特殊土的主要工程性质.ppt

特殊土的主要工程性质,中山大学地球科学系,工程地质学,软土湿陷性黄土红粘土膨胀土填土,特殊土,中山大学地球科学系,工程地质学,引子我国幅员广大，地质条件复杂，分布土类繁多，工程性质各异。有些土类，由于地理环境、气候条件、地质成因、物质成分及次生变化等原因而各具有与一般土类显著不同的特殊工程性质，当其作为建筑场地、地基及建筑环境时，如果不注意这些特点，并采取相应的治理措施，就会造成工程事故。,特殊土人们把这些具有特殊工程性质的土称为特殊土。特殊土分布的区域性各种天然或人为形成的特殊土的分布，都有其一定的规律，表现一定的区域性。,特殊土的分布,中山大学地球科学系,工程地质学,在我国，具有一定分布区域和特殊工程意义的特殊土包括沿海及内陆地区各种成因的软土主要分布于西北、华北等干旱、半干旱气候区的黄土；西南亚热带湿热气候区的红粘土；主要分布于南方和中南地区的膨胀土；高纬度、高海拔地区的多年冻土及盐渍土、人工填土和污染土等。,中山大学地球科学系,工程地质学,本章内容主要阐述我国软土、黄土、红粘土、膨胀土及人工填土的分布、特征及其工程地质问题。,软土,软土的工程特性与地基评价,中山大学地球科学系,工程地质学,软土泛指淤泥及淤泥质土，是第四纪后期于沿海地区的滨海相、泻湖相、三角洲相和溺谷相；内陆平原或山区的湖相和冲积洪积沼泽相等静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱和软粘性土。,软土的特征富含有机质，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1。,中山大学地球科学系,工程地质学,分类1当e1.5时，称淤泥；当1.5＞e＞1.0时，称淤泥质土。它是淤泥与一般粘性土的过渡类型；,分类2当土中有机质含量[5，10]，称有机质土；当有机质含量（10，60]时称泥炭质土；当有机质含量（60，）时，称泥炭。泥炭是未充分分解的植物遗体堆积而成的一种高有机土，呈深褐-黑色。其含水量极高，压缩性很大且不均匀，往往以夹层或透镜体构造存在于一般粘性土或淤泥质土层中，对工程极为不利。,软土的组成和结构特征,中山大学地球科学系,工程地质学,软土的组成成分和结构特征是由其生成环境决定的。,组成成分由于它形成于水流不通畅、饱和缺氧的静水盆地，这类土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成。淤泥的粘粒含量较高，一般达30％-60％。粘粒的粘土矿物成分以水云母和蒙脱石为主，含大量的有机质。有机质含量一般达5％-15％，最大达17％-25％。,结构特征粘土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜。且在沉积过程中由于粒间静电引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。,结论软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连结而具有显著的结构性。,中山大学地球科学系,工程地质学,由于软土的生成环境及粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，呈饱和状态，这都使软土在其自重作用下难于压密，而且来不及压密。因此，不仅使之必然具有高孔隙性和高含水量，而且使淤泥（1）一般呈欠压密状态，以致其孔隙比和天然含水量随埋藏深度很小变化，因而土质特别松软。淤泥质土（2）一般则呈稍欠压密或正常压密状态，其强度随深度有所增大。淤泥和淤泥质土一般呈软塑状态，但当其结构一经扰动破坏，就会使其强度剧烈降低甚至呈流动状态。,软土的物理力学特性,中山大学地球科学系,工程地质学,1．高含水量和高孔隙性2．渗透性弱3．压缩性高,中山大学地球科学系,工程地质学,1．高含水量和高孔隙性软土的天然含水量总是大于液限。据统计软土的天然含水量一般为50％-70％，最大甚至超过200％。天然含水量随液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1-2之间，最大达3-4。其饱和度一般大于95％，因而天然含水量与其天然孔隙比呈直线变化关系。软土的如此高含水量和高孔隙性特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素。,中山大学地球科学系,工程地质学,2．渗透性弱软土的渗透系数一般在i10-4一i10-8之间，而大部分滨海相和三角洲相软土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。由于该类土渗透系数小、含水量大且呈饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。