土的工程地质特征

土的工程地质特征

土是第四纪以来地壳表层的最新沉积物，未经胶结成岩，常称为松散土

一、土的分类

土的颗粒分组：《铁路工程岩石分类标准》

按颗粒级配，土分为碎石类土、砂类土、粉土、粘性土

按土的成因，土分为残积土、坡积土、冲积土、淤积土、风积土、崩积土等

特殊土是具有特殊的成分、状态、结构特征，而且具有特殊工程性质的土。

特殊土分为黄土、膨胀土、软土、冻土、红粘土、盐渍土、填土。

二、特殊土的工程性质

（一）黄土：是在干旱、半干旱气候条件下形成的第四纪的一种松散的特殊土。

黄土的特征：

I. 颜色为淡黄、褐色或灰黄色；

II. 粒度成分以粉土为主，约占有60%~70%，一般不含＞0.25mm的颗粒；

III. 含各种可溶盐，富含碳酸盐（CaCO3），可形成钙质结核（姜结石）；

IV. 孔隙多且大，结构疏松；

V. 无层理，但有垂直节理和柱状节理。天然条件下能保持近于垂直的边坡；

VI. 具有湿陷性。

具有(Ⅰ～Ⅴ)项特征的为标准黄土，只有其中部分特征的黄土叫黄土状土或黄土质土。

具有湿陷性的黄土为湿陷性黄土。

黄土的分布：黄土在世界上的分布面积达1300万km2，我国的黄土面积是世界上最大的，达64万km2，比法国和瑞士的面积总和还要大。黄土最厚处约410m左右，在兰州市七里河区西津村。在我国，西北、中原、华北、华东、东北等地均有分布，但主要集中在黄河的中游——陕、甘、宁、青及山西、河南一带，其厚度各不相同。陕甘地区多厚100～200m，薄处仅几公分。

黄土的分类：

1.按生成年代分类

老黄土 下更新世 Q1 （午城黄土）

中更新世 Q2 （离石黄土）

新黄土 上更新世 Q3 （马兰黄土）

全 新 世 Q41 、

新近堆积的黄土：全新世 Q42

2.按生成过程分类：风积、坡积、残积、洪积、冲积等

3.按塑性指数IP分类

黄土质粘土 IP＞17 黄土质砂粘土 7＜IP≤17 黄土质粘砂土 1＜IP≤7 黄土质砂土 IP≤1

4.按湿陷性分类

（1）湿陷性 ： 自重湿陷性 非自重湿陷性

（2）非 湿 陷 性

划分自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，对工程建设有明显的现实意义。

在自重湿陷性黄土地区

修筑的渠道 与渠道平行的裂缝； 管道漏水后 管道断裂；

路基受水后 局部严重坍塌； 地 基 土 很大的裂缝或倾斜

黄土的工程性质：黄土的粒度成分、比重和密度、含水量、透水性、压缩性、抗剪强度、湿陷性 黄土的粒度成分：粉粒约占60~70%，其次是砂粒和粘粒。

黄土的比重和密度：黄土结构疏松，密度较低，一般：Gs≈ 2.54～2.84；ρ≈ 1.5～1.8g/cm3； pd≈ 1.3～1.6g/cm3，与e有关

一般认为： rd ＞1.5g/cm3时，一般为非湿陷性黄土

黄土的含水量:黄土的天然含水量一般为1~38.6%，有的干燥地区则为1~12%。

天然含水量低的黄土 湿陷性较强 一般认为：天然含水量>25%时，无湿陷性。

黄土的透水性; 黄土的透水性比一般粘性土大。

黄土的压缩性: 黄土的压缩性中等。

黄土的抗剪强度: 黄土的抗剪强度中等。一般c=30～40kPa， j =15?～25?，我国北部黄土的j可达 27?～28?。

黄土的湿陷性: 天然黄土在一定压力的作用下，受水浸湿后土体结构受到破坏而发生的下沉现象，称为黄土湿陷。

(1)黄土湿陷性的判定方法: 黄土的相对湿陷系数 dsh=（h2－h2’）/h2

dsh ＜ 0.02， 非湿陷性黄土 0.02 ≤ dsh ≤ 0.03，轻微湿陷性黄土

0.03 ＜ dsh ≤ 0.07，中等湿陷性黄土 dsh ＞ 0.07， 强烈湿陷性黄土

(2)自重湿陷性黄土的判定方法:

室内试验法：室内普通固结仪中进行。

现 场 法：挖平底方形坑或圆坑，边长或直径大于等于黄土层的厚度且不应小于10m。深度一般为50cm，坑底铺厚5～10cm的砂或砾，坑内灌水，保持水深30cm。浸水至黄土全部饱和，湿陷达到稳定时为止。其稳定标准为最后5天的平均湿陷量小于1mm。测出自重湿陷量 zs 。

