特殊土的主要工程性质

特殊土的主要工程性质中山大学地球科学系工程地质学软土湿陷性黄土红粘土膨胀土填土特殊土中山大学地球科学系工程地质学引子：我国幅员广大，地质条件复杂，分布土类繁多，工程性质各异。有些土类，由于地理环境、气候条件、地质成因、物质成分及次生变化等原因而各具有与一般土类显著不同的特殊工程性质，当其作为建筑场地、地基及建筑环境时，如果不注意这些特点，并采取相应的治理措施，就会造成工程事故。特殊土：人们把这些具有特殊工程性质的土称为特殊土。特殊土分布的区域性：各种天然或人为形成的特殊土的分布，都有其一定的规律，表现一定的区域性。特殊土的分布中山大学地球科学系工程地质学在我国，具有一定分布区域和特殊工程意义的特殊土包括：沿海及内陆地区各种成因的软土：主要分布于西北、华北等干旱、半干旱气候区的黄土；西南亚热带湿热气候区的红粘土；主要分布于南方和中南地区的膨胀土；高纬度、高海拔地区的多年冻土及盐渍土、人工填土和污染土等。中山大学地球科学系工程地质学本章内容：主要阐述我国软土、黄土、红粘土、膨胀土及人工填土的分布、特征及其工程地质问题。软土软土的工程特性与地基评价中山大学地球科学系工程地质学软土：泛指淤泥及淤泥质土，是第四纪后期于沿海地区的滨海相、泻湖相、三角洲相和溺谷相；内陆平原或山区的湖相和冲积洪积沼泽相等静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱和软粘性土。软土的特征：富含有机质，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1。中山大学地球科学系工程地质学分类1：当e=1.5时，称淤泥；当1.5＞e＞=1.0时，称淤泥质土。它是淤泥与一般粘性土的过渡类型；分类2：当土中有机质含量[5%，10%]，称有机质土；当有机质含量（10%，60%]时称泥炭质土；当有机质含量（60%，）时，称泥炭。泥炭是未充分分解的植物遗体堆积而成的一种高有机土，呈深褐-黑色。其含水量极高，压缩性很大且不均匀，往往以夹层或透镜体构造存在于一般粘性土或淤泥质土层中，对工程极为不利。软土的组成和结构特征中山大学地球科学系工程地质学软土的组成成分和结构特征是由其生成环境决定的。组成成分：由于它形成于水流不通畅、饱和缺氧的静水盆地，这类土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成。淤泥的粘粒含量较高，一般达30％-60％。粘粒的粘土矿物成分以水云母和蒙脱石为主，含大量的有机质。有机质含量一般达5％-15％，最大达17％-25％。结构特征：粘土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜。且在沉积过程中由于粒间静电引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。结论：软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连结而具有显著的结构性。中山大学地球科学系工程地质学由于软土的生成环境及粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，呈饱和状态，这都使软土在其自重作用下难于压密，而且来不及压密。因此，不仅使之必然具有高孔隙性和高含水量，而且使淤泥（1）一般呈欠压密状态，以致其孔隙比和天然含水量随埋藏深度很小变化，因而土质特别松软。淤泥质土（2）一般则呈稍欠压密或正常压密状态，其强度随深度有所增大。淤泥和淤泥质土一般呈软塑状态，但当其结构一经扰动破坏，就会使其强度剧烈降低甚至呈流动状态。软土的物理力学特性中山大学地球科学系工程地质学1．高含水量和高孔隙性2．渗透性弱3．压缩性高中山大学地球科学系工程地质学1．高含水量和高孔隙性软土的天然含水量总是大于液限。据统计：软土的天然含水量一般为50％-70％，最大甚至超过200％。天然含水量随液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1-2之间，最大达3-4。其饱和度一般大于95％，因而天然含水量与其天然孔隙比呈直线变化关系。软土的如此高含水量和高孔隙性特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素。中山大学地球科学系工程地质学2．渗透性弱软土的渗透系数一般在i×10-4一i×10-8之间，而大部分滨海相和三角洲相软土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。