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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地基工程地质问题.精品文档.地基工程地质问题本章要点本章主要讲述了地基工程地质问题的基本概念与相关知识，对工程地质问题的分析和防治是本章重点。学习目标通过学习本章内容，了解地质问题的基本概念与相关知识，能对一般性的地基工程地质问题进行分析，并提出处理措施。8.1 路基工程地质问题8.1.1 路基基底稳定性问题路基基底稳定性多发生于填方路堤地段，其主要表现形式为滑移，挤出和塌陷。一般路堤和高填路堤对路基基底的要求是要有足够的承载力，它不仅仅承受列车在运运中产生的动荷载，而且还承受很大的填土压力，因此，基底土的变形性质和变形量的大小主要决定于基底
2、土的力学性质、基底面的倾斜程度，软层或软弱结构面的性质与产状等。此外，水文地质条件也是促进基底不稳定的因素，它往往使基底发生巨大的塑性交形而造成路基的破坏。如路基底下有软弱的泥质夹层，当其倾向与坡向一致时，若在其下方开挖取土或在上方填土加重，都会引起路堤整个滑移；当高填路堤通过河漫滩或阶地时，若基底下分布有饱水厚层淤泥，在高填路堤的压力下，往往使基底产生挤出变形，也有的由于基底下岩镕洞穴的塌陷而引起路堤严重变形，如成昆线南段就有路堤塌陷的实例。路基基底若为软粘土、淤泥、泥炭、粉砂、风化泥岩或软弱夹层所组成，应结合岩土体的地质特征和水文地质条件进行稳定性分析，若不稳定时可选用下列措施进行处理：
3、(1)放缓路堤边坡，扩大基底面积，使基底压力小于岩土体的容许承载力；(2)在通过淤泥软土地区时路堤两侧修筑反压护道；(3)把基底软弱土层部份换填或在其上加垫层； (4)采用砂井(桩)排除软土中的水份，提高其强度；(5)架桥通过或改线绕避等。8.1.2道路冻害问题道路冻害包括冬季路基土体因冻结作用而引起路面冻胀和春季因融化作用而使路基翻浆。结果都会使路基产生变形破坏，甚至形成显著的不均匀冻胀和路基土强度发生极大改变，危害道路的安全和正常使用。道路冻害具有季节性。冬季，在负气温长期作用下，路基土中水的冻结和水的迁移作用，使土体中水分重新分布，并平行于冻结界面而形成数层冻层，局部地段尚有冰透镜体或冰
4、块，因而使土体体积增大(约9)而产生路基隆起现象；春季，地表冰层融化较早，而下层尚未解冻，融化层的水分难以下渗，致使上层土的含水量增大而软化，强度显著降低，在外荷作用下，路基出现翻浆现象。翻桨是道路严重冻害的一种特殊现象，它不仅与冻胀有密切关系，而且与运输量的发展有关。在冻胀量相同的条件下，交通频繁的地区，其翻浆现象更为严重。翻桨对铁路影响较小，但对公路的危害比较明显。影响道路冻胀的主要因素是负气温的高低，冻结期的长短，路基土层性质和含水情况，土体的成因类型及其层状结构，水文地质条件，地形特征和植被情况等。根据水的外给情况，道路冻胀的类型可分为表面冻胀和深源冻胀两种，前者是在地下水埋深较大地区
5、，由于大气降水和地表水渗入和积聚于路基中而迅速冻结形成的，共主要原因是路基结构不合理，或养护不周，致使道渣排水不良造成的，其冻胀量较小，一般为30一40mm，最大达60mm，但也有不发生地表变形的。深源冻胀多发育在冻结深度大于地下水埋探或毛细管水带接近地表的地区。路堑基底为粉质粘性土，冻结速度缓慢，地下水补给源丰富，水分迁移强烈，极易形成深源冻胀，其冻胀量较大，一殷为200一400 mm，最大达600mm，尤其是不均匀冻胀对于要求较高的铁路来说，危害极大。甚至有的隧道因冻胀而使列车不能通过。防止道路冻害的措施有：(1)铺设毛细割断层，以断绝补给永源；(2)把粉粘粒含量较高的冻胀性土换为粗分散的
