土木基礎工程-第十章特殊土基礎課件

第十章特殊土地基在我國不少地區(qū)，分布著一些與一般土性質有顯著不同的特殊土。由于生成時不同的地理環(huán)境、氣候條件、地質成因以及次生變化等原因，使它們具有一些特殊的成分、結構和性質。當用其作為建筑物的地基時，如果不注意這些特點就會造成事故。通常把那些具有特殊工程性質的土類稱為特殊土。特殊土種類很多，大部分都具有地區(qū)特點，故又有區(qū)域性特殊土之稱。我國主要的區(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，對建筑物可能造成的危害以及用作地基時所應采取的工程措施。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：1.顏色以黃色、褐黃色為主，有時呈灰黃色；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。一般認為不具層理的風成黃土為原生黃土。原生黃土經過流水沖刷、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。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。當缺少其中一項或幾項特征的稱黃土狀土。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。2/7/20236課件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，相鄰顆粒孔隙中水和空氣交界處的表面張力，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。2/7/20237課件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。2/7/20239課件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，使土粒表面產生膨脹，體積增大，引力減弱，凝聚強度降低，因而產生濕陷。水膜楔入說能較好地解釋黃土在水一進入就會立即發(fā)生濕陷這一現象；但是，還不足以解釋各種復雜的濕陷現象的（如濕陷性的強弱、自重濕陷與非自重濕陷等）產生。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，膠體凝結產生了加固內聚力。bbaaabba2/7/202311課件三、黃土濕陷性的判定和地基的評價（一）黃土濕陷性的判定

黃土濕陷性在國內外都采用濕陷系數s值來判定，s可通過室內浸水壓縮試驗測定。把保持天然含水量和結構的黃土土樣裝入側限壓縮儀內，逐級加壓，達到規(guī)定試驗壓力，土樣壓縮穩(wěn)定后，進行浸水，使含水量接近飽和，土樣又迅速下沉，再次達到穩(wěn)定，得到浸水后土樣高度，由下式求得土的濕陷系數s：2/7/202313課件按照國內各地經驗采用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》用計算自重濕陷量zs來劃分這兩種濕陷類型的地基，zs(cm)按下式計算：當計算自重濕陷量或實測自重濕陷量小于等于70mm時，應定為非自重濕陷性黃土場地；當其大于70mm時，應定為自重濕陷性黃土場地。2/7/202315課件（三）濕陷性黃土地基濕陷等級的判定

濕陷性黃土地基的濕陷等級，即地基土受水浸濕，發(fā)生濕陷的程度，可以用地基內各土層濕陷下沉穩(wěn)定后所發(fā)生濕陷量的總和（總濕陷量）來衡量，總濕陷量越大，對橋涵等建筑物的危害性越大，其設計、施工和處理措施要求也應越高。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》對地基總濕陷量s（cm）用下式計算：2/7/202317課件濕陷性黃土地基的濕陷等級，可根據地基總濕陷量s和計算自重濕陷量zs綜合，按下表判定。當s小于5cm時，可按非濕陷性黃土地基進行設計和施工。也可以采用野外浸水荷載試驗確定黃土地基的濕陷系數、濕陷類型和等級，但工作量較大，較少采用，僅對自重濕陷性黃土地基的鑒別，有較大參考價值。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，經過現場取樣，以試驗數據進行分析，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。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《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。2/7/202321課件

膨脹土在我國分布范圍很廣，據現有的資料，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。2/7/202322課件一、膨脹土的判別和膨脹土地基的脹縮等級（一）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。2/7/202323課件（二）膨脹土的脹縮性指標1．自由膨脹率ef將人工制備的磨細烘干土樣，經無頸漏斗注入量杯，量其體積，然后倒入盛水的量筒中，經充分吸水膨脹穩(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

根據我國十余年來的實踐經驗，判別膨脹土的主要依據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ef≥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；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．合理選擇基礎埋置深度3．石灰灌漿加固4．合理選用基礎類型5．合理選擇施工方法（四）膨脹土地基上橋涵基礎工程設計與施工應采取的措施2/7/202331課件10.3凍土地區(qū)基礎工程一、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。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。2/7/202333課件三、凍土的力學性質2/7/202334課件其他力學性質在此不做介紹。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