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第三节特殊土的工程地质特性•特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构，而工程地质性质也较特殊的土。这些特殊土一般都是在一定的生成条件下形成的，或是由于所处自然环境逐渐变化形成的。本节主要叙述淤泥类土、膨胀土、黄土类土、盐渍土、冻土和人工填土。•一、淤泥类土•1．形成条件和成分、结构特点•淤泥类土是指在水流缓慢的沉积环境中和有微生物参与作用的条件下沉积形成的含较多有机质，疏松软弱(天然孔隙比大于1，天然含水率大于液限)的含较多粉粒的粘性土。淤泥类土是近代未经固结的在滨海、湖泊、沼泽、河湾、废河道等地区沉积的一种特殊土类。淤泥类土是在水流不通畅、缺氧、饱水条件下的静水盆地中形成的近代沉积物。由于形成条件近似，不同成因形成的淤泥类土的性质是很相似的。•物质组成和结构特点：•物质组成：主要是粉质亚粘土；除部分石英、长石、云母矿物外，还含有大量粘土矿物(其中常以伊利石和蒙脱石占多数)，并含有少量的水溶盐类矿物，有机质含量较多(一般含量为5％一15％，个别较大些)。•外观：常呈灰色、灰蓝、灰绿和灰黑等暗淡的颜色，污染手指，并有臭味。•结构形式：蜂窝状或海绵状，疏松多孔；被扰动后，结构•易被破坏，强度降低。淤泥类土定向排列明显，层理较发育，常具薄层状构造，常含粉砂夹层或泥炭透镜体。•按形成和分布情况，我国淤泥类土基本上可以分为两大类：一类是沿海沉积的淤泥类土；一类是内陆和山区湖盆地及山前前谷地沉积的淤泥类土。一般说，前者分布较稳定，厚度较大，土质较硫松软弱；后者常零星分布，沉积厚度较小，性质变化大。我国主要不同成因类型的淤泥类土如图6—3所示，其工程地质指标对比，见表6—5(摘自《软土地区工程地质勘察规范》JGJ83—91)。•我国沿海沉积的淤泥类土，大致可分为四个类型：•(1)泻湖相沉积：浙江温训、宁波等地区的淤泥类土属于这一类型。它的特征是地层比较单一，厚度大，沉积物颗粒微细、均匀，孔隙比大，强度低，分布范围宽阔，常••形成滨海平原。•(2)溺谷相沉积：福建福州闽江口地区属于这一类型。表层为耕土或人工填土，以及较薄的、较致密的粘土或亚粘土；以下为厚几米至十多米的高压缩性和低强度的淤泥类土；其下基岩或一般十层起伏变化较大。但淤泥类土分布范围较窄。•(3)滨海相沉积：天津塘沽新港和江苏连云港等地区淤泥类土属这种类型。表层为数米厚的河褐黄色亚粘土，以下为厚层(数十米)的淤泥类土，常夹粉砂薄层或透镜体。这种粉砂夹层是由粘土和粉砂交错形成的，呈细微条带状构造。这种有夹层的淤泥类土较前两类沉积物的工程地质性质稍好。但在较深水处沉积的，特别是年代较新的淤泥类土，其工程地质性质很差。•(4)三角洲相沉积：长江三角洲、珠江三角洲等地区淤泥类土属于此类型。其特点是海相与陆相交替沉积。总体来说，软土层分布宽阔，厚度比较稳定、均匀，由于受海流与波浪的破坏，分选程度较差，多交错斜层理或不规则的透镜体夹层。比起前面三种类型的淤泥类土，这种淤泥类土的性质较好。•内陆平原区的淤泥类土主要有湖泊、河漫滩和牛轭湖相等类型：•(1)湖相沉积：滇池东部、洞庭湖、洪泽湖、太湖等地区淤泥类土属于此类。其特点是颗粒微细均匀，富含有机质，淤泥成层较厚，不夹或很少夹砂层，但往往有厚度不等的泥炭夹层或透镜体。厚度各处不一，一般厚一二十米，其中所夹泥炭的性质很差。•(2)河漫滩相沉积：长江、松花江中、下游河谷附近，淤泥类土常夹于上层粘性土之中，常为袋状或透镜体，产状、厚度、性质变化大，—般厚度小于l0m，下层常为砂层。由于淤泥类土是局部淤积的，其成分、厚度、性质变化较大，会造成地基的不均一性。•(3)牛轭湖相沉积：土的性质与湖相沉积相近，但分布•范围较窄，常有泥炭夹层，一般呈透镜体掩埋于冲积层之下，需慎重对待。•在我国广大山区沉积有“山地型”淤泥类土。它主要是由于当地的泥灰岩、各种页岩和泥岩的风化产物和地面的有机物质，经水流搬运沉积在原始地形低洼处．长期泡水软化，间有微生物的作用而形成的，以坡洪积、湖积和冲积三种类型为主，其特点是分布而积不大，厚度变化悬殊，多分布在冲沟、谷地、河流阶地和各种洼地中。