长安大学基础工程第七章--几种特殊土地基上的基础工程

第七章几种特殊土地基上的基础工程特殊土定义：由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因，使一些土类具有特殊的成分、结构和工程性质。通常把这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土种类很多，大部分都具有地区特点，故又有区域性特殊土之称。第一节湿陷性黄土地基一、湿陷性黄土的定义和分布湿陷性黄土的定义：凡天然黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著的湿陷变形，强度也随之降低的，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土分为自重湿陷性和非自重湿陷性两种。黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。湿陷性黄土的分布：在我国，它占黄土地区总面积的60%以上，约为40万km2，而且又多出现在地表浅层，如晚更新世（Q3）及全新世（Q4）新黄土或新堆积黄土是湿陷性黄土主要土层，主要分布在黄河中游山西、陕西、甘肃大部分地区以及河南西部，其次是宁夏、青海、河北的一部分地区，新疆、山东、辽宁等地局部也有发现。二、黄土湿陷发生的原因和影响因素黄土湿陷的原因：（一）水的浸湿：由于管道（或水池）漏水、地面积水、生产和生活用水等渗入地下，或由于降水量较大，灌溉渠和水库的渗漏或回水使地下水位上升等原因而引起。但受水浸湿只是湿陷发生所必需的外界条件；而黄土的结构特征及其物质成分是产生湿陷性的内在原因。（二）黄土的结构特征：季节性的短期雨水把松散干燥的粉粒粘聚起来，而长期的干旱使土中水分不断蒸发，于是，少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉粒的接触点处。可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物。随着含水量的减少土粒彼此靠近，颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大。这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力，阻止了土体的自重压密，于是形成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构。黄土受水浸湿时，结合水膜增厚楔入颗粒之间。于是，结合水联结消失，盐类溶于水中，骨架强度随着降低，土体在上覆土层的自重应力或在附加应力与自重应力综合作用下，其结构迅速破坏，土粒滑向大孔，粒间孔隙减少。这就是黄土湿陷现象的内在过程。（三）物质成分：黄土中胶结物的多寡和成分，以及颗粒的组成和分布，对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有着重要的影响。胶结物含量大，可把骨架颗粒包围起来，则结构致密。粘粒含量多，并且均匀分布在骨架之间也起了胶结物的作用。这些情况都会使湿陷性降低并使力学性质得到改善。反之，粒径大于0.05mm的颗粒增多，胶结物多呈薄膜状分布，骨架颗粒多数彼此直接接触，则结构疏松，强度降低而湿陷性增强。此外，黄土中的盐类，如以较难溶解的碳酸钙为主而具有胶结作用时，湿陷性减弱，但石膏及易溶盐的含量愈大时，湿陷性增强。此外，黄土的湿陷性还与孔隙比、含水量以及所受压力的大小有关。天然孔隙比愈大，或天然含水量愈小则湿陷性愈强。在天然孔隙比和含水量不变的情况下，随着压力的增大，黄土的湿陷量增加，但当压力超过某一数值后，再增加压力，湿陷量反而减少。三、黄土湿陷性的判定和地基的评价（一）黄土湿陷性的判定黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数s值来判定，湿陷系数s为单位厚度的土层，由于浸水在规定压力下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。试验方法：s可通过室内浸水压缩试验测定。把保持天然含水量和结构的黄土土样装入侧限压缩仪内，逐级加压，达到规定试验压力，土样压缩稳定后，进行浸水，使含水量接近饱和，土样又迅速下沉，再次达到稳定，得到浸水后土样高度'ph（图7-1），由式（7-1）求得土的湿陷系数s0'hhhpps（7-1）式中：h0——土样的原始高度(m)；hp——土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力p的作用下，压缩稳定后的高度(m)；'ph——对在压力p作用下的土样进行浸水，到达湿陷稳定后的土样高度(m)。