巖土地質知識:巖土工程中常見的“問題土”
發(fā)表于：2019-09-17
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濕陷性黃土地基
一、黃土的特征和分布
黃土是一種第四紀沉積物，具有一系列內部物質成分和外部特征，不同于同時期的其它沉積物。黃土具有以下全部特征：2. 顆粒組成以粉粒(0.05-0.005mm)為主，含量一般在60%以上，幾乎沒有粒徑大于0.25mm的顆粒；6. 一般有肉眼可見的大孔隙?！ ?/section>
黃土的分類
黃土按成因分為原生（或典型）黃土和次生黃土。一般認為不具層理的風成黃土為原生黃土。原生黃土經(jīng)過流水沖刷、搬運重新沉積而形成的具有層理含較多砂粒以至細粒的黃土稱次生黃土
黃土的分布
黃土分布很廣，面積達1300萬平方公里，約占陸地總面積的9.3%。世界各大洲黃土覆蓋面積占總面積的比例為：歐洲7%，北美5%，南美10%，亞洲3%，此外，在澳大利亞、北非也有零星分布。我國黃土分布面積635280平方公里，占世界黃土分布總面積的4.9%左右，主要分布在北緯33-47度，以34-45度之間最為發(fā)育，屬于干旱、半干旱氣候類型。我國濕陷性黃土分布面積約占我國黃土分布總面積的60%左右，為27萬平方公里，大部分在黃土中游地區(qū)，北起長城附近，南達秦嶺，西自烏鞘嶺，東至太行山，即北緯34-41度，東經(jīng)102-114度之間?！?/section>濕陷性黃土一般都覆蓋在下臥的非濕陷性黃土層上，厚度以六盤山以西地區(qū)較大，達30米，六盤山以東地區(qū)稍薄，如汾渭河谷多為幾米至十幾米，再向東至河南西部則更少，并且有非濕陷性黃土位于濕陷性黃土層之間。
二、黃土濕陷發(fā)生的原因和影響因素
對黃土濕陷的原因和機理的各種不同論點，可以歸納為內因和外因兩個方面。內因主要是由于土本身的物質成分（顆粒組成、礦物成分和化學成分）和其結構，外因則是水和壓力的作用。
1. 毛管假說
Terzaghi指出當潮濕砂土內的不連續(xù)水分積聚在顆粒接觸點時，相鄰顆?？紫吨兴涂諝饨唤缣幍谋砻鎻埩?，使土粒拉在一起。水浸入土中后，表面張力消失，于是砂土潰散。有的學者曾用這種觀點來解釋黃土的濕陷，以后遭到反對。J.G.Dudley認為毛細壓力是黃土中形成細粉粒粘結和絮凝粘粒粘結的重要因素。黃土中的毛細作用是存在的，但將其作為濕陷的主要原因值得商榷。常寶琦曾用風干的擾動土樣制成試件，雖然破壞了毛細管通道，消除了彎液面作用，仍然有很大的的濕陷性。
2. 溶鹽假說
黃土中存在大量的可溶鹽。當黃土的含水量較少時，易溶鹽處于微晶體狀態(tài)，附著在顆粒表面，起著一定的膠結作用。這種膠結作用是黃土加固內聚力的一部分，受水浸濕后，易溶鹽溶解，這部分強度就喪失了，因而產(chǎn)生濕陷。我國濕陷性黃土中的易溶鹽含量都較少，不是組成加固內聚力的主要部分，難溶鹽含量雖高，但其溶解很緩慢，因此，較多的觀點認為易溶鹽的溶解不是產(chǎn)生濕陷的主要原因。
3. 膠體不足說
認為黃土的濕陷性是含有小于0.05mm顆粒含量小于10%的土所固有的性質，這種土缺少膠體部分；如果有顯著數(shù)量的膠體，則膨脹可防止?jié)裣莸陌l(fā)生。朱海之認為當粘粒含量大于15-20%時黃土不具有濕陷性，但發(fā)現(xiàn)蘭州西盆地北岸二級階地上的黃土粘粒含量大于30%，卻濕陷性強烈。
4. 水膜楔入說
低含水量黃土在細顆粒（主要是粘粒）表面上包裹著的結合水膜一般很薄，溶解在其中的陰、陽離子的靜電引力較強，將表面帶負電荷的粘粒連接起來，形成一定的凝聚強度。當水進入土中時，結合水膜變厚，象楔子一樣將牢固連接的顆粒分開，使土粒表面產(chǎn)生膨脹，體積增大，引力減弱，凝聚強度降低，因而產(chǎn)生濕陷。水膜楔入說能較好地解釋黃土在水一進入就會立即發(fā)生濕陷這一現(xiàn)象；但是，還不足以解釋各種復雜的濕陷現(xiàn)象的（如濕陷性的強弱、自重濕陷與非自重濕陷等）產(chǎn)生。