6、砂砾石抗冻胀性土；(3)采用纵横盲构和竖井，排除地表水，降低地下水位，减少路基土的含水情况(4)提高路基标高；(5)修筑隔热层，防止冻结向路基深处发展等。8.2 桥基工程地质问题桥墩台地基稳定性主要决定墩台地基中岩土体的允许承载力，它是桥梁设计中最重要的力学数据之一，它对选择桥梁的基础和确定桥梁的结构型式起决定性作用，对造价影响极大，是一项关键性的资料。虽然桥墩台的基底面积不大，但经常遇到地基强度不一，软弱或软硬不均等现象，严重影响桥基的稳定性。在溪谷沟床，河流阶地，古河湾及古老洪积扇等处修建桥墩台时，往往遇到强度很低的饱水淤泥和淤泥质软土层，也有时遇到较大的断层破碎带近期活动的断裂，或基岩面
7、高低不平，风化深槽，软弱夹层，囊状风化带，软硬悬殊的界面或深埋的古滑坡等地段。均能使桥墩台基础产生过大沉降或不均匀下沉，甚至造成整体滑动，不可忽视。桥墩台地基若为土基时，其容许承栽力的计算方法和基本原理与大型工业民用建筑物地基是相同的；而岩质地基容许承载力主要决定于岩体的力学性质，结构特征以及水文地质条件。8.3 软土地基软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性强和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土，如淤泥和淤泥质土，以及其他高压缩性饱和黏性土、粉土等。淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成的黏性土。这种黏性土含有机质，天然含水量大于液限
8、。当天然孔隙比e01.5时，称为淤泥；1.0e01.5时，称为淤泥质土。习惯上把工程性质接近淤泥土的黏性土统称为软土。8.3.1软土的成因类型和结构由上可以看出，给软土定名、定义常以其物理力学指标为依据，而建筑地基的土体，是多种性质土的集合体，所以软土的性质尤其是成层土的构造与沉积年代、成因类型有密切关系。例如不同年代和成因的软土，其物理力学性质指标尽管可能相近，但作为地基时的工程性质差别却可能较大。故对软土的认识，不但要掌握其物理力学性质指标，还要全面分析生成环境、年代、结构和构造，尤其是地基中上下两相邻土层的强度差别悬殊或下卧硬层倾斜度较大时，在地基处理设计中必须特别注意。软土是在静水或缓
9、慢水流，多有机质的条件下生成的，往往与粉砂和泥炭交错沉积。绝大部分生成于全新世的中晚期，也有软土层埋藏在密实的硬土层之下，生成期较早。但总的来说，在各种土中，软土应是比较年轻的沉积物，有的还是正在继续沉积的欠固结土。江河湖海都有生成软土的条件，其成因类型可分为海相沉积和陆相沉积。海相沉积又分为滨海相、三角洲相、泻湖相和溺谷相。陆相沉积分为湖泊相、河漫滩相和丘陵谷地相。软土在我国沿海、内陆都有广泛分布，在沿海地区如上海，天津塘沽，浙江温州、宁波，江苏连云港等都分布着厚数米至数十米的滨海相沉积；长江、珠江地区分布着三角洲相沉积；洞庭湖、洪泽湖、太湖及昆明滇池等地区分布着内陆湖泊相沉积；位于各大、中