湿陷性判定：我国《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）按照国内各地经验采用s=0.015作为湿陷性黄土的界限值，s≥0.015定为湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。一般认为s0.03为弱湿陷性黄土，0.03s≤0.07为中等湿陷性黄土，s0.07为强湿陷性黄土。（二）湿陷性黄土地基湿陷类型的划分定义：黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。划分：《湿陷性黄土地区建筑规范》用计算自重湿陷量zs来划分这两种湿陷类型的地基，zs(cm)按下式计算niizsizsh10（7-2）图7-1在压力P下浸水压缩曲线式中：0——根据我国建筑经验，因各地区土质而异的修正系数。对陇西地区可取1.5，陇东、陕北地区可取1.2，关中地区取0.7，其他地区（如山西、河北、河南等）取0.5；zsi——第i层地基土样在压力值等于上覆土的饱和（S85%）自重应力时，试验测定的自重湿陷系数(当饱和自重应力大于300kPa时，仍用300kPa)；hi——地基中第i层土的厚度(m)；n——计算总厚度内土层数。当zs7cm时为自重湿陷性黄土地基，zs≤7cm时为非自重湿陷性黄土地基。用上式计算时，土层总厚度从基底算起，到全部湿陷性黄土层底面为止，其中zs0.015的土层（属于非自重湿陷性黄土层）不累计在内。（三）湿陷性黄土地基湿陷等级的判定定义：湿陷性黄土地基的湿陷等级，即地基土受水浸湿，发生湿陷的程度，可以用地基内各土层湿陷下沉稳定后所发生湿陷量的总和（总湿陷量）来衡量。《湿陷性黄土地区建筑规范》对地基总湿陷量s（cm）用下式计算：niisish1（7-3）式中：si——第i层土的湿陷系数；hi——第i层土的厚度(cm)；——考虑地基土浸水机率、侧向挤出条件等因素的修正系数，基底下5m（或压缩层）深度内取1.5；5m(或压缩层)以下，非自重湿陷性黄土地基=0，自重湿陷性黄土地基可按式(7-2)0取值。湿陷等级的判定：可根据地基总湿陷量s和计算自重湿陷量zs综合，按表7-1判定。湿陷性黄土地基的湿陷等级表7-1湿陷类型zs(cm)s(cm)非自重湿陷性地基自重湿陷性地基≤77zs≤3535≤30Ⅰ(轻微)Ⅱ(中等)——30s≤60Ⅱ(中等)Ⅱ或ⅢⅢ(严重)60——Ⅲ(严重)Ⅳ(很严重)四、湿陷性黄土地基的处理目的：改善土的性质和结构，减少土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生，部分或全部消除它的湿陷性。在明确地基湿陷性黄土层的厚度、湿陷性类型、等级等后，应结合建筑物的工程性质，施工条件和材料来源等，采取必要的措施，对地基进行处理，满足建筑物在安全、使用方面的要求。桥梁工程中，对较高的墩、台和超静定结构，应采用刚性扩大基础、桩基础或沉井等型式，并将基础底面设置到非湿陷性土层中；对一般结构的大中桥梁，重要的道路人工构造物，如属Ⅱ级非自重湿陷性地基或各级自重湿陷性黄土地基也应将基础置于非湿陷性黄土层或对全部湿陷性黄土层进行处理并加强结构措施；如属Ⅰ级非自重湿陷性黄土也应对全部湿陷性黄土层进行处理或加强结构措施。小桥涵及其附属工程和一般道路人工构造物视地基湿陷程度，可对全部湿陷性土层进行处理，也可消除地基的部分湿陷性或仅采取结构措施。结构措施是指结构形式尽可能采用简支梁等对不均匀沉降不敏感的结构；加大基础刚度使受力较均匀；对长度较大且体形复杂的建筑物，采用沉降缝将其分为若干独立单元。按处理厚度可分为全部湿陷性黄土层处理和部分湿陷性黄土层处理，前者对于非自重湿陷性黄土地基，应自基底处理至非湿陷性土层顶面（或压缩层下限），或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度；对于自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。后者指处理基础底面以下适当深度的土层，因为该部分土层的湿陷量一般占总湿陷量的大部分。这样处理后，虽发生少部分湿陷也不致影响建筑物的安全和使用。