【正文】 特殊土的主要工程性質(zhì) 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) ?軟土 ?濕陷性黃土 ?紅粘土 ?膨脹土 ?填土 特殊土 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 引子： 我國幅員廣大 ， 地質(zhì)條件復(fù)雜 ， 分布土類繁多 ， 工程性質(zhì)各異 。 有些土類 ， 由于 地理環(huán)境 、 氣候條件 、 地質(zhì)成因 、 物質(zhì)成分及次生變化 等原因而各具有與一般土類顯著不同的特殊工程性質(zhì) ， 當(dāng)其作為建筑場地 、 地基及建筑環(huán)境時(shí) ， 如果不注意這些特點(diǎn) ， 并采取相應(yīng)的治理措施 ， 就會(huì)造成工程事故 。 特殊土：人們把這些具有特殊工程性質(zhì)的土稱為特殊土 。 特殊土分布的區(qū)域性：各種天然或人為形成的特殊土的分布 ， 都有其一定的規(guī)律 ， 表現(xiàn)一定的區(qū)域性 。 特殊土的分布 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 在我國，具有一定分布區(qū)域和特殊工程意義的特殊土包括： ?沿海及內(nèi)陸地區(qū)各種成因的 軟土 ： ?主要分布于西北、華北等干旱、半干旱氣候區(qū)的 黃土 ； ?西南亞熱帶濕熱氣候區(qū)的 紅粘土 ； ?主要分布于南方和中南地區(qū)的 膨脹土 ； ?高緯度、高海拔地區(qū)的 多年凍土及鹽漬土、人工填土和污染土 等。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 本章內(nèi)容： 主要闡述我國 軟土、黃土、紅粘土、膨脹土及人工填土 的分布、特征及其工程地質(zhì)問題。 軟土 軟土的工程特性與地基評價(jià) 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 軟土 ：泛指 淤泥及淤泥質(zhì)土 ， 是第四紀(jì)后期于沿海地區(qū)的濱海相 、 瀉湖相 、三角洲相和溺谷相；內(nèi)陸平原或山區(qū)的湖相和沖積洪積沼澤相等 靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積 ， 并經(jīng)生物化學(xué)作用形成的飽和軟粘性土 。 軟土的特征 ：富含有機(jī)質(zhì) ， 天然含水量大于液限 ， 天然孔隙比大于或等于 1。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 分類 1：當(dāng) e= ， 稱 淤泥 ；當(dāng) ＞e＞ = ， 稱 淤泥質(zhì)土 。 它是 淤泥與一般粘性土的過渡類型 ； 分類 2：當(dāng)土中有機(jī)質(zhì)含量 [5%， 10%]， 稱有機(jī)質(zhì)土 ；當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量 （ 10%， 60%]時(shí)稱 泥炭質(zhì)土 ；當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量 （ 60%， ） 時(shí) ，稱 泥炭 。 泥炭 是未充分分解的植物遺體堆積而成的一種高有機(jī)土 ， 呈深褐 黑色 。 其含水量極高 ， 壓縮性很大且不均勻 ， 往往以夾層或透鏡體構(gòu)造存在于一般粘性土或淤泥質(zhì)土層中 ， 對工程極為不利 。 軟土的組成和結(jié)構(gòu)特征 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 軟土的 組成成分和結(jié)構(gòu)特征是由其生成環(huán)境決定的 。 組成成分 ：由于它形成于水流不通暢 、 飽和缺氧的靜水盆地 ， 這類土 主要由粘粒和粉粒等細(xì)小顆粒組成 。 淤泥的粘粒含量較高 ， 一般達(dá) 30％ 60％ 。 粘粒的粘土 礦物成分以水云母和蒙脫石為主 ， 含大量的有機(jī)質(zhì) 。 有機(jī)質(zhì)含量一般達(dá) 5％ 15％ ， 最大達(dá) 17％ 25％ 。 結(jié)構(gòu)特征 ：粘土礦物和有機(jī)質(zhì)顆粒表面帶有大量負(fù)電荷 ，與水分子作用非常強(qiáng)烈 ， 因而在其顆粒外圍形成很厚的結(jié)合水膜 。 