5. 欠壓密理論
黃土是在干旱或半干旱氣候條件下形成的。風成黃土在沉積過程中，表面受大氣降水的影響。在干燥少雨的條件下，大氣降水浸濕帶的厚度常少于蒸發(fā)影響帶的厚度，a-a線以上土層在降水期，土中含水量較高，處于最優(yōu)壓密條件，但由于土層薄，自重壓力小，未能得到有效壓密。隨黃土繼續(xù)堆積，a-a線提高，在新的a-a線與b-b線之間的土層，大氣降水影響不到，但蒸發(fā)過程繼續(xù)進行。由于水分減少，鹽類析出，膠體凝結產(chǎn)生了加固內聚力。雖然上覆土層壓力增大，但不足以克服土中形成的加固內聚力，因而成為欠壓密狀態(tài)。如此循環(huán)往復，使得堆積的欠壓密土層越來越厚，一旦水浸入較深，加固內聚力消失，就產(chǎn)生濕陷。當降水量少，干旱期長時，欠壓密程度大，而且欠壓密土層也較厚；反之，黃土欠壓密程度就弱，形成的欠壓密土層也較薄。欠壓密論易于解釋我國黃土為什么西北部濕陷性強，東南部弱這一規(guī)律。
三、濕陷性黃土地基的處理
濕陷性黃土地基處理的方法很多，在不同的地區(qū)，根據(jù)不同的地基土質和不同的結構物，地基處理應選用不同的處理方法。在勘察階段，經(jīng)過現(xiàn)場取樣，以試驗數(shù)據(jù)進行分析，判定屬于自重濕陷性黃土還是非自重濕陷性黃土，以及濕陷性黃土層的厚度、濕陷等級、類別后，通過經(jīng)濟分析比較，綜合考慮工藝環(huán)境、工期等諸多方面的因素。最后選擇一個最合適的地基處理方法，經(jīng)過優(yōu)化設計后，確保滿足處理后的地基具有足夠的承載力和變形條件的要求。
* 土擠密樁
* 其它加固方法(預浸水法、熱加固法、水下爆破法、電火花加固法）
膨脹土地基
膨脹土也是一種很重要的地區(qū)性特殊土類，按照我國《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》（GBJ112--87）（以下簡稱《膨脹土規(guī)范》）中的定義，膨脹土應是土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的粘性土。眾所周知，一般粘性土也都有膨脹、收縮特性，但其量不大，對工程沒有太大的實際意義；而膨脹土的膨脹—收縮—再膨脹的周期性變形特性非常顯著，并常給工程帶來危害，因而工程上將其從一般粘性土中區(qū)別出來，作為特殊土對待。膨脹土在我國分布范圍很廣，據(jù)現(xiàn)有的資料，廣西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山東等20多個省、自治區(qū)、市均有膨脹土。國外也一樣，如美國，50個州中有膨脹土的占40個州，此外在印度、澳大利亞、南美洲、非洲和中東廣大地區(qū)，也都有不同程度的分布。目前膨脹土的工程問題，已成為世界性的研究課題。
一、膨脹土的判別和膨脹土地基的脹縮等級
a、影響膨脹土脹縮特性的主要因素
影響膨脹土脹縮性質的內在機制，主要是指礦物成分及微觀結構兩方面。實驗證明，膨脹土含大量的活性粘土礦物，如蒙脫石和伊利石，尤其是蒙脫石，在低含水量時對水有巨大的吸力，土中蒙脫石含量的多寡直接決定著土的脹縮性質的大小。除了礦物成分因素外，這些礦物成分在空間上的聯(lián)結狀態(tài)也影響其脹縮性質。經(jīng)對大量不同地點的膨脹土掃描電鏡分析得知，面—面連接的疊聚體是膨脹土的一種普遍的結構形式，這種結構比團粒結構具有更大的吸水膨脹和失水吸縮的能力。影響膨脹土脹縮性質的最大外界因素是水對膨脹土的作用，或者更確切地說，水分的遷移是控制土脹、縮特性的關鍵外在因素。因為只有土中存在著可能產(chǎn)生水分遷移的梯度和進行水分遷移的途徑，才有可能引起土的膨脹或收縮。盡管某一種粘土具有潛在的較高的膨脹勢，但如果它的含水量保持不變，則不會有體積變化發(fā)生；相反，含水量的輕微變化，哪怕只是1%-2%的量值，實踐證明就足以引起有害的膨脹。因此，判斷膨脹土的脹縮性指標都是反映含水量變化時膨脹土的脹縮量及膨脹力大小的。