处理厚度视建筑物类别，土的湿陷等级、厚度，基底压力大小而定，一般对非自重湿陷性黄土为1～3m，自重湿陷性黄土地基为2～5m。常用的处理湿陷性黄土地基的方法：（一）灰土或素土垫层将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖到预计深度，然后用灰土（三分石灰七分土）或素土（就地挖出的粘性土）分层夯实回填，垫层厚度及尺寸计算方法同砂砾垫层，压力扩散角对灰土用30，对素土用22。垫层厚度一般为1.0～3.0m。它施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层湿陷性处理或部分处理的方法。（二）重锤夯实及强夯法重锤夯实法能消除浅层的湿陷性，如用15kN～40kN的重锤，落高2.5～4.5m，在最佳含水量情况下，可消除在1.0～1.5m深度内土层的湿陷性。强夯法根据国内使用纪录，锤重100～200kN，自由落下高度10～20m锤击两遍，可消除4～6m范围内土层的湿陷性。两种方法均应事先在现场进行夯击试验，以确定为达到预期处理效果（一定深度内湿陷性的消除情况）所必需的夯点、锤击数、夯沉量等，以指导施工，保证质量。（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成（少数也有用素土），用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，达到消除或减轻地基的湿陷性。此方法适用于消除5～10m深度内地基土的湿陷性。（四）预浸水处理自重湿陷性黄土地基利用其自重湿陷的特性，可在建筑物修筑前，先将地基充分浸水，使其在自重作用下发生湿陷，然后再修筑。除以上的地基处理方法外，对既有桥涵等建筑物地基的湿陷也可考虑采用硅化法等加固地基五、湿陷性黄土地基的容许承载力和沉降计算湿陷性黄土地基容许承载力：可根据地基载荷试验、规范提出数据及当地经验数据确定。当地基土在水平方向物理力学性质较均匀，基础底面下5m深度内土的压缩性变化不显著时，可根据我国《公桥基规》确定其容许承载力。经灰土垫层（或素土垫层）、重锤夯实处理后地基土承载力应通过现场测试或根据当地建筑经验确定，其容许承载力一般不宜超过250kPa（素土垫层为200kPa）。垫层下如有软弱下卧层，也需验算其强度。对各种深层挤密桩、强夯等处理的地基，其承载力也应作静载荷试验来确定。沉降计算：应结合地基的各种具体情况进行，除考虑土层的压缩变形外，对进行消除全部湿陷性处理的地基，可不再计算湿陷量（但仍应计算下卧层的压缩变形）；对进行消除部分湿陷性处理的地基，应计算地基在处理后的剩余湿陷量；对仅进行结构处理或防水处理的湿陷性黄土地基应计算其全部湿陷量。压缩沉降及湿陷量之和如超过沉降容许值时，必须采取减少沉降量、湿陷量措施。第二节膨胀土地基膨胀土的定义：按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112--87）中的定义，膨胀土应是土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土。膨胀土的分布范围：据现有的资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省、自治区、市均有膨胀土。国外也一样，如美国，50个州中有膨胀土的占40个州，此外在印度、澳大利亚、南美洲、非洲和中东广大地区，也都有不同程度的分布。目前膨胀土的工程问题，已成为世界性的研究课题。膨胀土的危害：使大量的轻型房屋发生开裂、倾斜，公路路基发生破坏，堤岸、路堑产生滑坡；在我国，据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物，因地基土胀缩变形而导致损坏或破坏的有1000万m2；我国过去修建的公路一般等级较低，膨胀土引起的工程问题不太突出，所以尚未引起广泛关注。然而，近年来由于高等级公路的兴建，在膨胀土地区新建的高等级公路，也出现了严重的病害，已引起了公路交通部门的重视。一、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级（一）影响膨胀土胀缩特性的主要因素内在机制：主要是指矿物成分及微观结构两方面。实验证明，膨胀土含大量的活性粘土矿物，如蒙脱石和伊利石，尤其是蒙脱石，比表面积大，在低含水量时对水有巨大的吸力，土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大