10、河流中、下游地区分布着河漫滩沉积；内蒙古，东北大、小兴安岭，南方及西南森林地区分布着沼泽沉积；贵州六盘水地区分布着丘陵谷地相沉积等。滨海相沉积分布在沿海岸边，颗粒较不均匀，软土淤泥常与粗中细砂掺杂，较疏松；三角洲相沉积于江河入海口处，软黏土，淤泥与薄砂层交错成不规则透镜体或薄夹层。内陆软土大多属于湖泊沉积或河滩沉积，厚度一般不超过20m。湖泊沉积以粉土为主有明显层理，结构较松软；河滩沉积以软黏土及淤泥为主，夹有砂及泥炭层。软土的矿物组成除少量矿物石英、方解石、长石、云母、角闪石外，含有大量次生黏土矿物。我国黏土所含黏土矿物，以伊利石、高岭石为主，也含有蒙脱石、绿泥石等。黏土矿物呈片状、板状、管
11、状。电子显微镜可直接观察到软土的结构，是由单粒及大小不同的团粒组成，其组织结构单元按一定方式排列而成。各团粒内更小一级的团粒和颗粒也有一定的排列方式，骨架间的大小空隙的总体积很大，即颗粒的比表面积很大，大小空隙中除少数外都被水充满。这正是软土具有大空隙比、高含水量、高压缩性、高灵敏度及低强度的根本原因。8.3.2软土的工程特性及评价如前述，软土的主要特征是含水量高(w=3580)、孔隙比大(e01)、高压缩性、强度低、渗透性差，并含有机质，软土具有下述工程特征：1抗剪强度低如前述，饱和软黏土多属近代水下细颗粒沉积土，孔隙比大，含水量高，因此它的抗剪强度很低。用直剪仪快剪测其强度指标仅几度，c值
12、不超过20kPa。抗剪强度的变化范围为525kPa。地基的承载力常为5080kPa。为使软土地基的强度、稳定性满足要求，常需有针对性的采用加固措施，提高其抗剪强度。软土的抗剪强度试验值与试验方法、排水条件等密切相关，如采用固结快剪上述、c值将有所增大。因此试验方法，条件应密切联系工程的实际及地基的具体条件等确定，需要时，除室内试验外，应补充现场原位测试，以取得较正确的结果。2压缩性高因为孔隙比大，故软土具有高压缩性。压缩系数1-2在0.52.0MPa-1之间，最大可达到4.5 MPa-1，部分软土更高；压缩模量Es4MPa，在其他物理性质指标相同的条件下，软土的液限指数越大，压缩性越高，这是因
13、为土颗粒矿物成分对其压缩性具有明显的影响。3透水性低软土的透水性很低，渗透系数一般约为110-6110-8cms，在自重或荷载作用下固结速率很慢，要达到较大的固结度，需要相当长的时间(甚至数年)，使得许多压密加固方法都不能在短期内奏效。4触变性尤其是滨海相软土一旦受到扰动(振动、搅拌，挤压或揉搓等)，原有结构即遭破坏，土的强度明显降低或很快变成稀释状态。触变性的大小常用灵敏度St来表示，一般St在34之间，个别可达89。故软土地基在振动荷载作用下，易产生侧向滑动，沉降及基底向两侧挤出等现象。随静置时间的增长，其强度能有所恢复，但极缓慢且一般不能恢复到原有结构的强度。土样的钻取、切削、搬运、封装
14、和制备使土样受到不同程度的扰动，而使实验所得的强度指标偏低，未完全反映土的实际强度。所以宜尽量采用原位试验方法测试强度，如十字板剪切试验、标准贯入试验等。或将原位测试与室内试验结果相互分析补充。5流变性软土有流变特性，土体在长期荷载作用下，虽荷载保持不变，因土骨架黏滞蠕变而发生随时间而变化的变形，土内黏土颗粒含量越多，这种特性越明显。蠕变的速率一般都很小，它也随土中剪应力值而变化，由试验表明当应力低于不排水剪切强度50时，属减速蠕变最后趋于稳定；应力高于不排水剪切强度70时，速率保持不变甚至渐增直至破坏。因此，软土地基中除应创造充分排水固结条件外，考虑蠕变影响，剪应力应适当控制在长期受荷强度内