且在沉積過程中由于粒間靜電引力和分子引力作用 ， 形成 絮狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu) 。 結(jié)論 ：軟土含大量的結(jié)合水 ， 并由于存在一定強(qiáng)度的粒間連結(jié)而具有顯著的結(jié)構(gòu)性 。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 由于軟土的生成環(huán)境及粒度 、 礦物組成和結(jié)構(gòu)特征 ， 結(jié)構(gòu)性顯著且處于形成初期 ， 呈飽和狀態(tài) ，這都使 軟土在其自重作用下難于壓密 ， 而且來不及壓密 。 因此 ， 不僅使之必然具有 高孔隙性和高含水量 ，而且使 淤泥 （ 1） 一般呈欠壓密狀態(tài) ， 以致其孔隙比和天然含水量隨埋藏深度很小變化 ， 因而土質(zhì)特別松軟 。 淤泥質(zhì)土 （ 2） 一般則呈稍欠壓密或正常壓密狀態(tài) ， 其強(qiáng)度隨深度有所增大 。 淤泥和淤泥質(zhì)土一般呈軟塑狀態(tài) ， 但當(dāng)其結(jié)構(gòu)一經(jīng)擾動(dòng)破壞 ， 就會(huì)使其強(qiáng)度劇烈降低甚至呈流動(dòng)狀態(tài) 。 軟土的物理力學(xué)特性 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 1． 高含水量和高孔隙性 2． 滲透性弱 3． 壓縮性高 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 1． 高含水量和高孔隙性 軟土的天然含水量總是大于液限 。 據(jù)統(tǒng)計(jì)：軟土的 天然含水量 一般為 50％ 70％ ，最大甚至超過 200％ 。 天然含水量隨液限的增大成正比增加 。 天然孔隙比 在 12之間 ， 最大達(dá) 34。其 飽和度 一般大于 95％ ， 因而天然含水量與其天然孔隙比呈直線變化關(guān)系 。 軟土的如此高含水量和高孔隙性特征是決定其壓縮性和抗剪強(qiáng)度的重要因素 。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 2． 滲透性弱 軟土的滲透系數(shù)一般在 i 104一 i 108之間 ，而大部分濱海相和三角洲相軟土地區(qū) ， 由于該土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層粉 、 細(xì)砂 、 粉土等 ， 故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多 。 由于該類土滲透系數(shù)小 、 含水量大且呈飽和狀態(tài) ， 這 不但延緩其土體的固結(jié)過程 ， 而且在加荷初期 ， 常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力 ， 對地基強(qiáng)度有顯著影響 。 軟土的物理力學(xué)特性 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 3． 壓縮性高 軟土均屬高壓縮性土 ， 而且壓縮系數(shù)隨著土的液限和天然含水量的增大而增高 。 軟土在建筑荷載作用下的變形特征 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 1. 變形大而不均勻 2. 變形穩(wěn)定歷時(shí)長 3. 抗剪強(qiáng)度低 4. 較顯著的觸變性和蠕變性 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 1. 變形大而不均勻 2. 實(shí)際資料表明 ， 對于磚墻承重的混合結(jié)構(gòu) ， 如以層數(shù)來表示地基受荷的大小 ， 則 46層的民用房屋其平均沉降量一般可達(dá) 2550cm； 七層的則多達(dá) 6070cm； 對于大型構(gòu)筑物 ， 如水池 、料倉 、 油罐等 ， 其沉降量一般都大于 50cm， 甚至超過 100cm。 3. 顯然在相同條件下 ， 軟土地基的變形量比一般粘性土地基要大幾倍至十幾倍 。 因此上部荷重的差異和復(fù)雜的體型都會(huì)引起嚴(yán)重的差異沉降和傾斜 。 