,软土的物理力学特性,中山大学地球科学系,工程地质学,3．压缩性高软土均属高压缩性土，而且压缩系数随着土的液限和天然含水量的增大而增高。,软土在建筑荷载作用下的变形特征,中山大学地球科学系,工程地质学,1.变形大而不均匀2.变形稳定历时长3.抗剪强度低4.较显著的触变性和蠕变性,中山大学地球科学系,工程地质学,变形大而不均匀实际资料表明，对于砖墙承重的混合结构，如以层数来表示地基受荷的大小，则4-6层的民用房屋其平均沉降量一般可达25-50cm；七层的则多达60-70cm；对于大型构筑物，如水池、料仓、油罐等，其沉降量一般都大于50cm，甚至超过100cm。显然在相同条件下，软土地基的变形量比一般粘性土地基要大几倍至十几倍。因此上部荷重的差异和复杂的体型都会引起严重的差异沉降和倾斜。图4-37,中山大学地球科学系,工程地质学,2.变形稳定历时长因软土的渗透性很弱，水分不易排出，故使建筑物沉降稳定历时较长。例如沿海闽、浙一带这种软粘土地基上的大部分建筑物在建成约5年之久的时间后，往往仍保持着每年1cm左右的沉降速率，其中有些建筑物则每年下沉3-4cm。,中山大学地球科学系,工程地质学,3.抗剪强度低软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关。不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关，即其内摩擦角为零，其内聚力一般都小于20kPa；直剪快剪内摩擦角一般为2-5度，内聚力为10-15kPa；排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大，固结快剪的内摩擦角可达8-12度，内聚力为20kPa左右。这是因为在土体受荷时，其中孔隙水在充分排出的条件下，使土体得到正常的压密，从而逐步提高其强度。因此，要提高软土地基的强度，必须控制施工和使用时的加荷速度，特别是在开始阶段加荷不能过大，以便每增加一级荷重与土体在新的受荷条件下强度的提高相适应。如果相反，则土中水分将来不及排出，土体强度不但来不及得到提高，反而会由于土中孔隙水压力的急剧增大，有效应力降低，而产生土体的挤出破坏。,中山大学地球科学系,工程地质学,4.较显著的触变性和蠕变性由于软土的结构性在其强度的形成中占据相当重要的地位，则触变性也是它的一个突出的性质。关于软土触变性的特点、实质、评价标准及其工程意义，见4.1.3。我国东南沿海地区的三角洲相及滨海一泻湖相软土的灵敏度一般在410之间，个别达13-15。软土的蠕变性是比较明显的。在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢的剪切变形，并导致抗剪强度的衰减。在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降。上海等地许多工程的现场实洲结果表明当土中孔隙水压力完全消散后，建筑物还继续沉降。,湿陷性黄土,一般特征,中山大学地球科学系,工程地质学,定义黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色；颗粒组成以粉土粒其中尤以粗粉土粒，粒径为0.05-0.01mm为主，约占60％-70％，粒度大小较均匀，粘粒含量较少，一般仅占10％-20％；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；含水量小，一般仅8-20％；孔隙比大，一般在1．0左右，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。,分类,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土按其成因可分为原生黄土和次生黄土。一般认为，具有上述典型持征，没有层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过水流冲刷、搬运和重新沉积而形成的为次生黄土。次生黄土有坡积、洪积、冲积、坡积-洪积、冲积-洪积及冰水沉积等多种类型。它一般不完全具备上述黄土特征，具有层理，并含有较多的砂粒以至细砾，故也称为黄土状土。,特征,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土和黄土状土以下统称黄土在天然含水量时,呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈而大量的沉陷称为湿陷性，强度也随之迅速降低。而有些地区的黄土却并不发生湿陷。,中山大学地球科学系,工程地质学,可见，同是黄土，但遇水浸湿后的反应却有很大差别。凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。