晶状，菌丝状，结核状等，一般碳酸钙含量大时，土的强度也高。2.黄土的酸碱特征黄土的酸碱特征以水土比为1:5的悬液PH值表示，PH值取决于粘粒所吸附的离子类型和黄土所含的可溶盐成分。黄土的PH值在6.0-9.2之间，平均7.8，大多数在7.5以下，一般干旱地区PH值大，湿润地区PH值小。PH值高的湿陷性强。3.离子交换黏土矿物和有机质是黄土中胶体颗粒的组成部分，胶体物质都有离子交换的特征，胶体表面吸附着一定量的阳离子，由于胶粒表面电荷不平衡便引起交换现象。黄土中的阳离子交换量随矿物类型、含量和有机物含量不同而不同，交换量定义为介质PH值等于7时，每100g土样中所吸附阳离子的当量数。二、湿陷性黄土的基本性质－化学性质黄土的阳离子交换量为8.1-27.61毫克当量每100g土，主要矿物为伊利石。4.有机质黄土中有机质含量在0.02-2%之间，平均0.64%，在各级粒组中的含量随粒径减小而增多。有机物持水性强，表面能大，常能于二价钙离子结合而产生凝聚现象，多凝聚在大孔壁上，也有分散于粘粒中，当呈分散分布时，则成为土中的胶结成分，受水浸湿时会吸收大量水分而崩解。黄土的烧失量在0.79-16.9%之间。三、湿陷性黄土的基本性质－力学性质•湿陷性黄土的力学性质湿陷性黄土的力学性质主要包括压缩性，湿陷性，抗剪强度、透水性等。1.压缩性反映地基土在外荷载作用下产生压缩变形的大小。对湿陷性黄土地基而言，压缩变形是指地基土在天然含水量条件下受外荷载作用时所产生的变形，它不包括地基土受水浸湿后的湿陷变形。一般在中更新世末期和晚更新世早期形成的湿陷性黄土多为中等偏低，少量为低压缩性土；晚更新世末期和全新世黄土多为中等偏高，有的甚至为高压缩性土，新近堆积黄土的压缩性多数较