当 zs?≤7cm时 非自重湿陷性黄土场地；

当 zs?＞7cm时 自重湿陷性黄土场地。

根据野外无载荷试坑浸水试验，得出兰州地区黄土明显或强烈的自重湿陷性；西安、太原黄绝大多数为非自重湿陷性。

黄土的湿陷起始压力

(3)黄土的湿陷起始压力: 湿陷起始压力——对非自重湿陷性黄土，其湿陷性需在一定的荷载压力作用下才会表现出来，这一使得黄土开始表现出湿陷性所需的压力即为黄土的湿陷起始压力。

密度越大、粘粒含量越高 、土层的埋深越大 湿陷起始压力愈大

湿陷起始压力的确定： 室内压缩试验 、 野外载荷试验（单双线法） 现场常用野外简化方法。

（4）防治黄土湿陷的措施:

①采用物理、化学等方法，提高黄土强度，降低孔隙度，加强其内部联结； Ⅰ 强夯法; Ⅱ 挤密法 ②防排水。包括排除地表水和地下水。

③换填法。在湿陷性黄土层不厚(1～3m)，下面又是硬土层或基岩。换填的土是砂夹卵石，回填厚度每层15cm，填后浇水再夯实。

④预浸水法 ⑤深层浸水法

黄土陷穴 （天然洞穴、人工洞穴）这些洞穴使上覆土层陷落

黄土陷穴的防治措施有①开挖回填、夯实、灌浆 ②做好地表排水工程。防止水流渗漏是保证建筑物稳定的措施之一。（二）膨胀土

是一种粘性土，含有较多的亲水性粘土矿物，吸水膨胀，遇水崩解或软化，失水收缩，抗冲刷性能差，这种具有较明显的胀缩性的土称为膨胀土。

膨胀土的特征

（1）颜色有灰白、棕、红、黄、褐、及黑色；

（2）粒度成分中以粘土颗粒为主，一般在50%以上，最低也要大于30%，粉粒次之，砂粒最少；

（3）矿物成分中粘土矿物占优势，多为伊利石、蒙脱石，高岭石含量很少；

（4）胀缩强烈，膨胀时产生膨胀压力，收缩时形成收缩裂隙。长期反复胀缩使土体强度产生衰减；

（5）各种成因的大小裂隙发育；

（6）早期生成的膨胀土具有超固结性。

膨胀土的分布

膨胀土分布很广，全世界都有分布，在我国的分布也很广。

外界条件的改变 土中水份的变化 地基产生体积变形 基础破坏，建筑物、地坪开裂

膨胀土的季节性湿度变化常引起道路隆起、路轨移动，泵站、电站地基基础破坏等。

膨胀土的成因类型及生成年代

主要为残积、坡积、洪积、湖积及混合沉积类型。 生成年代：多在上新世N2～更新世晚期的Q3之间。

膨胀土的工程性质

强亲水性、多裂隙性、强胀缩性、强度衰减性、快速崩解性、弱抗风化性等

膨胀土的工程地质问题及防治措施

1、膨胀土地区的路基 （主要的病害：边坡变形和基床变形）

抗剪强度的衰减及承载力的降低

边坡溜坍、滑坡等 路基长期均匀下沉、

失稳现象 翻浆冒泥等病害

严重影响行车安全

防治措施：

①为防止边坡变形，首先要根据路基工程地质条件，合理确定路堑边坡形式。一般情况下，膨胀土边坡要求一坡到顶，坡脚设置侧沟平台；

②采取一定的排水措施，防止地表水渗入坡体； ③支挡措施：设抗滑挡墙、抗滑桩、片石垛、填土反压等；

④坡面防护措施：常用的有植物防护和骨架防护。

2、膨胀土地区的地基（地基的问题：承载力的问题和建筑物变形的问题）

特殊性：本身地基承载力较低还要考虑强度衰减，不仅有土的压缩变形还有湿胀干缩变形。 防治措施：

① 防水保湿措施 ( 含水量的变化 膨胀土胀缩变形)

建筑物周围的排水条件：加宽散水坡；设隔水层；加强防漏措施；地下热力管道等应采取隔热层等。 ② 建筑物布置和基础设计措施

选择地形平坦地段，避免引起湿度变化； 增加基础附加荷载克服土的膨胀；

加大基础的埋深；加强结构刚度及增设沉降缝等。

③ 地基处理措施

设置土垫层；采用支墩板基础或桩基等；石灰加固法.