否则，称为非湿陷性黄土。而非湿陷性黄土的工程性质接近一般粘性土。因此，分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度、地基湿陷类型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题。,分布,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土在我国分布很广，面积约63万km2。其中湿陷性黄土约占3／4，遍及甘、陕、晋的大部分地区以及豫、宁、冀等部分地区。此外，新疆和鲁、辽等地也有局部分布。,由于各地的地理、地质和气候条件的差别，湿陷性黄土的组成成分、分布地带、沉积厚度、湿陷特征和物理力学性质也因地而异，其湿陷性由西北向东南逐渐减弱，厚度变薄。详见湿陷性黄土地区建筑规范GBJ25-90附录二中国湿陷性黄土工程地质分区图及其附表。,中山大学地球科学系,工程地质学,同时，由于黄土形成的地质年代和所处的自然地理环境不同，其组成与结构特征及工程特征又有明显的差异。我国黄土按形成年代的早晚，有老黄土和新黄土之分。黄土形成年代愈久，由于盐分溶滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质愈趋密实，强度高而压缩性小，湿陷性减弱甚至不具湿陷性。反之，形成年代愈短，其特性适相反。,黄土湿陷性的形成及影响因素,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土湿陷性的形成原因黄土湿陷性的影响因素黄土湿陷性及湿陷类型判别黄土湿陷起始压力的意义及用途关于黄土地基湿陷等级的划分,黄土湿陷性的形成原因,中山大学地球科学系,工程地质学,内在因素黄土的结构特征及其物质组成。外部条件水的浸润和压力作用。黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的，干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件。,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土在干燥时具有较高的强度，而遇水后表现出明显的湿陷性，这是由黄土本身特殊的成分和结构所决定的。,成分特征,中山大学地球科学系,工程地质学,矿物成分黄土的矿物成分主要是石英含量常超过一半，长石含量常达四分之一以上，碳酸盐含量常为百分之十至十五，主要是碳酸钙，粘土矿物含量一般只百分之十几。此外，还有少量的百分之几云母和重矿物，至于易溶盐、中溶盐和有机物的含量都少，一般都不超过百分之二。,粒度成分黄土基本上是由＜0.25毫米的颗粒组成的，尤以0.1－0.01毫米的颗粒占主要地位。粉粒0.05－0.005毫米含量常超过一半以上，甚至达60－70％，且其中主要是0.05－0.01毫米的粗粉粒；砂粒0.05毫米含量较少，一般很少超过20％，甚至只有百分之几，且其中主要的是0.1－0.05毫米的微砂；粘粒＜0.005毫米含量变化较大，可以从5％到35％，最常见为15－25％。,结构特征,中山大学地球科学系,工程地质学,从结构排列和连结情况看，黄土是由石英和长石还有少量的云母，重矿物和碳酸钙的微砂和粗粉粒构成基本骨架，其中砂粒基本上常互相不接触，浮在以粗粉粒所组成的架空结构中。以石英和碳酸钙等的细粉粒作为填充料，聚集在较粗颗粒之间。以高岭石和水云母为主还有少量的腐植质和其他胶体的粘粒和所吸附的结合水以及部分水溶盐作为胶结材料，依附在上述各种颗粒的周围，将较粗颗粒胶结起来，形成大孔和多孔的结构形式。,中山大学地球科学系,工程地质学,由于胶结材料的成分、数量和胶结形式不同，黄土在水和压力作用下的表现就不一样。,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土的这种特殊结构形式是在干燥气候条件下形成和长期变化的产物。黄土在形成时是极松散的，靠颗粒的摩擦或在少量水分的作用下略有连结。水分逐渐蒸发后，体积有些收缩，胶体、盐分、结合水集中在较细颗粒周围，形成一定的胶结连结。经过多次的反复湿润干燥过程，盐分累积增多，部分胶体陈化，因此逐渐加强胶结连结而形成上述较松散的结构形式。,中山大学地球科学系,工程地质学,综上所述，黄土的成分和结构上的基本特点是以石英和长石组成的粉粒为主，矿物亲水性较弱，粒度细而均一，连结虽较强但不抗水；未经很好压实，结构疏松多孔，大孔性明显。所以，黄土具有明显的遇水连结减弱，结构趋于紧密的倾向。,黄土结构示意图,天然状态下的工程地质性质,中山大学地球科学系,工程地质学,1、塑性较弱，液限一般为26－34％，塑限常在16－20％之间，塑性指数多在8－14之间。,2、含水较少，天然含水量一般在10－25％之间。