土木基礎(chǔ)工程-第十章特殊土基礎(chǔ)課件

第十章特殊土地基在我國(guó)不少地區(qū)，分布著一些與一般土性質(zhì)有顯著不同的特殊土。由于生成時(shí)不同的地理環(huán)境、氣候條件、地質(zhì)成因以及次生變化等原因，使它們具有一些特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。當(dāng)用其作為建筑物的地基時(shí)，如果不注意這些特點(diǎn)就會(huì)造成事故。通常把那些具有特殊工程性質(zhì)的土類稱為特殊土。特殊土種類很多，大部分都具有地區(qū)特點(diǎn)，故又有區(qū)域性特殊土之稱。我國(guó)主要的區(qū)域性特殊土包括濕陷性黃土、膨脹土、軟土和凍土等。下面將主要介紹濕陷性黃土、膨脹土和凍土的一些主要特征，對(duì)建筑物可能造成的危害以及用作地基時(shí)所應(yīng)采取的工程措施。2/7/20231課件10.1濕陷性黃土地基一、黃土的特征和分布

黃土是一種第四紀(jì)沉積物，具有一系列內(nèi)部物質(zhì)成分和外部特征，不同于同時(shí)期的其它沉積物。黃土具有以下全部特征：1.顏色以黃色、褐黃色為主，有時(shí)呈灰黃色；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；3.孔隙比較大，一般在1.0左右；2/7/20232課件黃土的分類

黃土按成因分為原生（或典型）黃土和次生黃土。一般認(rèn)為不具層理的風(fēng)成黃土為原生黃土。原生黃土經(jīng)過流水沖刷、搬運(yùn)重新沉積而形成的具有層理含較多砂粒以至細(xì)粒的黃土稱次生黃土。4.富含碳酸鈣鹽類；5.垂直節(jié)理發(fā)育；6.一般有肉眼可見的大孔隙。當(dāng)缺少其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)特征的稱黃土狀土。2/7/20233課件

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(dá)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。2/7/20235課件二、黃土濕陷發(fā)生的原因和影響因素對(duì)黃土濕陷的原因和機(jī)理的各種不同論點(diǎn)，可以歸納為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因主要是由于土本身的物質(zhì)成分（顆粒組成、礦物成分和化學(xué)成分）和其結(jié)構(gòu)，外因則是水和壓力的作用。2/7/20236課件1.毛管假說(shuō)Terzaghi指出當(dāng)潮濕砂土內(nèi)的不連續(xù)水分積聚在顆粒接觸點(diǎn)時(shí)，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(xué)者曾用這種觀點(diǎn)來(lái)解釋黃土的濕陷，以后遭到反對(duì)。J.G.Dudley認(rèn)為毛細(xì)壓力是黃土中形成細(xì)粉粒粘結(jié)和絮凝粘粒粘結(jié)的重要因素。黃土中的毛細(xì)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(fēng)干的擾動(dòng)土樣制成試件，雖然破壞了毛細(xì)管通道，消除了彎液面作用，仍然有很大的的濕陷性。2/7/20237課件3.膠體不足說(shuō)認(rèn)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(zhì)，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(rèn)為當(dāng)粘粒含量大于15-20%時(shí)黃土不具有濕陷性，但發(fā)現(xiàn)蘭州西盆地北岸二級(jí)階地上的黃土粘粒含量大于30%，卻濕陷性強(qiáng)烈。2/7/20239課件4.水膜楔入說(shuō)

低含水量黃土在細(xì)顆粒（主要是粘粒）表面上包裹著的結(jié)合水膜一般很薄，溶解在其中的陰、陽(yáng)離子的靜電引力較強(qiáng)，將表面帶負(fù)電荷的粘粒連接起來(lái)，形成一定的凝聚強(qiáng)度。當(dāng)水進(jìn)入土中時(shí)，結(jié)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(qiáng)度降低，因而產(chǎn)生濕陷。水膜楔入說(shuō)能較好地解釋黃土在水一進(jìn)入就會(huì)立即發(fā)生濕陷這一現(xiàn)象；但是，還不足以解釋各種復(fù)雜的濕陷現(xiàn)象的（如濕陷性的強(qiáng)弱、自重濕陷與非自重濕陷等）產(chǎn)生。2/7/202310課件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(fēng)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(jìn)行。由于水分減少，鹽類析出，膠體凝結(jié)產(chǎn)生了加固內(nèi)聚力。bbaaabba2/7/202311課件三、黃土濕陷性的判定和地基的評(píng)價(jià)（一）黃土濕陷性的判定

黃土濕陷性在國(guó)內(nèi)外都采用濕陷系數(shù)s值來(lái)判定，s可通過室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)測(cè)定。把保持天然含水量和結(jié)構(gòu)的黃土土樣裝入側(cè)限壓縮儀內(nèi)，逐級(jí)加壓，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力，土樣壓縮穩(wěn)定后，進(jìn)行浸水，使含水量接近飽和，土樣又迅速下沉，再次達(dá)到穩(wěn)定，得到浸水后土樣高度，由下式求得土的濕陷系數(shù)s：2/7/202313課件按照國(guó)內(nèi)各地經(jīng)驗(yàn)采用s=0.015作為濕陷性黃土的界限值，s≥0.015定為濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。濕陷性土層的厚度也是用此界限值確定的。一般認(rèn)為0.015≤

s≤

0.03為弱濕陷性黃土，0.03<s≤0.07為中等濕陷性黃土，s>0.07為強(qiáng)濕陷性黃土。2/7/202314課件（二）濕陷性黃土地基濕陷類型的劃分