15、。流变性对地基沉降有较大影响，对斜坡、码头、堤岸和建筑物地基的稳定性不利。6不均匀性由于沉降环境的变化，黏性土层中常局部夹有薄厚不等的粉土使水平和垂直分布上存在差异，使建筑物基础容易产生差异沉降。在软土较厚处，表层软土长期受气候影响，含水量降低，发生收缩固结。形成较下面软土强度高、压缩性低的非饱和土层，称为“硬壳”，厚度一般不大于3m，可以考虑作为小型建筑物的地基持力层。软土地基的岩土工程分析和评价应根据其工程特性，结合不同工程特点要求进行，通常包括以下内容：(1)判定地基产生失稳和不均匀变形的可能性。当建筑物位于池塘、边坡、河岸附近时，应检算其稳定性。(2)选择适宜的持力层和基础形式，当有地
16、表硬壳层时，基础宜浅埋。(3)当相邻建筑物建筑高度不同，结构物荷载相差很大时，应分别计算各自的沉降，并分析其相互影响。当地面有较大面积堆载时，应分析对相邻建筑物的不利影响。(4)软土地基承载力应根据地区建筑经验，并结合下列因素综合确定：软土成层条件，应力历史、结构性、灵敏度等力学特性及排水条件；上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不均匀沉降的敏感性；基础的类型、尺寸、埋深和刚度等；施工方法和程序；采用预压排水处理的地基，应考虑软土固结排水后强度的增长。(5)基础的沉降量可采用分层总和法计算，并乘以经验系数；也可以采用土的应力历史的沉降计算办法。必要时应考虑土的次固结效应。(6)在软土
17、开挖、打桩，降水时，应参照岩土工程勘察规范有关规定执行。软土地基承载力综合评定，不能单靠理沦计算，要以地区经验为主。软土地基承载力的评定，变形控制原则比按强度控制原则更为重要。软土地基主要受力层中的倾斜基岩或其他倾斜坚硬地层，是软土地基的一大隐患。其可能导致不均匀沉降，以及蠕变滑移而产生剪切破坏，因此对这类地基不但要考虑变形，而且耍考虑稳定性。若主要受力层中存在砂层，砂层将起排水通道作用，有利于地基承载力的提高。水文地质条件对软土地基影响较大，如抽降地下水形成降水漏斗将导致附近建筑物产生沉降或不均匀沉降；基坑迅速抽水会使基坑周围水力坡度增大而产生较大的附加应力，致使坑壁坍塌；承压水头改变将引起
18、地面的明显沉降等。这些在岩土工程评价中应引起重视。此外，沼气逸出对地基稳定和变形也有影响，通常应查明沼气带的埋藏深度、含气量和压力的大小，以此评价对地基的影响程度。建筑施工的加荷速率的适当控制，或改善土的排水固结条件可提高软土地基的承载力及稳定性。即随着荷载的施加地基土强度逐渐增大，承载力得以提高；反之，若荷载过大，加荷速率过快，将出现局部塑性变形，甚至产生整体剪切破坏。8.3.3软土地基工程应注童事项在软土地区修建桥梁或其他建筑物，首先应对地质、水文状况进行详尽的勘察，查明欲建场地软土的地质及工程特性，掌握全面的、翔实的第一手资料，这是正确设置桥跨或其他结构物，选择适当结构类型的首要条件，也
19、是设计和施工能紧密结合实际情况，采取有针对性工程措施的关键环节。软土地基的强度、变形和稳定是工程中必须全面充分注意的问题，是造成桥梁或其他建筑物产生过大或差异沉降、位移、倾斜、开裂和失稳等严重损坏事故的主要原因。国内外从实践中对软土地基上的基础工程设计技术、施工方法、地基加固等方面已积累了不少成功经验和科研成果，只要对这些成果借鉴和使用得当，则软土地基上的桥梁或其他建筑物的安全是能得到保证的。以下着重介绍有关软土地区桥梁基础工程应注意的事项，其他建筑物也可参考。1合理布设桥涵在软土地区，桥梁位置既要与线路走向协调，又要特别注意桥梁建筑物对工程地质的要求，如果地基土层深，厚软黏土，特别是流动性的