高原Q3马兰黄土含水量还低，11－20％，甚至有低于10％的。河谷阶地Q4黄土含水略高，常为15－25％。,3、压实程度很差，孔隙较大，孔隙率高，常为45－55％孔隙比0.8－1.1，干容重常仅1.3－1.5克／厘米3。,4、透水性较强，由于大孔和垂直节理发育，故透水性比粒度成分相类似的一般粘性土要强得多，常具中等透水性渗透系数超过l米／天。但具有明显的各向异性，垂直方向比水平方向要强得多，渗透系数可大数倍甚至数十倍。,5、强度较高。尽管孔隙率很高，但压缩性仍属中等，抗剪强度较高。但新近堆积黄土Q4土质松软，强度低，压缩性高。,与一般粘性土一样，黄土的强度取决于土的类型、孔隙和含水情况。在含水量较少时，随着粘粒含量（也即塑性指数）的增大或均匀分布的碳酸钙含量的增多，土的强度增大。对同一成分的黄土，随着含水量的增大，或孔隙的增多，土的强度减低。,中山大学地球科学系,工程地质学,天然状态下黄土的主要特点是密实度低和含水少，透水性强和强度高。但是黄土遇水性质发生急剧变化，土的强度急剧降低，土体产生强烈沉陷变形。,中山大学地球科学系,工程地质学,根据近年来国内外学者对黄土湿陷本质的研究，认为黄土的湿陷是因水分的增加削弱了粒间联结，导致黄土中的孔隙急剧而大量的破坏。,中山大学地球科学系,工程地质学,湿陷性黄土具有以下特征第一，黄土中具有大量孔隙，尤其是大孔隙，这是是否具有湿陷性和湿陷性强弱的基础；第二，颗粒间的联结因水分增加而易于削弱和破坏；第三，粘粉含量低，尤其是具活动晶格的粘土矿物含量低。,中山大学地球科学系,工程地质学,水浸入孔隙度高、含碳酸盐的粉质黄土，将软化和部分溶解颗粒接触部位的胶结物，削弱结构联结，从而使土颗粒在压力作用下易于发生位移以达到新的平衡状态，这在宏观上就表现为土在压力作用下因浸水而发生的体积变化。,中山大学地球科学系,工程地质学,湿陷是在一定压力作用下，由于水的渗入而使土的连结显著减弱的一种特殊变形。一般压缩变形是随荷重的增加，使变形量增大，而水对连接阻力的减小是不显著的，压缩变形是逐渐进行的，而且过程较长。湿陷变形是在荷重没有变化的情况下，由于水的渗入而使连结阻力显著减弱，致使湿陷前后连接变化很大，所以湿陷变形往往在较短时间内形成，且变形量很大。,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土具有明显的遇水连结减弱，结构趋于紧密的有利于湿陷的特殊成分和结构，这是黄土产生湿陷的最根本原因。,天然状态下的黄土含水率较小，胶结连接和强结合水连接占主导地位。一般来说，连接阻力是较强的，但这种连结的抗水性很弱，且胶结连接仅局限于部分接触点上。所以，遇水后在一定压力下就会使连结显著减弱而产生湿陷变形。,同时，由于未经很好压实而密实度较低，大孔性和多孔性明显，给产生湿陷性提供了良好的条件，因为有较多空间可以让土粒移动，且有利于水的渗入。,中山大学地球科学系,工程地质学,因此，黄土中亲水性较弱的矿物愈多，中、易溶盐含量愈多，粉粒含量愈多，或粘粒含量愈少，土的湿陷性可能表现得愈明显。,很多资料表明，在含水少的情况下，塑性指数大于12的黄土或大致相当于粘粒含量＞12％，湿陷性通常很微弱或没有；塑性指数小于12，尤其是小于10时，黄土经常具有湿陷性，具其值愈小，湿陷性愈强烈。同时，黄土的天然含水率愈小，密实性愈低，则浸湿后含水量增加越多，连接减弱愈明显，土的湿陷性愈强烈。,中山大学地球科学系,工程地质学,一般说，低塑性、低含水率、低密实度的黄土常具有湿陷性。,压力的大小，水的数量和质量，水流方向和速度等都影响着黄土的湿陷性，它影响变形的大小和快慢。渗入黄土中的水，使胶结土粒的凝胶变为溶胶，部分中、易溶盐被溶解带走，使结合水膜加厚。因此胶结连结部分被破坏，水连结减弱，结构被严重破坏，甚至渗透水流速度较大时，会带走某些细颗粒。同时，水的渗入，可以增大土的自重，使压力增加，因而影响黄土的湿陷量。,中山大学地球科学系,工程地质学,在不同的压力作用下，土的湿陷系数是不一样的，当压力较小时，湿陷量较小，随着压力的增大，湿陷量逐渐增加，当压力超过某值时，湿陷量急剧增大，结构迅速地、明显地破坏。这个开始出现明显湿陷的压力，称为湿陷起始压力。,不同地区黄土的湿陷起始压力是不一样的。一般是粘粒含量愈多，天然含水率越大，密实度愈高孔隙比愈小，黄土的湿陷起始压力就越大；黄土埋藏较深时，土的含水率较大，压密度较高，故湿陷起始压力较大。,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土的湿陷性一般是自地表向下逐渐减弱，埋深七、八米以上的黄土湿陷性较强。不同地区、不同时代的黄土是不同的，这与土的成因、成岩作用、所处环境等条件有关。,黄土湿陷性的影响因素,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土湿陷性强弱与其微结构特征、颗粒组成、化学成分等因素有关，在同一地区，土的湿陷性又与其天然孔隙比和天然含水量有关，并取决于浸水程度和压力大小。