第七章-土体研究的基本问题

第七章土体研究的基本问题及其人工改良的基本原理第一节人类活动对土体性质的影响•人类活动对土性质改变主要有下列几方面：•(1)由于水文地质条件的变化，使土的含水率增加或减少，土的强度降低或增强；•(2)由于热平衡条件的变化，土的温度增高或降低，使土的含水率减少甚至烧结变质，土的强度增强，或者水分被冻结成冻土，强度增强，渗透性减弱，但融化后土质潮湿，强度急剧减低；•(3)由于土体力学平衡条件的改变，如由于附加压力的增加或卸荷作用，土体产生附加的压缩或膨胀回弹，使土的孔隙减少或增多，强度有所增强或降低。又如振动荷载作用，使土被振密或松胀，强度也有所改变；•(4)由于某些物质进入土中或被带走，改变了土的成分和连结特征，孔隙减少或增多，改变了土体结构，强度增强或降低，透水减弱或增强。•根据这些基本情况，可以利用人工方法去改良土体性质，以符合工程的要求；或者控制条件的变化，以防止土性质的恶化而危及建筑物的安全。第二节土体工程地质研究的基本问题•土体工程地质研究的中心问题是各类土体的工程地质特性的现状及可能的变化，以及应该采取的防治措施。•对土体进行工程地质研究的基本问题可以归纳为如下几点：•(1)土层的成因类型和形成年代：不同成因类型的土，其性质可能差别很大。各类土的工程地质性质的差异，主要原因是：①在不同的生成条件下，形成了土的不同物质成分和结构；②土层的产状和构造的不同；③土体形成时代也决定着土的变化(一般是时代愈老的土，压实愈密，孔隙比和含水率愈小，由软变硬，强度逐渐增大。故Q4以前的老粘土，一般较密实坚硬，而最近几干年沉积的粘性土，多数属于欠固结土，强度较低)。•(2)土层在水平和垂直方向上的变化规律：土层的产状说明土层间的关系，而土的构造是指土层中不同矿物成分或结构单元的产出状态及相互的关系。交错层、夹层、透镜体，层理、裂隙等使土层各部分的土成分和结构不一样，以致使不同地点的土体的透水性、压缩性、强度等亦有很大的差异。•(3)各类土的成分和结构及其工程地质性质和指标：这是土的工程地质研究的中心内容。只有弄清土体中各部•位、各类土的成分和结构，了解有关的工程地质性质及其相应指标，才能对作为建筑物地基或环境的土体进行评价。•(4)周围人为的或自然环境的影响：在研究土层产状、构造及其成分结构时，必须考虑其周围自然环境的影响，•尤其是应力和地下水的影响。气候条件决定着不同地质作用的特点和强度，影响着地形、地貌和水文地质条件，也可能改变土的成分和结构；地形、地貌条件在很大程度上决定着土体分布范围，沉积厚度和产状，以及水平和垂直方向岩性变化规律；水文地质条件影响着土的生成和存在环境，水与土相互作用导致土的成分和结构的改变，强烈影响着土体性质。•(5)预测土体的可能变化，提出改良土质的措施：根据已掌握的地质、水文地质和土体性质情况，结合工程建筑的具体要求，预测土质的可能变化。当土不符合要求时，须选择有关的土质改良方法，改良不利的条件。第三节土体人工改良的基本原理•采取工程地质措施改变土体的不良性质，从而改变不良的地质条件。一般被称为土体人工改良或简称土质改良。•土体人工改良的任务和目的，主要是提高土体的力学强度，减少其变形量，提高抗水稳定性，降低透水性；或增强土体结构的完整性，增强其联结强度，减弱渗透途径及渗透量；或改善地质环境，主要是改变土中的应力状态和地下水存在条件，以增强土体的力学强度，提高建筑物地基、边坡或围岩的稳定性．以保证建筑物的安全稳定和正常使用。•当土体性质不良，不能满足建筑物的要求时，需要人工改良的具体情况主要有：•(1)修筑道路、飞机场、运动场等，把表层土作为建筑材料铺路面或作为地基时要人工改变土的密实度、透水性或抗水性，以增强土的强度和稳定性；•(2)修筑工业与民用建筑、桥梁、水工建筑，将土体作为地基时，由于土体承载能力不够或地下水渗漏过甚而影响施工或土体不稳定，需要加固地基或设置防渗帐幕，提高土体强度和降低其透水性；•(3)水工、道路等建筑物的边坡不稳定时，需要加固土坡，可采用消除水的危害，改变边坡力学平衡条件，增强结构面强度等措施；•(4)地下建筑或开挖(隧道、矿井、坑道等)，为了防止涌水或坍塌，保证正常工作，需要提高土体强度，降低透水性，须采用喷浆护面，锚筋加固，灌浆胶结等措施加固围岩或设置阻水帐幕。