•2．工程地质性质的基本特点•(1)高孔隙比，饱水，天然含水率大于液限。我国淤泥类土孔隙比的常见值为1.0一2.0，个别者达2.4，液限一段为40％一60％，饱和度一般都超过95％，天然含水率•多为50％一70％或更大。由于有一些连结，在未受扰动时，土常处于软塑状态；但一经扰动，结构破坏，土就处于流动状态。•(2)透水性极弱，一般渗透系数为i×10－5一10－8cm／s。由于常夹有极薄层的粉砂、细砂层，故垂直方向的渗透系数较水平方向要小些。•(3)高压缩性，压缩系数a1－2一般为0.7一1.5MPa-1，且随天然含水率的增大(也即孔隙的增大)而增大。这是由于淤泥类土的结构疏松，矿物亲水性强，透水性弱，排水不易，沉积年代晚，故压密程度很差。表观变形量大而不均匀，变形稳定历时长。•(4)抗剪强度低，且与加荷速度和排水固结条件有关。•在不排水条件下进行三轴快剪试验时，φ角接近于零，直剪试验，φ一般只有2°一5°，C值一般小于0.02MPa。在排水条件下，抗剪强度随固结程度增加而增大，固结快剪的φ值可达10一15°，C值在0.02MPa左右。因此，要提高淤泥类土的强度，必须控制加荷的速度。•(5)具较显著的触变性和蠕变性，强震下易震陷。我国的淤泥类土常属于中灵敏性，有的属高灵敏性。因此，淤泥类土在取样、施工和作为地基使用过程中，应尽量避免扰动，或采取一定的措施。同时，必须考虑长期作用的影响，其长期强度往往还不足标准强度的一半。某些淤泥类土动强度很低，在较大的震动力作用下易出现震陷，例如，厚度大于3m的淤泥在Ⅶ度地震裂度时可能被震陷150mm左右。•习惯上还将天然含水率大于液限，孔隙比大于1.5(相当于天然含水率大于55％)的淤泥类土称为“淤泥”，即典型的淤泥类土，其压缩性很高，强度低，灵敏度较大；而将天然含水率大于液限，孔隙比为1.0一1.5(相当于天然含水率为36％一55％)的淤泥类土称为“淤泥质土”。它的特性介于典型淤泥和一般粘性土之间，其形成条件和成分与典型淤泥相近；但压密程度较好，含水率较低，故强度略高。•决定淤泥类土性质的根本因素是它的成分和结构。有机质或粘粒含量众多，土的亲水性愈强，压缩性就愈高；但更重要的是，与结构有关的孔隙比的大小，孔隙比愈大，天然含水率愈多，故压缩性就愈高，强度愈低，灵敏度愈大，性质就愈恶劣。•淤泥类土的强度主要取决于内聚力。它与含水率和孔隙比，也即稠度和密实状态有关。由于抗剪强度很低，沉降量大或不均匀沉降明显，实质上，承载力取决于压缩性，主要是考虑变形不应超过某个限度。•在工程实践中，将天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的细粒土称为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数大于0.5MPa－1，不排水抗剪强度小于30kPa。•二、膨胀土•1．分布和成因类型•一种具特殊变形性质，体积随含水率的增加而膨胀，随含水率的减少而收缩。具有明显的膨胀性和收缩性的•土，称为膨胀性土(简称膨胀土)。•膨胀土在我国分布较广，云南、广西、贵州、湖北、河北、河南、山东、山西、四川、陕西、安徽等十多个省(自治区)均不同程度地分布省膨胀土；其中，尤以云南、广西、贵州、湖北、河南等省分布较多而有代表性。•膨胀土一般分布在盆地内垅岗、山前丘陵地带和二、三级阶地上，大多数是上更新世Q3及以前的残坡积、冲积、洪积物，也有晚第三纪至第四纪的湖相沉积及其风化层；个别分布在全新世Q4冲积一级阶地上。国外有些膨胀土属于冰湖沉积或海相沉积。•2．成分和结构特征•外观：膨胀土一般呈红、黄、褐、灰白等不同颜色，具班状结构。常含有铁锰质或钙质结核(这与淋滤沉淀有关)。•土体常具有网状开裂，有蜡状光泽的挤压面，类似劈理。土层表层常出现各种纵横交错的裂隙和龟裂现象，这与失水土体强烈收缩有关。这些裂隙破坏了土体的完整性和强度，常形成软弱的结构面，使土体丧失稳定性。