,中山大学地球科学系,工程地质学,1．根据对黄土的微结构的研究，黄土中骨架颗粒的大小、含量和胶结物的聚集形式，对于黄土湿陷性的强弱有着重要的影响。,骨架颗粒愈多，彼此接触，则粒间孔隙大，胶结物含量较少，成薄膜状包围颗粒，粒间连结脆弱，因而湿陷性愈强；相反，骨架颗粒较细，胶结物丰富，颗粒被完全胶结，则粒间连结牢固，结构致密，湿陷性弱或无湿陷性。,中山大学地球科学系,工程地质学,2．黄土中粘土粒的含量愈多，并均匀分布在骨架颗粒之间，则具有较大的胶结作用，土的湿陷性愈弱。,中山大学地球科学系,工程地质学,3．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，而石膏及易溶盐含量愈大，土的湿陷性愈强。,中山大学地球科学系,工程地质学,4．影响黄土湿陷性的主要物理性质指标为天然孔隙比和天然含水量。,当其它条件相同时，黄土的天然孔隙比愈大，则湿陷性愈强。实际资料表明；西安地区的黄土，如e＜0.9，则一般不具湿陷性或湿陷性很小；兰州地区的黄土，如e＜0.86，则湿陷性一般不明显。黄土的湿陷性随其天然含水量的增加而减弱。,中山大学地球科学系,工程地质学,5．在一定的天然孔隙比和天然含水量情况下，黄土的湿陷变形量将随浸湿程度和压力的增加而增大，但当压力增加到某一个定值以后，湿陷量却又随着压力的增加而减少。,中山大学地球科学系,工程地质学,6．黄土的湿陷性从根本上与其堆积年代和成因有密切关系。充分反映了我国黄土的地层年代划分及其湿陷性特征。,中山大学地球科学系,工程地质学,按成因而言，风成的原生黄土及暂时性流水作用形成的洪积、坡积黄土均具有的孔隙性，且可溶盐未及充分溶滤，故均具有较大的湿陷性。而冲积黄土一般湿陷性较小或无湿陷性。,中山大学地球科学系,工程地质学,对于同一堆积年代和成因的黄土的湿陷性强烈程度还与其所处环境条件有关。如在地貌上的分水岭地区，地下水位深度愈大的地区的黄土，湿陷性愈大；埋藏深度愈小而土层厚度愈大的，湿陷影响愈强烈。,黄土湿陷性及湿陷类型判别,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土湿陷性的判别黄土及其建筑场地的湿陷类型与判别,黄土湿陷性的判别,中山大学地球科学系,工程地质学,判别黄土是否具有湿陷性，可根据室内压缩试验，在一定压力下测定的湿陷系数来判定。湿陷系数是指天然土样单位厚度的湿陷量，应按下式计算－保持天然湿度和结构的土样，加压至一定压力时，下沉稳定后的厚度。－上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的厚度cm；－土样的原始厚度cm。当时，定为非湿陷性黄土；时，定为湿陷性黄土。,中山大学地球科学系,工程地质学,黄土规范GBJ25-90采用0.015作为划分湿陷性与非湿陷性黄土的界限值，是根据大量室内试验、野外测试和建筑物实际调查综合考虑确定的。根据湿陷系数大小，可以大致判断湿陷性黄土湿陷性的强弱，一般认为,为弱湿陷性的；，为中等湿陷性的；，为强湿陷性的。,黄土及其建筑场地的湿陷类型与判别,中山大学地球科学系,工程地质学,湿陷性黄土可分为自重湿陷性湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重压力下发生湿陷。非自重湿陷性黄土在其自重压力与附加压力共同作用下才发生湿陷。两种类型。,中山大学地球科学系,工程地质学,将湿陷性黄土划分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土对工程建筑的影响具有明显的现实意义。,例如在自重湿陷性黄土地区修筑渠道初次放水时就产生地面下沉。两岸出现与渠道平行的裂缝；管道漏水后由于自重湿陷可导致管道折断；路基受水后由于自重湿陷而发生局部严重坍塌；地基土的自重湿陷往往使建筑物发生很大的裂缝或使砖墙倾斜，甚至使一些很轻的建筑物也受到破坏；,而在非自重湿陷性黄土地区这类现象极为少见。所以在这两种不同湿陷性黄土地区建筑房屋，采取的地基设计、地基处理、防护措施及施工要求等方而均应有较大区别。,中山大学地球科学系,工程地质学,1．黄土的湿陷类型可按室内压缩试验，在土的饱和Sr＞0.85自重压力下测定的自重湿陷系数来判定。自重湿陷系数按下式计算－保持天然湿度和结构的土样，加压至土的饱和自重压力时，下沉稳定后的厚度cm。－上述加压稳定后的土样，在浸水作用下、下沉稳定后的厚度cm。－土样的原始厚度cm。则当时，定为非自重湿陷性黄土；时，定为自重湿陷性黄土。,中山大学地球科学系,工程地质学,2．建筑场地或地基的湿陷类型，应按试坑浸水试验实测自重湿陷量或按室内压缩试验累计的计算自重湿陷量判定。,当实测或计算自重湿陷量小于或等于7cm时，定为非自重湿陷性黄土场地。