圖 437 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 2. 變形穩(wěn)定歷時(shí)長 因軟土的滲透性很弱 ， 水分不易排出 ， 故使建筑物沉降穩(wěn)定歷時(shí)較長 。 例如沿海閩 、 浙一帶這種軟粘土地基上的大部分建筑物在建成約 5年之久的時(shí)間后 ， 往往仍保持著每年 1cm左右的沉降速率 ， 其中有些建筑物則每年下沉 34cm。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 3. 抗剪強(qiáng)度低 軟土的抗剪強(qiáng)度小且與加荷速度及排水固結(jié)條件密切相關(guān) 。 不排水三軸快剪 所得抗剪強(qiáng)度值很小 ， 且與其側(cè)壓力大小無關(guān) ， 即其內(nèi)摩擦角為零 ， 其內(nèi)聚力一般都小于 20kPa； 直剪快剪 內(nèi)摩擦角一般為 25度 ， 內(nèi)聚力為 1015kPa； 排水條件下的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度的增加而增大 ， 固結(jié)快剪 的內(nèi)摩擦角可達(dá) 812度 ， 內(nèi)聚力為 20kPa左右 。 這是因?yàn)樵谕馏w受荷時(shí) ， 其中孔隙水在充分排出的條件下 ， 使土體得到正常的壓密 ， 從而逐步提高其強(qiáng)度 。 因此 ， 要提高軟土地基的強(qiáng)度 ， 必須控制施工和使用時(shí)的加荷速度 ， 特別是在開始階段加荷不能過大 ， 以便每增加一級荷重與土體在新的受荷條件下強(qiáng)度的提高相適應(yīng) 。如果相反 ， 則土中水分將來不及排出 ， 土體強(qiáng)度不但來不及得到提高 ， 反而會(huì)由于土中孔隙水壓力的急劇增大 ， 有效應(yīng)力降低 ， 而產(chǎn)生土體的擠出破壞 。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 4. 較顯著的觸變性和蠕變性 由于軟土的結(jié)構(gòu)性在其強(qiáng)度的形成中占據(jù)相當(dāng)重要的地位 ，則觸變性也是它的一個(gè)突出的性質(zhì) 。 關(guān)于軟土觸變性的特點(diǎn) 、實(shí)質(zhì) 、 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其工程意義 ， 見 。 我國東南沿海地區(qū)的三角洲相及濱海一瀉湖相軟土的靈敏度一般在 4— 10之間 ， 個(gè)別達(dá) 1315。 軟土的蠕變性是比較明顯的 。 在長期恒定應(yīng)力作用下 ， 軟土將產(chǎn)生緩慢的剪切變形 ， 并導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減 。 在固結(jié)沉降完成之后 ， 軟土還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降 。 上海等地許多工程的現(xiàn)場實(shí)洲結(jié)果表明：當(dāng)土中孔隙水壓力完全消散后 ，建筑物還繼續(xù)沉降 。 濕陷性黃土 一般特征 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) ?定義 :黃土是第四紀(jì)干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊沉積物 。 ?顏色 :多呈黃色 、 淡灰黃色或褐黃色； ?顆粒組成 :以粉土粒 (其中尤以粗粉土粒 ， 粒徑為 )為主 ， 約占 60％ 70％ ， 粒度大小較均勻 ， 粘粒含量較少 ， 一般僅占 10％ 20％ ；含碳酸鹽 、 硫酸鹽及少量易溶鹽； ?含水量小 ， 一般僅 8%20％ ； ?孔隙比大 ， 一般在 1． 0左右 ， 且具有肉眼可見的大孔隙； ?具有垂直節(jié)理 ， 常呈現(xiàn)直立的天然邊坡 。 分類 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 黃土按其成因可分為原生黃土和次生黃土 。 ?一般認(rèn)為 ， 具有上述典型持征 ， 沒有層理的風(fēng)成黃土為原生黃土 。 ?原生黃土經(jīng)過水流沖刷 、 搬運(yùn)和重新沉積而形成的為次生黃土 。 次生黃土有坡積 、 洪積 、 沖積 、 坡積 洪積 、 沖積 洪積及冰水沉積等多種類型 。 