巖土地質(zhì)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(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；當(dāng)缺少其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)特征的稱黃土狀土。
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
黃土的分布
黃土分布很廣，面積達(dá)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(dá)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(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。
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(jī)理的各種不同論點(diǎn)，可以歸納為內(nèi)因和外因兩個方面。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。
1. 毛管假說
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，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(xué)者曾用這種觀點(diǎn)來解釋黃土的濕陷，以后遭到反對。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. 溶鹽假說
黃土中存在大量的可溶鹽。當(dāng)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(jié)作用。這種膠結(jié)作用是黃土加固內(nèi)聚力的一部分，受水浸濕后，易溶鹽溶解，這部分強(qiáng)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(nèi)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(diǎn)認(rèn)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(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(qiáng)烈。
4. 水膜楔入說
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，形成一定的凝聚強(qiáng)度。當(dāng)水進(jìn)入土中時，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。水膜楔入說能較好地解釋黃土在水一進(jìn)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(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。
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。雖然上覆土層壓力增大，但不足以克服土中形成的加固內(nèi)聚力，因而成為欠壓密狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)，使得堆積的欠壓密土層越來越厚，一旦水浸入較深，加固內(nèi)聚力消失，就產(chǎn)生濕陷。當(dāng)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(qiáng)，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(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、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。最后選擇一個最合適的地基處理方法，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(yù)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(shù)規(guī)范》（GBJ112--87）（以下簡稱《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(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(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(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。影響膨脹土脹縮性質(zhì)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(guān)鍵外在因素。因?yàn)橹挥型林写嬖谥赡墚a(chǎn)生水分遷移的梯度和進(jìn)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(shí)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(biāo)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(biāo)
1．自由膨脹率def
將人工制備的磨細(xì)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(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。以各級壓力下的膨脹率dep為縱坐標(biāo)，壓力p為橫坐標(biāo)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成p-dep關(guān)系曲線，該曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)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(nèi)應(yīng)力。膨脹力在選擇基礎(chǔ)型式及基底壓力時，是個很有用的指標(biāo)。在設(shè)計上如果希望減少膨脹變形，應(yīng)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(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)特征的場地，且自由膨脹率def≥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(chǔ)工程設(shè)計與施工應(yīng)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(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，冰層可厚到米或百米級，從而構(gòu)成凍土中五花八門、千姿百態(tài)的冷生構(gòu)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(zhǔn)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(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?；A(chǔ)側(cè)面在凍土范圍內(nèi)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(chǔ)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(chǔ)改變基礎(chǔ)斷面形狀，利用凍脹反力的自錨作用增加基礎(chǔ)抗凍拔的能力。
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