当实测或计算自重湿陷量大于7cm时，定为自重湿陷性黄土场地；,中山大学地球科学系,工程地质学,以7cm作为判别建筑场地湿陷类型的界限值是根据自重湿陷性黄土地区的建筑物调查资料确定的。,在河南、西安大部分非自重湿陷性黄土地区，实测自重湿陷量一般不超过3－4cm，而兰州等典型自重湿陷性黄土地区则常在10cm以上，有时达30cm多；同时也考虑了建筑物地基容许下沉的因素当地基自重湿陷量在7cm以内时，建筑物一般无明显破坏待征，或墙面裂缝稀少，不影响建筑物的正常使用。,中山大学地球科学系,工程地质学,现场试坑浸水试验判别建筑场地湿陷类型的方法虽然比较直接反映现场情况，但由于耗用水量较多，浸水时间较长（一个月以上），有时不具备浸水试验条件，有的受工期限制，故只有对新建地区的甲、乙类重要的建筑工程才宜进行，而对一般工程只用计算自重湿陷量判定。,中山大学地球科学系,工程地质学,计算自重湿陷量应根据不同深度土样的自重湿陷系数，按下式计算式中－第i层土在上覆土的饱和Sr＞0.85自重压力下的自重湿陷系数－第i层土的厚度cm；－因地区土质而异的修正系数，是为了使计算自重湿陷量尽量接近实测湿陷量。对陇西地区，可取1.5，对陇东、陕北地区可取1.2，对关中地区可取0.7；对其他地区可取0.5。,中山大学地球科学系,工程地质学,计算自重湿陷量的累计，应自天然地面当挖、填方的厚度和面积较大时，自设计地面算起，至其下全部湿陷性黄土层的底面为止，其中自重湿陷系数小于0.015的土层不累计。,中山大学地球科学系,工程地质学,用计算自重湿陷量确定建筑场地的湿陷类型比较简便，不受现场条件限制，缺点是土样易受扰动，尤其地层不均匀时，试验误差较大。按试坑浸水试验实测自重湿陷量及按室内压缩试验测定湿陷系数、自重湿陷系数等，应符合黄土规范有关附录的规定。,黄土湿陷起始压力的意义及用途,中山大学地球科学系,工程地质学,研究认为湿陷性黄土浸水后，其内聚力较其浸水前损失很大而内摩擦角则相对减小较少，但当剩余的内聚力与内摩接力一起，尚能抵抗一定的外力而不破坏其结构，此时土体只发生压缩变形。一旦外部压力增大到某一界限，足以克服其剩余的内聚力与内摩擦力时，则发生结构破坏，即发生湿陷。,湿陷性黄土地基在某一压力下浸水开始出现湿陷时，此压力即为湿陷起始压力。即当黄土地基上的自重压力和附加压力之和小于湿陷起始压力时，地基土只产生压缩变形，不会发生湿陷。,中山大学地球科学系,工程地质学,因此黄土湿陷起始压力实质上是黄土浸水后的剩余结构强度或称浸水结构强度。,而黄土的湿陷系数与湿陷起始压力是同一土体的结构特性分别在变形和强度两方面的反映。,浸水结构强度愈小的土，湿陷系数愈大，而湿陷起始压力愈小。所以湿陷起始压力也反映了黄土湿陷性的强烈程度，一切决定黄土湿陷性大小的因素，即决定其湿陷起始压力小与大的因素。,中山大学地球科学系,工程地质学,湿陷起始压力是反映黄土湿陷性的一个重要指标，并具有如下实用意义；,按湿陷起始压力划分土层的湿陷类型,1．用于确定土层和场地的湿陷类型凡湿陷起始压力小于上覆饱和自重压力的土层，即为自重湿陷性的；反之为非自重湿陷性的。不同湿陷类型的土层分布深度，可以从湿陷起始压力分布曲线与饱和自重压力分布曲线在不同深度的对比求得，如图所示。该图反映关中部分地区深度4－8m土层有自重湿陷性，在地表小面积浸水条件下，可不考虑其场地的自重湿陷性。,中山大学地球科学系,工程地质学,2、对于非自重湿陷性黄土地基，当建筑物荷重不大时，可适当加大基础底面积，控制基底压力不超过土的湿陷起始压力，则地基即使受水浸湿也不致产生湿陷变形，因而可不采取设防措施；,中山大学地球科学系,工程地质学,3、对非自重湿陷性黄土地基，如果设计使在地基的某一深度以下，作用在土体上的饱和自重压力与附加压力之和小于土的湿陷起始压力时，则这一深度以下受水浸润时将不致产生湿陷。所以当需要消除地基全部湿陷性时，可利用基底以下各土层的湿陷起始压力与饱和自重压力＋附加压力分布曲线对比，决定处理湿陷性黄土层的厚度H。,中山大学地球科学系,工程地质学,湿陷起始压力值，可按现场浸水载荷试验或按室内压缩试验确定。按现场浸水荷载试验确定时，应在压力与浸水下沉量关系曲线上，取其转折点所对应的压力作为湿陷起始压力值。当曲线上的转折点不明显时，可取浸水下沉量与承压板宽度之比小于、等于0.015所对应的压力作为湿陷起始压力值。按室内压缩试验确定湿陷起始压力时，应取压力与湿陷系数关系曲线上，湿陷系数等于0.015所对应的压力作为湿陷起始压力值。,黄土湿陷起始压力的确定方法,中山大学地球科学系,工程地质学,由若干个具有不同湿陷系数的黄土层所组成的湿陷性黄土地基，它的湿陷程度是由这些土层被水浸湿后可能发生湿陷量的总和来衡量。,关于黄土地基湿陷等级的划分,总湿陷量愈大，湿陷等级愈高，地基浸水后建筑物和地面的变形愈严重，对建筑物的危害也愈大。因此，对不同的湿陷等级，应采取相应不同的设计措施。