b、膨脹土的脹縮性指標
1．自由膨脹率def
將人工制備的磨細烘干土樣，經(jīng)無頸漏斗注入量杯，量其體積，然后倒入盛水的量筒中，經(jīng)充分吸水膨脹穩(wěn)定后，再測其體積。增加的體積與原體積的比值def稱為自由膨脹率。
2．膨脹率dep與膨脹力Pe
膨脹率表示原狀土在側限壓縮儀中，在一定壓力下，浸水膨脹穩(wěn)定后，土樣增加的高度與原高度之比。以各級壓力下的膨脹率dep為縱坐標，壓力p為橫坐標，將試驗結果繪制成p-dep關系曲線，該曲線與橫坐標的交點Pe稱為試樣的膨脹力，膨脹力表示原狀土樣，在體積不變時，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內應力。膨脹力在選擇基礎型式及基底壓力時，是個很有用的指標。在設計上如果希望減少膨脹變形，應使基底壓力接近于膨脹力。
二、膨脹土的判別
根據(jù)我國十余年來的實踐經(jīng)驗，判別膨脹土的主要依據(jù)是工程地質特征與自由膨脹率。因此《膨脹土規(guī)范》中規(guī)定，凡具有下列工程地質特征的場地，且自由膨脹率def≥40%的土應判定為膨脹土。1．裂隙發(fā)育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填著灰白、灰綠色粘土。在自然條件下呈堅硬或硬塑狀態(tài)；2．多出露于二級或二級以上階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎；3．常見淺層塑性滑坡、地裂，新開挖坑（槽）壁易發(fā)生坍塌等；
三、膨脹土地基上橋涵基礎工程設計與施工應采取的措施
凍土
一、凍土的定義
凍土是一種溫度低于零攝氏度且含有冰的巖土。凍土是一種對溫度十分敏感且性質不穩(wěn)定的土體。凍土中的冰可以冰晶或冰層的形式存在，冰晶可以小到微米甚至納米級，冰層可厚到米或百米級，從而構成凍土中五花八門、千姿百態(tài)的冷生構造。
二、凍土的分布
地球上多年凍土的分布面積約占陸地面積的23%，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國和美國的阿拉斯加等地。我多年凍土主要處于高山多年凍土帶和不連續(xù)多年凍土帶，多年凍土面積約為206.8×104平方公里僅次于原蘇（ 1000×104平方公里）和加拿大（ 390×104平方公里）約為美國的1.5倍。我國是世界上第三凍土大國，約占世界多年凍土分布面積的10%，約占我國國土面積的21.5%，同時我國的多年凍土主要分布在中、低緯度的號稱“世界屋脊”的青藏高原上，其它分布在帕米爾、西部高山（祁連山、阿爾金山、天山、西準格爾山地和阿爾泰山等）、東北大小興安嶺以及東部。
三、防凍脹措施
目前多從減少凍脹力和改善周圍凍土的凍脹性來防治凍脹：1．基礎四側換土，采用較純凈的砂、砂礫石等粗顆粒土換填基礎四周凍土，填土夯實；2．改善基礎側表面平滑度，基礎必須澆筑密實，具有平滑表面?；A側面在凍土范圍內還可用工業(yè)凡土林、渣油等涂刷以減少切向凍脹力。對樁基礎也可用混凝土套管來減除切向凍脹力。
3．選用抗凍脹性基礎改變基礎斷面形狀，利用凍脹反力的自錨作用增加基礎抗凍拔的能力。
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