自重濕陷性黃土浸水后，在其上覆土自重壓力作用下，迅速發(fā)生比較強(qiáng)烈的濕陷，要求采取較非自重濕陷性黃土地基更有效的措施，保證橋涵等建筑物的安全和正常使用。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》用計(jì)算自重濕陷量zs來(lái)劃分這兩種濕陷類型的地基，zs(cm)按下式計(jì)算：當(dāng)計(jì)算自重濕陷量或?qū)崪y(cè)自重濕陷量小于等于70mm時(shí)，應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地；當(dāng)其大于70mm時(shí)，應(yīng)定為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。2/7/202315課件（三）濕陷性黃土地基濕陷等級(jí)的判定

濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)，即地基土受水浸濕，發(fā)生濕陷的程度，可以用地基內(nèi)各土層濕陷下沉穩(wěn)定后所發(fā)生濕陷量的總和（總濕陷量）來(lái)衡量，總濕陷量越大，對(duì)橋涵等建筑物的危害性越大，其設(shè)計(jì)、施工和處理措施要求也應(yīng)越高?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》對(duì)地基總濕陷量s（cm）用下式計(jì)算：2/7/202317課件濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)，可根據(jù)地基總濕陷量s和計(jì)算自重濕陷量zs綜合，按下表判定。當(dāng)s小于5cm時(shí)，可按非濕陷性黃土地基進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。也可以采用野外浸水荷載試驗(yàn)確定黃土地基的濕陷系數(shù)、濕陷類型和等級(jí)，但工作量較大，較少采用，僅對(duì)自重濕陷性黃土地基的鑒別，有較大參考價(jià)值。2/7/202318課件四、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(zhì)和不同的結(jié)構(gòu)物，地基處理應(yīng)選用不同的處理方法。在勘察階段，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)取樣，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jí)、類別后，通過經(jīng)濟(jì)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(gè)最合適的地基處理方法，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)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。2/7/202319課件10.2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(guó)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ112--87）（以下簡(jiǎn)稱《膨脹土規(guī)范》）中的定義，膨脹土應(yīng)是土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)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(duì)工程沒有太大的實(shí)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(lái)危害，因而工程上將其從一般粘性土中區(qū)別出來(lái)，作為特殊土對(duì)待。2/7/202321課件

膨脹土在我國(guó)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(gè)省、自治區(qū)、市均有膨脹土。國(guó)外也一樣，如美國(guó)，50個(gè)州中有膨脹土的占40個(gè)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。2/7/202322課件一、膨脹土的判別和膨脹土地基的脹縮等級(jí)（一）影響膨脹土脹縮特性的主要因素影響膨脹土脹縮性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)制，主要是指礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)兩方面。實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)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(zhì)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(jié)狀態(tài)也影響其脹縮性質(zhì)。經(jīng)對(duì)大量不同地點(diǎn)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(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)比團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹和失水吸縮的能力。2/7/202323課件（二）膨脹土的脹縮性指標(biāo)1．自由膨脹率ef將人工制備的磨細(xì)烘干土樣，經(jīng)無(wú)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(cè)其體積。增加的體積與原體積的比值ef稱為自由膨脹率。2/7/202325課件2．膨脹率ep與膨脹力Pe

膨脹率表示原狀土在側(cè)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。

2/7/202326課件2/7/202329課件（三）膨脹土的判別

根據(jù)我國(guó)十余年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，判別膨脹土的主要依據(jù)是工程地質(zhì)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(zhì)特征的場(chǎng)地，且自由膨脹率ef≥40%的土應(yīng)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(jiān)硬或硬塑狀態(tài)；2．多出露于二級(jí)或二級(jí)以上階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無(wú)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；4．建筑物裂縫隨氣候變化而張開和閉合。2/7/202330課件1．換土墊層2．合理選擇基礎(chǔ)埋置深度3．石灰灌漿加固4．合理選用基礎(chǔ)類型5．合理選擇施工方法（四）膨脹土地基上橋涵基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與施工應(yīng)采取的措施2/7/202331課件10.3凍土地區(qū)基礎(chǔ)工程一、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(duì)溫度十分敏感且性質(zhì)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(jí)，冰層可厚到米或百米級(jí)，從而構(gòu)成凍土中五花八門、千姿百態(tài)的冷生構(gòu)造。2/7/202332課件二、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(guó)和美國(guó)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(guó)的1.5倍。我國(guó)是世界上第三凍土大國(guó)，約占世界多年凍土分布面積的10%，約占我國(guó)國(guó)土面積的21.5%，同時(shí)我國(guó)的多年凍土主要分布在中、低緯度的號(hào)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(zhǔn)格爾山地和阿爾泰山等）、東北大小興安嶺以及東部。2/7/202333課件三、凍土的力學(xué)性質(zhì)2/7/202334課件其他力學(xué)性質(zhì)在此不做介紹。2/7/202335課件四、凍土的融陷量劃分2/7/202336課件2/7/202337課件五、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(lái)防治凍脹。1．基礎(chǔ)四側(cè)換土，采用較純凈的砂、砂礫石等粗顆粒土換填基礎(chǔ)四周凍土，填土夯實(shí)；2．改善基礎(chǔ)側(cè)表面平滑度，基礎(chǔ)必須澆筑密實(shí)，具有平滑表面。基礎(chǔ)側(cè)面在凍土范圍內(nèi)還可