而要确定湿陷等级，则首先要解决可能被水浸湿和产生湿陷的湿陷性黄土层的厚度以及湿陷等级界限值的合理确定。,中山大学地球科学系,工程地质学,应该指出总湿陷量是假定建筑物地基在规定的压力作用下充分浸水时的湿陷变形，它没有考虑地基与建筑物的共同作用。而且建筑物地基可能发生的湿陷变形取决于很多因素，如浸水机率、浸水方式、浸水时间、浸入地基的水量、基础面积、基础形式和基底压力大小等，所以总湿陷量只是近似地反映了地基土的湿陷程度，而并非是建筑物地基的实际可能湿陷量。,红粘土,1、红粘土的特征、分布与研究意义2、红粘土的成分、物理力学特征及其变化规律3、确定红粘土地基承载力的几个原则问题,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土是指在亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类岩石及其间所夹的其他岩石，经红土化作用形成的高塑性粘土。红粘土一般呈褐红、棕红等颜色，液限大于50％。经流水再搬运后仍保留其基本特征，液限大于45％的坡、洪积粘土，称为次生红粘土，在相同物理指标情况下，其力学性能低于红粘土。,1、红粘土的特征、分布与研究意义,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土及次生红粘土广泛分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、丘陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。黔、桂、滇等地古溶蚀地面上堆积的红粘土层，由于基岩起伏变化及风化深度的不同，造成其厚度变化极不均勾．常见为5－8m，最薄为0.5m，最厚为20m。在水平方向常见咫尺之隔，厚度相差达10m之巨。上层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间，给地基勘察、设计工作造成困难。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土的一般特点是天然含水量和孔隙比很大，但其强度高、压缩性低，工程性能良好。它的物理力学性质间具有独特的变化规律，不能用其他地区的、其他粘性土的物理、力学性质相关关系来评价红粘土的工程性能。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土的组成成分红粘土的一般物理力学特征红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性裂隙对红粘土强度和稳定性的影响,2、红粘土的成分、物理力学特征及其变化规律,中山大学地球科学系,工程地质学,由于红粘土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物，母岩中的较活动性的成分SO2-4、Ca2、Na、K经长期风化淋滤作用相继流失，SiO2部分流失，此时地表则多集聚含水铁铝氧化物及硅酸盐矿物，并继而脱水变为氧化铁铝。使土染成褐红至砖红色。因此，红粘土的矿物成分除仍含有一定数量的石英颗粒外，大量的粘土颗粒则主要为多水高岭石、水云母类、胶体二氧化硅及赤铁矿、三水铝土矿等组成，不含或极少含有机质。,红粘土的组成成分,中山大学地球科学系,工程地质学,其中多水高岭石的性质与高岭石基本相同，它具有不活动的结晶格架，当被浸湿时，晶格间距极少改变，故与水结合能力很弱。而三水铝土矿、赤铁矿、石英及胶体二氧化硅等铝、铁、硅氧化物，也都是不溶于水的矿物，它们的性质比多水高岭石更稳定。红粘土颗粒周围的吸附阳离子成分也以水化程度很弱的三价铁、铝为主。红粘土的粒度较均匀，呈高分散性。粘粒含量一般为60％－70％，最大达80％。,中山大学地球科学系,工程地质学,1、天然含水量高，一般为40％－60％，高达90％。,红粘土的一般物理力学特征,2、密度小，天然孔隙比一般为1.4-1.7，最高2.0，具有大孔性。,5、一般呈现较高的强度和较低的压缩性，固结快剪内摩擦角为8。－18。，内聚力40－90kPa。压缩系数a0.2-0.30.1-0.4MPA-1，变形模量10-30MPa，最高可达50MPA，荷载试验比例界限200－300kPa。,3、高塑性。液限一般为60％－80％，高达110％；塑限一般为40％－60％，高达90％；塑性指数一般为20－50。,4、由于塑限很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，液性指数一般小于0.25。但是其饱和度一般在90％以上，因此，甚至坚硬粘土也处于饱水状态。,6、不具有湿陷性，其湿陷系数0.0004－0.00080.015。