它一般不完全具備上述黃土特征 ， 具有層理 ， 并含有較多的砂粒以至細(xì)礫 ， 故也稱為黃土狀土 。 特征 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 黃土和黃土狀土 (以下統(tǒng)稱黃土 ) ?在天然含水量時(shí) ,呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài) ，具有較高的強(qiáng)度和低的或中等偏低的壓縮性 ， ?但遇水浸濕后 ， 有的即使在其自重作用下也會(huì)發(fā)生劇烈而大量的沉陷 (稱為濕陷性 )， 強(qiáng)度也隨之迅速降低 。 而有些地區(qū)的黃土卻并不發(fā)生濕陷 。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 可見 ， 同是黃土 ， 但遇水浸濕后的反應(yīng)卻有很大差別 。 ?凡天然黃土在上覆土的自重壓力作用下 ， 或在上覆土的自重壓力與附加壓力共同作用下 ，受水浸濕后土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的 ， 稱為 濕陷性黃土 。 ?否則 ， 稱為 非濕陷性黃土 。 而非濕陷性黃土的工程性質(zhì)接近一般粘性土 。 因此 ， 分析 、 判別黃土是否屬于濕陷性的 、其濕陷性強(qiáng)弱程度 、 地基濕陷類型和濕陷等級 ，是黃土地區(qū)工程勘察與評價(jià)的核心問題 。 分布 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 黃土在我國分布很廣 ， 面積約 63萬 km2。 其中濕陷性 黃土 約占 3／ 4， 遍及甘 、 陜 、 晉的大部分地區(qū)以及豫 、 寧 、 冀等部分地區(qū) 。 此外 ， 新疆和魯 、 遼等地也有局部分布 。 由于各地的地理 、 地質(zhì)和氣候條件的差別 ，濕陷性黃土的組成成分 、 分布地帶 、 沉積厚度 、濕陷特征和物理力學(xué)性質(zhì)也因地而異 ， 其濕陷性由西北向東南逐漸減弱 ， 厚度變薄 。 詳見 《 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范 》 GBJ2590附錄 二 ：中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)圖及其附 表 。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 同時(shí) ， 由于黃土形成的地質(zhì)年代和所處的 自然 地理環(huán)境不同 ， 其 組成與結(jié)構(gòu)特征及工程 特征 又有明顯的差異 。 我國黃土按形成年代的早晚 ， 有 老 黃土和 新黃 土 之分 。 黃土形成年代愈久 ， 由于 鹽分溶濾較充分 ， 固結(jié)成巖程度大 ， 大 孔 結(jié)構(gòu)退化 ， 土質(zhì)愈趨 密實(shí) ， 強(qiáng)度高而壓縮性小 ，濕 陷性減弱甚至不具濕 陷 性 。 反之 ， 形成年代愈短 ， 其特性適相反 。 黃土濕陷性的形成及影響因素 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 黃土濕陷性的形成原因 黃土濕陷性的影響因素 黃土濕陷性及濕陷類型判別 黃土濕陷起始壓力的意義及用途 關(guān)于黃土地基濕陷等級的劃分 黃土濕陷性的形成原因 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) ?內(nèi)在因素 ：黃土的結(jié)構(gòu)特征及其物質(zhì)組成 。 ?外部條件 ：水的浸潤和壓力作用 。 黃土的結(jié)構(gòu)是在形成黃土的整個(gè)歷史過程中造成的，干旱和半干旱的氣候是黃土形成的必要條件。 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) 黃土在干燥時(shí)具有較高的強(qiáng)度 ， 而遇水后表現(xiàn)出明顯的濕陷性 ，這是由黃土本身特殊的成分和結(jié)構(gòu)所決定的 。 成分特征 中山大學(xué)地球科學(xué)系 工程地質(zhì)學(xué) ?礦物成分 ：黃土的礦物成分主要是石英 (含量常超過一半 )， 長石 (含量常達(dá)四分之一以上 )， 碳酸鹽 (含量常為百分之十至十五 ， 主要是碳酸鈣 )， 粘