•膨胀土所以具有胀缩特性，主要是因土中含有较多的粘粒，一般粘粒含量高达35％以上；更主要的是这些粘粒大部分为亲水性很强的蒙脱石和水云母等粘土矿物，膨胀收缩能力较强；易溶盐、中溶盐、有机质含量一般均较低，常见碳酸钙或铁锰质结核。•天然状态下，膨胀土一般致密坚硬，孔隙比一般＜0.8，但某些残坡积红粘土型却可达1.0以上。膨胀土物质成分一般在水平方向比较均一，但裂隙、微层理或隐层理却较发育。•3．一般工程地质性质•膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大．液限为40％一68％，塑限为17％一35％，塑性指数为18—33。膨胀土的饱和度一般较大，常在80％以上，但天然含水率较小．大部分为17％一30％，一般在20％左右．所以土常处于硬塑或坚硬状态，强度较高，内聚力较大，内摩擦角普遍较高，压缩性一般中等偏低，故常被简单认为是很好的地基。但在水量增加或结构扰动时、其力学性质向不良方向转化较明显。•4．膨胀土的判别和胀缩性分级•根据《膨胀土地区建筑技术规定》GBJlll—87的规定，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。•具有下列工程地质特征的地区，且自由膨胀率大于或等于40％的土，应判定为膨胀土：①裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色钻土，在自然条件下呈坚硬或硬塑状态；②多出露于二级或一级以上阶地及山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎；③常见浅层塑性滑坡、地裂，新开控坑(槽)壁易发生坍塌等；④建筑物裂缝随气候变化而张开相闭合。膨胀土的膨胀潜势可按表G—8分为三类。•在我国，膨胀土基本上可分为三种类型：第一类是湖相沉积及其风化层，粘土矿物成分以蒙脱石为主．自由膨胀率、掖限、塑性指数都较大，土的膨胀和收缩性最显著；第二类是冲积、冲洪积、坡积物等，分布在河流阶地上，粘土矿物成分以水云母为主，自由膨胀率和液限较大，土的膨胀与收缩性也显著；第三类是碳酸盐类岩石的残积、坡积及洪积的红粘土，液限高，但自由膨胀率经常小于40％，常被判定为非膨胀性土；然而，其收缩性很显著，建筑物也受损害。故不能只按自由膨胀率判定，应根据当地经验综合判别。膨胀土工程地质分类如表6—9所示。•影响土的膨胀性和收缩性的主要因素有：土的粒度和矿物成分、土的天然含水率、结构状态及水溶液的介质等。•粘粒含量愈多，亲水性强的蒙脱石和水云母含量愈多，土的膨胀性和收缩性愈大。天然含水率愈小，可能吸水量愈大，故膨胀率可能愈大，但失水收缩则愈小。同一成分的土，吸水膨胀率将随天然孔隙比增大而减小，而收缩率则随着其增大而增大。因此，排列形式和胶结物类型都决定着土的胀缩特性。但是，土体发生膨胀或收缩变形是由于含水量的变化所致。这受自然条件或人为条件影响而发生变化，故土体产生膨胀或收缩变形的性质还与地形地势、土层分布、厚度、特性、气候条件、植物吸水及人为渗漏水等外部条件有关。•三、红土•1．红上的成因类型和分布•红土是一种具有特殊工程地质性质的区域性特殊土，形成条件特殊，种类繁多，性质差别较大。•红土是在湿热气候条件下经历了—定红土化作用而形成的一种含较多粘粒，富含铁、铝氧化物胶结的红色粘性土。红土化作用是化学风化最终阶段的一种作用。任何岩土，经过红土化作用(其中的盐基成分大量淋失，铁、铝显著累积)都可以形成硅铝比较小，粘土矿物以高岭石为主，活动性较低的红土。由于物质来源的差异及经历了不同程度的红土化作用，形成的红土类型不同：一类是各种岩石的残积(或局部坡积)风化壳上部的原生残积红土(经过再搬运而改造形成的，称次生红土)；一类是非残坡积成因，在氧化环境中经过搬运、沉积、红土化作用而形成的红土。分布最广的红土有如下几类：(1)花岗岩残积红土：华南各地广泛分布着燕山期花岗岩类，发育着巨厚的红色风化壳，表层全风化带为残积土。根据其成分和结构特征，可分为均质红土、网纹红土和杂色粘性土，前两者统称残积红土。(2)玄武岩残积红土：雷州半岛和海南岛北部，第四纪期间多期大面积喷发的玄武岩，经风化后，形成厚薄不等的风化壳，其表层的红