原状土浸水后膨胀量很小＜2％，但失水后收缩剧烈，原状土体积收缩率25％，而扰动土可达40％－50％。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土虽然天然含水量高，孔隙比很大，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性,生成环境及其相应的组成物质和坚固的粒间连结特性。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土呈现高孔隙性首先在于其颗粒组成的高分散性，是粘粒含量特别多和组成这些细小粘粒的含水铁铝硅氧化物在地表高温条件下很快失水而相互凝聚胶结，从而较好地保存了它的絮状结构的结果。因此，红粘土有较高的强度，主要是因为这些铁、铝、硅氧化物颗粒本身性质稳定及互相胶结所造成的。特别是在风化后期，有些氧化物的胶体颗粒会变成结晶的铁、铝、硅氧化物，而且他们是抗水的、不可逆的，故其粒间连结强度更大。另外，由于红粘土颗粒周围吸附阳离子成分主要为三价铁和铝，这些铁、铝化的颗粒外围的结合水膜很薄，也加强了其粒间的连结强度。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土的天然含水量很高，也是由于其高分散性，表面能很大，因而吸附大量水分子的结果。故这种土中孔隙是被结合水，并且主要是被强结合水吸着水所充填。强结合水，由于受土颗粒的吸附力很大，分子排列很密，具有很大的粘滞性和抗剪强度。土的塑限值很高。因此，红粘土的天然含水量虽然很高，且处于饱和状态，但它的天然含水量一般只接近其塑限值，故使之具有较高的强度和较低的压缩性。同时，另一个重要因素是由于分布地区环境地表温度高，又处于明显的地壳上升阶段，对于一般分布在山坡、山岭或坡脚地势较高地段的红粘土，其地表水和地下水的排泄条件好，使土的天然含水量也只接近于塑限，而与其液限的差值很大达30％－50％，必然使土体处于坚硬或硬可塑状态。以上所述红粘土的组成成分及其粒间连结和含水特性，也是它所以呈现高孔隙性和大孔性，而又不具有浸水湿陷性的主要原因。,中山大学地球科学系,工程地质学,从各地区已有资料可知，红粘土本身的物理力学性质指标又有相当大的变化范围，以贵州省的红粘土为例，其天然含水量的变化范围达25％－88％，天然孔隙比0.7－2.4，液限36－l25，塑性指数18－75，液性指数0.45－1.4。内摩擦角2－31度，内聚力10－140kPa，变形模量4－36MPa。其物理力学性质变化如此之大，承载力自然会有显著的差别。貌似均匀的红粘土，其工程性能的变化却十分复杂，这也是红粘土的一个重要特点。因此，为了作出正确的工程地质评价，仅仅掌握红粘土的一般特点是不够的，还必须弄清决定其物理力学性质的因素，掌握其物理力学指标的变化规律。,红粘土的物理力学性质变化范围及其规律性,中山大学地球科学系,工程地质学,1）在沿深度方向，随着深度的加大，其天然含水量、孔隙比和压缩性都有较大的增高，状态由坚硬、硬塑可变为可塑、软塑以至流塑状态，因而强度则大幅度降低。如图所示，1m处的内聚力为190kPa，到11m则降为9kPa，只及1m处的1／20。红粘土的天然含水量及孔隙比从上往下得以增大的原因，一方面系地表水往下渗滤过程中，靠近地表部分易受蒸发，愈往深部则愈易集聚保存下来，另一方面可能直接受下部基岩裂隙水的补给及毛细作用所致。,中山大学地球科学系,工程地质学,2、在水平方向，随着地形地貌及下伏基岩的起伏变化，红粘土的物理力学指标也有明显的差别。在地势较高的部位，由于排水条件好，其天然含水量、孔隙比和压缩性均较低，强度较高，而地势较低处则相反。在地势低洼地带，由于经常积水，即使上部土层，其强度也大为降低。在古岩溶面或风化面上堆积的红粘土，由于其下伏基岩顶面起伏很大，造成红粘土厚度急剧变化（如前述）。同时处于溶沟、溶槽洼部的红粘土因易于积水，一般呈软塑至流塑状态。因此，在地形或基岩面起伏较大的地段，红粘土的物理力学性质在水平方向也是很不均匀的。,中山大学地球科学系,工程地质学,3、平面分布上次生坡积红粘土与红粘土的差别，如黔西某地不同成因类型红粘土的物理力学性质统计资料表明原生残积红粘土土质致密，含水比含水量与液限之比）一般小于0.7，自然边坡角一般大于40度，直剪快剪内聚力、内摩擦角平均值分别可达35kPa及l6度30分。次生坡积红粘土颜色较浅，其物理性质与残积土有时相近，但较松散，结构强度较差，故雨、旱季土质变化较大。其含水比一般为0.7－0.8，自然边坡角远小于30度，强度指标较残积土有明显降低直剪快剪内聚力与内摩擦角平均值各为30kPa和9度10分。,中山大学地球科学系,工程地质学,红粘土具有较小的吸水膨胀性，但具有强烈的失水收缩性。故裂隙发育也是红粘土的一大特征。坚硬、硬可塑状态的红粘土，在近地表部位或边坡地带，往往裂隙发育，土体内保存许多光滑的裂隙面。这种土