土体人工改良的最基本原理是通过改变土的成分或结构，增强土体结构完整性，降低土体中含水率和应力，来达到改良某些土体性质的目的。一般可利用压密、夯实、振动、冲击、排水、置换、加进胶结物、冻结、加热、加筋等物理的或化学的方法，人为地限制土中的水分，减少孔隙，改变土的某些成分，以增强连结、增大内聚力、减低压缩性和透水性、增强抗水稳定性。由于土的特性、改良土体位置、改良目的和技术方法不同，土体人工改良方法是多种多样的。•土质改良的方法，大致可以归纳为四类：•第一类是加进某种材料以改变土的成分，使土体连结能力加强，充填孔隙、裂隙，以提高上体强度，降低土体适水性。根据加进材料的方式，又可分三大类：拌和法、换(填)垫层法、化学加固法。拌和法是将某些材料拌混于••土中，并加以压实，使土胶结，提高土的强度或抗水稳定性；根据使用的材料不同，有最优土法、胶结材料胶结法和吸湿盐法等。换(填)垫层法是将基底下一定深度的软弱土层挖除，然后回填较好的土、砂、碎石料，或在天然地层上铺设土、砂、碎石料，作为人工填筑的持力层，提高地基承载力，减少地基沉降量。化学加固法是通过注入水泥或化学浆液等材料，胶结土粒，填塞孔隙、裂隙，从而提高土体强度，降低土体透水性，提高地基、边坡或地下洞室围岩的稳定性。根据施工方法不同，有灌浆法、高压喷射注浆法、探层搅拌法等。•第二类是通过某种技术方法，改变土体的松散状态，使土体孔隙或裂隙减少，密实度增大，强度提高，透水性降低，抗水稳定性增强．改善土体抗振动能力。根据处理土体部位和采用手段不同，可分为表层压实法和深层挤密•法，前者有机械碾压法、振动压实法和重锤夯实法之分；•后者有强夯法、爆破挤密法、振冲法、挤密法等方法。•第三类是改变地下水条件，降低土体水分。通过布置排水并、排水沟和排水垫层，改善土体排水条件，并采取加压、抽水、电渗等措施，以加速土体的固结，提高土体强度，增强土体稳定性。此法一般称排水固结法或预压法，包括砂井堆载预压法、真空预压法、抽降水法、电渗法等。•第四类是改善土体结构完整性的加筋法，增强土体结构的完整，除采用化学加固法以增强联结外，还可以在土体中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件及各种不同材料的胶体，以提高建筑物地基、边坡或地下围岩的稳定性，提高承载力，减少变形量。这类方法可统称加筋法，包括多种方法。第四节土体人工改良主要方法简介及选择原则•下面简单介绍几种主要的土体人工改良方法。•1．拌和法•将某些材料拌入土中，并加以压实，以提高土体强度。此法适用于表层工程，但只能加固地表l一2m厚的土层。•(1)最优土法：根据各种粒组在土中所起的不同作用，可按一定比例将不同粒组加以人工配合，使这种土在不同含水情况下具有一定的强度，这种土就称为最优土(或称最佳级配土)。最优土中各粒组含量的多少，取决于当地的情况、气候条件和建筑物的要求。在一般最优土中，将大量粗粒组(0.25—5mm)作为基本骨架(占25％一55％)。•加适量的粘粒起胶结作用(占6％一12％)。在过湿地区，粘粒应少些，粗粒应多些。此法就地取材，技术简单，费用很低，适用于各种土类，修筑一般公路，广泛应用。•(2)胶结材料胶结法：胶结材料很多，主要有沥青、柏油、水泥和石灰等。经过胶结材料处理后，土的强度增大，抗水性提高。•此外，还可以加入炉碴、碎砖、石粉、煤碴等工业废料，以减少粘性土的粘性；加入少量的泥炭，以增加砂土的连结力。将这些掺合料与最优土相互配合，效果更好。•(3)吸湿盐法：要使土路面保持良好的状况，应保持一定的水量。掺入少量吸湿盐类(CaCl2，NaCl)可使土保持一定水分，使土粒有较好的连结，干燥时无尘，潮湿时稳定。此法主要适用于粉质细粒土路面。•2．