由于该类土渗透系数小、含水量大且呈饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。软土的物理力学特性中山大学地球科学系工程地质学3．压缩性高软土均属高压缩性土，而且压缩系数随着土的液限和天然含水量的增大而增高。软土在建筑荷载作用下的变形特征中山大学地球科学系工程地质学1.变形大而不均匀2.变形稳定历时长3.抗剪强度低4.较显著的触变性和蠕变性中山大学地球科学系工程地质学1.变形大而不均匀实际资料表明，对于砖墙承重的混合结构，如以层数来表示地基受荷的大小，则4-6层的民用房屋其平均沉降量一般可达25-50cm；七层的则多达60-70cm；对于大型构筑物，如水池、料仓、油罐等，其沉降量一般都大于50cm，甚至超过100cm。显然在相同条件下，软土地基的变形量比一般粘性土地基要大几倍至十几倍。因此上部荷重的差异和复杂的体型都会引起严重的差异沉降和倾斜。图4-37中山大学地球科学系工程地质学2.变形稳定历时长因软土的渗透性很弱，水分不易排出，故使建筑物沉降稳定历时较长。例如沿海闽、浙一带这种软粘土地基上的大部分建筑物在建成约5年之久的时间后，往往仍保持着每年1cm左右的沉降速率，其中有些建筑物则每年下沉3-4cm。中山大学地球科学系工程地质学3.抗剪强度低软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关。不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关，即其内摩擦角为零，其内聚力一般都小于20kPa；直剪快剪内摩擦角一般为2-5度，内聚力为10-15kPa；排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大，固结快剪的内摩擦角可达8-12度，内聚力为20kPa左右。这是因为在土体受荷时，其中孔隙水在充分排出的条件下，使土体得到正常的压密，从而逐步提高其强度。因此，要提高软土地基的强度，必须控制施工和使用时的加荷速度，特别是在开始阶段加荷不能过大，以便每增加一级荷重与土体在新的受荷条件下强度的提高相适应。如果相反，则土中水分将来不及排出，土体强度不但来不及得到提高，反而会由于土中孔隙水压力的急剧增大，有效应力降低，而产生土体的挤出破坏。中山大学地球科学系工程地质学4.较显著的触变性和蠕变性由于软土的结构性在其强度的形成中占据相当重要的地位，则触变性也是它的一个突出的性质。关于软土触变性的特点、实质、评价标准及其工程意义，见4.1.3。我国东南沿海地区的三角洲相及滨海一泻湖相软土的灵敏度一般在4—10之间，个别达13-15。软土的蠕变性是比较明显的。在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢的剪切变形，并导致抗剪强度的衰减。在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降。上海等地许多工程的现场实洲结果表明：当土中孔隙水压力完全消散后，建筑物还继续沉降。湿陷性黄土一般特征中山大学地球科学系工程地质学定义:黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色:多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色；颗粒组成:以粉土粒(其中尤以粗粉土粒，粒径为0.05-0.01mm)为主，约占60％-70％，粒度大小较均匀，粘粒含量较少，一般仅占10％-20％；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；含水量小，一般仅8%-20％；孔隙比大，一般在1．0左右，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。分类中山大学地球科学系工程地质学黄土按其成因可分为原生黄土和次生黄土。一般认为，具有上述典型持征，没有层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过水流冲刷、搬运和重新沉积而形成的为次生黄土。次生黄土有坡积、洪积、冲积、坡积-洪积、冲积-洪积及冰水沉积等多种类型。它一般不完全具备上述黄土特征，具有层理，并含有较多的砂粒以至细砾，故也称为黄土状土。