膨胀土的特性和建筑物的损坏特征 找出规律性和有效的处理措施

（三）软土

在静水或缓慢流水环境中沉积的，天然含水量大，压缩性高，承载力低，抗剪强度低的软塑－流塑状态的粘性土，如淤泥等。

软土的特征

⑴ 颜色多为灰绿、灰黑色、有油腻感，能染指，有时有腐臭味；

⑵ 粒度成分以粘粒为主，约占60～70%，其次为粉粒；

⑶ 矿物成分多为伊利石，高岭石次之，含有机质，有时可高达8～9%；

⑷ 具海绵状结构，孔隙比大、含水量高、透水性小、压缩性高、强度很低；

⑸ 具层理构造，垂直方向沉积有明显的分选性。

软土的分布

软土在我国分布很广，主要是在沿海地带及平原低地、沼泽地区，在高原山区的古代或内湖沼泽地区也常遇到软土。

软土的分类

沿海沉积型（滨海相;泻湖相;溺谷相;三角洲相）、内陆湖盆沉积型 、河滩沉积型、沼泽沉积型 软土的工程性质

1. 软土的天然含水量较高，持水性强，透水性差（竖向渗透系数小于水平向渗透系数）；

2. 地基承载力很低，抗剪强度也很低，长期强度更低，这与排水固结程度有密切的关系；

3. 软土孔隙比高，一般在1.0～1.8之间，有的可高达5.8（滇池淤泥）；

4. 压缩性高，沉降量大；5. 具有触变性；6. 流变性。

软土的工程地质问题和防治措施

软土地基的变形破坏主要是承载力低，地基变形大或发生挤出，造成建筑物的破坏。且易产生不均匀沉降。

在软土地基设计中，经常采取以下措施：

1. 轻基浅埋； 2. 减小建筑物作用于地基的压力； 3. 侧向约束地基土，在四周打板桩基础；

4. 设置反压护道； 5. 若软土层＜2m，可采用换土法；

6. 另外，还有其它的一些方法，如：砂井、排水砂垫层、爆破排淤、石灰砂桩、柴排、电渗排水等。 在软土地区修建铁路，主要存在地基的沉降和地基的稳定性问题。

（四）冻土

温度≤0℃，并含有冰的土层。

冻土的分类

季节性冻土 受季节影响，冬冻夏融，呈周期性冻结和融化的土

多年冻土 持续三年以上处于冻结而不融化的土

冻土的分布

多年冻土占20％、季节冻土占55％

季节性冻土的主要工程地质问题

冻结时膨胀，融化时下沉。会造成土体开裂、路面下凹、翻浆冒泥等。

一般来说，土中粉粒或粘粒含量越高，含水量越大，冻胀性越强。

冰丘——在地下水埋藏较浅时，季节冻结区不断得到水的补充，地面明显冻胀隆起，形成的冰胀山丘，称冰丘。

季节性冻土的分类

根据土的颗粒组成分为：不冻胀土、稍冻胀土、中等冻胀土、极冻胀土

根据含水量的大小分为：不冻胀土、弱冻胀土、冻胀土、强冻胀土

在冻土较厚的地区，修建各类建筑物时，采用桩基础，打穿冻土基础，但要求桩自身抗冻性能高，故应做桩自身的冻融力学试验。

多年冻土的工程性质

1. 多年冻土的特征

冻土由土颗粒、冰、水和气体四相组成。

根据土中冰的分布位置、形状特征，冻土结构可分为：整体结构 融陷性不大

网状结构 融陷很大

层状结构

多年冻土与其上的季节性冻土层间的接触关系称为多年冻土的构造。（衔接型构造、非衔接型构造）

2.多年冻土的工程性质

① 物理及水理性质

a. 未冻结水含量 WC=K·WP b. 总含水量 Wn= Wb＋Wc c. 相对含冰量 Wi= Wb/Wn

② 力学性质

一般温度越低，含水量越大，强度越大。

长期荷载作用下的冻土极限抗压强度比瞬时荷载下的抗压强度要小许多倍；冻土融化后的抗压强度与抗剪强度均显著降低。

③ 冻土的变形性质：a．冻胀性

影响冻胀性的因素：温度、土的颗粒大小、含水量等。

一般来讲，土颗粒越粗，含水量越小，冻胀性就越小；反之越大。

土的冻胀性的大小用冻胀率n来表示，即：

☆ 按n值的大小，我们可将冻土分为四类：

强冻胀土 n＞6% 冻胀土 6%≥n＞3.5% 弱冻胀土 3.5%≥n＞2% 不冻胀土 n≤2%

b．融沉性

冻土在融化后强度大为降低，压缩性急剧增大，使地基产生融化沉陷的现象简称融沉或融陷

多年冻土按融沉情况分为：Ⅰ级：不融沉；Ⅱ级：弱融沉；Ⅲ级：融沉；Ⅳ级：强融沉；Ⅴ级：融陷。

3.多年冻土的工程地质问题

① 道路边坡及基底稳定问题

开挖路堑，会使上限下降，若土为融沉性的，可使基底下沉，边坡滑塌；

修筑路堤，会使上限上升，路堤内形成冻土结核，发生冻胀，融化后路堤外部沿上限局部滑塌。 ② 桥梁、房屋等建筑物地基问题

地基评价的根据：年平均地温的稳定性、冻土三大组成特征、冻土的冻胀性和融沉性、冻土区不良地质现象等

冻土有瞬时高强度和低变形 必须确定其流变特征以及冻土的热融下沉

③ 冰丘和冰锥

4．冻土病害的防治措施

⑴排水。 拦截和排除地表或地下水；降低地下水位，防止地下水向地基土中聚集。 ⑵保温，使多年冻土上界保持相对稳定。

⑶改善土的性质。

①粗颗粒土置换地基中的细颗粒冻胀土。

②物理化学方法