换(填)垫层法cushion•此法实质是设置垫层的方法，可有两种情况：一种是在天然地层上铺设垫层，作为人工填筑的持力层；一种是将表层一定深度的软弱层挖除，然后置换回填较好的垫层。按回填的材料命名垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层等。垫层可提高持力层的承载力，减少地基沉降量，部分消除土的湿陷性和胀缩性，防止土的冻胀，改善土的动力特性。此法适用于各类软弱土(如淤泥类土、饱和软弱粘性土、松砂、素填土、杂填上)和特殊性土(如湿陷性土、胀缩性土、季节冻土等)。处理深度控制在3m以内，一般为l一2m，常用于轻型建筑和表层工程(堆料场、地坪、道路)。•3．化学加固法•此法通过压力、高压喷射或深层搅拌等措施，将水泥、石灰或化学浆液注入土体中，使浆液与土粒胶结起来，形成坚硬的桩体，以改善土体的工程性质，提高承载力，增加稳定性，减少沉降，防止渗漏，加固深度一般可达20m左右。施工方法可有下列三种。•(1)灌浆法：通过钻孔或打入花管(下部带有孔眼的注浆管)，用压力把胶结材料浆液压进土中．在土中凝固，填充孔隙、裂隙，把土粒胶结起来，从而增强土体强度或降低透水性。此法最常用于各类建筑物的地基、边坡或地下开挖工程。根据浆液的不同，灌浆法可分为水泥灌浆法、粘土灌浆法、沥青灌浆法和化学灌浆法等。••水泥灌浆法是将水泥灌入土的孔隙中，水泥中的成分发生水化作用，形成新的化合物，填塞孔隙，胶结土粒，以减低土的透水性，提高强度。最常用于渗透系数为10一80m／d的粗砂、砾石层，以防止地下水的大量渗漏。•粘土灌浆法是借压力将粘土浆灌入土的孔隙中，使土粒留在孔隙中，充填孔隙，大大降低透水性，但强度增加很小。故只用于临时性或次要防渗工程，降低渗透系数小于80m／d砂砾石层的透水性。•沥青灌浆法是通过钻孔把沥青溶液压入土中，使它填塞孔隙，大大降低土的透水性，提高抗水性，但强度增加不大。沥青浆有热、冷两种。热沥青法将熔化(200—220℃)的沥青灌入孔隙中．沥青冷却硬化后将孔隙堵塞。但热沥青稠度浓，需用较大的压力。热沥青法适用孔隙较大的砾石层(渗透系数为80一100m／d)，地下水流速很大也能处理。但要保持沥青要有高温度，设备复杂，成本较高，孔隙较小的砂土不适用。冷沥青法是用专门的沥青乳浊液压进孔隙中。冷沥青法适用于孔隙较小的砂砾(渗透系数为10一100m／d)，不用加热，但对孔隙大、地下水流速快的砂砾石不适用。•化学灌浆法是将某些溶液压入土的孔隙中，这些溶液发生化学反应，迅速分泌出凝胶或结晶，使土胶结成整块，具有较高的强度和抗水性，透水性大大降低。目前，最常用的材料为水玻璃，此法称为硅化法。硅化法多用于孔隙较小的土，如砂土、一般细粒土、黄土类土等,可用于施工前加固处理，也可用于已有建筑物的加固，处理•效果快，只用很短时间溶液就凝固起作用．且强度随时间而增高。加固后的土强度很大，透水性大大降低，在水中很稳定，但费用较高，技术复杂。除用水玻璃加固土的硅化法外．可采用很多其他化学溶液加固土，统称化学灌浆法。•(2)高压喷射注浆法(jetgrouting)：将带有特殊喷嘴的注浆管，以高压喷射流直接冲击破坏土体，使射入的浆液(一般是水泥浆)和土拌和，经过凝结硬化，形成圆柱状高强度桩体群、复合地基或挡土和挡水的结构物，可提高地基承载力，改变水流方向。增强边坡稳定性。此法适用于较松软的各类一般土和人工填土、淤泥类土。•(3)深层搅拌法(deepmixing)：利用水泥或石灰作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在土体深处就地将软弱土和浆状或粉状的固化剂进行强制搅拌，经拌和后的混合物发生一系列物理化学反应，使软弱土体硬结成具有整体性、水稳定和一定强度的加固柱体，其加固效果与高压喷射注浆法类似。此法适用于强度较低、含水较多的粉砂细土和细粒土，以及淤泥类土、冲填土等。•4．表层压实法•利用机械力量来压实表层疏松多孔的土体，使其透水性和压缩性减弱，强度提高。由于其冲击力量不够，一般只能加固压实1.5—3.0m厚的土层。由于压