特征中山大学地球科学系工程地质学黄土和黄土状土(以下统称黄土)在天然含水量时,呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈而大量的沉陷(称为湿陷性)，强度也随之迅速降低。而有些地区的黄土却并不发生湿陷。中山大学地球科学系工程地质学可见，同是黄土，但遇水浸湿后的反应却有很大差别。凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。否则，称为非湿陷性黄土。而非湿陷性黄土的工程性质接近一般粘性土。因此，分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度、地基湿陷类型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题。分布中山大学地球科学系工程地质学黄土在我国分布很广，面积约63万km2。其中湿陷性黄土约占3／4，遍及甘、陕、晋的大部分地区以及豫、宁、冀等部分地区。此外，新疆和鲁、辽等地也有局部分布。由于各地的地理、地质和气候条件的差别，湿陷性黄土的组成成分、分布地带、沉积厚度、湿陷特征和物理力学性质也因地而异，其湿陷性由西北向东南逐渐减弱，厚度变薄。详见《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25-90附录二：中国湿陷性黄土工程地质分区图及其附表。中山大学地球科学系工程地质学同时，由于黄土形成的地质年代和所处的自然地理环境不同，其组成与结构特征及工程特征又有明显的差异。我国黄土按形成年代的早晚，有老黄土和新黄土之分。黄土形成年代愈久，由于盐分溶滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质愈趋密实，强度高而压缩性小，湿陷性减弱甚至不具湿陷性。反之，形成年代愈短，其特性适相反。黄土湿陷性的形成及影响因素中山大学地球科学系工程地质学黄土湿陷性的形成原因黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性及湿陷类型判别黄土湿陷起始压力的意义及用途关于黄土地基湿陷等级的划分黄土湿陷性的形成原因中山大学地球科学系工程地质学内在因素：黄土的结构特征及其物质组成。外部条件：水的浸润和压力作用。黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的，干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件。中山大学地球科学系工程地质学黄土在干燥时具有较高的强度，而遇水后表现出明显的湿陷性，这是由黄土本身特殊的成分和结构所决定的。成分特征中山大学地球科学系工程地质学矿物成分：黄土的矿物成分主要是石英(含量常超过一半)，长石(含量常达四分之一以上)，碳酸盐(含量常为百分之十至十五，主要是碳酸钙)，粘土矿物(含量一般只百分之十几)。此外，还有少量的(百分之几)云母和重矿物，至于易溶盐、中溶盐和有机物的含量都少，一般都不超过百分之二。粒度成分：黄土基本上是由＜0.25毫米的颗粒组成的，尤以0.1－0.01毫米的颗粒占主要地位。粉粒(0.05－0.005毫米)含量常超过一半以上，甚至达60－70％，且其中主要是0.05－0.01毫米的粗粉粒；砂粒(0.05毫米)含量较少，一般很少超过20％，甚至只有百分之几，且其中主要的是0.1－0.05毫米的微砂；粘粒(＜0.005毫米)含量变化较大，可以从5％到35％，最常见为15－25％。结构特征中山大学地球科学系工程地质学从结构排列和连结情况看，黄土是由:石英和长石(还有少量的云母，重矿物和碳酸钙)的微砂和粗粉粒构成基本骨架，其中砂粒基本上常互相不接触，浮在以粗粉粒所组成的架空结构中。以石英和碳酸钙等的细粉粒作为填充料，聚集在较粗颗粒之间。以高岭石和水云母为主(还有少量的腐植质和其他胶体)的粘粒和所吸附的结合水以及部分水溶盐作为胶结材料，依附在上述各种颗粒的周围，将较粗颗粒胶结起来，形成大孔和多孔的结构形式。中山大学地球科学系工程地质学由于胶结材料的成分、数量和胶结形式不同，黄土在水和压力作用下的表现就不一样。中山大学地球科学系工程地质学黄土的这种特殊结构形式是在干燥气候条件下形成和长期变化的产物。黄土在形成时是极松散的，靠颗粒的摩擦或在少量水分的作用下略有连结。水分逐渐蒸发后，体积有些收缩，胶体、盐分、结合水集中在较细颗粒周围，形成一定的胶结连结。经过多次的反复湿润干燥过