20、淤泥、泥炭和高灵敏度的软土，不仅设计技术条件复杂，而且将给施工、养护、运营带来许多困难，应力求避免。另选择软土较薄、均匀、灵敏度较低的地段应更为有利。对于小桥涵，可优先考虑地表硬壳层较厚，下卧层为一般均匀软土处，以争取采用明挖刚性扩大基础，降低造价，方便施工。在确定桥梁总长、桥台位置时，除应考虑泄洪、通航要求外，究竟应将桥台覆于何处，不能拘泥于在一般地质状况下的习惯做法，应考虑合理的利用地形，地质条件，适当的延长桥长，使桥台置于地基土质较好或软土较薄处，用桥梁代替高路堤，减少桥台和填土高度，会有利于桥台、路堤的稳定，在造价、占地、运营条件和养护费用等通盘考虑后，往往在技术上、经济上都是合理的。
21、软土地基上桥梁宜采用轻型结构，尽量减轻上部结构及墩台自重。由于地基易产生较大不均匀不变，一般以采用静定结构或整体性较好的结构为宜，如桥跨结构可采用钢筋混凝土箱形梁，桥台采用十字形、U形桥台，桥墩采用空心薄壳结构等。桥洞宜用钢筋混凝土管涵、整体基础钢筋混凝土盖板涵、箱涵以保障桥身刚度和整体性。设计时所用到的软土的有关物理力学性质参数，应尽可能通过现场原位试验取得。并应注意，我国沿海、内陆等地的软土由于沉积年代，环境的差异，成因的不同，他们的成层条件，粒度组成，矿物成分有所不同。有时其物理力学性质指标虽相近，但工程性质并不相近，故不应相互借用。2软土地基桥梁基础设计应注意事项为保证地基稳定并控制沉
22、降在容许范围内，作为设计者应从减轻荷载和提高地基承载力两方面着手。对于上部结构设计来说，控制建筑物的长高比，采用轻型材料，充分利用硬壳土层作持力层，加强基础的刚度和强度等都是有利地基稳定，减少沉降和不均匀沉降的有益措施。对于基础设计来说，首先要确定天然地基的承载能力和由于施加荷栽可能产生的最大沉降量、沉降差，并据以确定地基是否需要加固。如软土地基上的路堤就有“填筑临界高度”的规定，即指天然地基上用快速施工方法修筑一般断面路堤所能填筑的最大高度。并非凡是软土地基，就一定加固处理。软土地区的桥梁基础，常用的是刚性扩大基础和桩基础，也有用沉井基础的，在软土地基上设置上述类型基础时，应注意以下几个问题
23、：(1)刚性扩大浅基础。在较稳定、均匀、有一定强度的软土上修建结构简单、对地基沉降要求不严的短跨径桥梁，常争取采用天然地基(或配合砂砾垫层)上的刚性扩大浅基础。但常产生诸如：因软土的局部塑性变形而使墩台发生不均匀沉降，由于台后填土的影响使桥台前后端沉降不均而发生后仰，有时还同时使桥台向前滑移等工程事故，因此，在设计时应注意对基础受力不同的边缘(如桥台的前趾、后踵)沉降的检算及其抗倾覆、滑动检算。防治措施：可采用人工地基，如有针对性的布设砂砾垫层，对地基进行加载预压以减少地基的沉降和调整沉降差，或采用深层搅拌法，以水泥土搅拌桩或粉体喷射搅拌桩加固软土地基，按复合地基理论检算地基各控制点的承载力和
24、沉降量(加固范围应包括桥头路堤地基的一部分)；采取结构措施如改用轻型桥台，埋置式桥台，必要时改用桩基础等。(2)桩基础和沉井基础。在深厚的软土层中，桥梁墩台常采用桩基础，在桩基施工技术日渐成熟的今天，能获得较好的技术效果。铁路桥梁因荷载数值大，采用的桩基础一般口径都较大，多采用钻孔灌注桩或打入桩。要求桩基穿过软土层伸入硬土(岩层)以保证承载力和沉降均满足要求。软土层很厚采用摩擦桩时，应注意桩底软土强度和沉降的检算，必要时应对桩周软土进行压浆处理或做成扩底桩。打入桩的桩距应较一般土质的适当加大，并合理安排打桩顺序，避免巳打好的邻桩被挤移或上抬，影响质量。钻孔灌注桩通常先做试桩取得施工经验，避免成
25、孔时缩孔、坍塌。软土地基桩基础设计时，应充分注意两个问题：地基软土侧向移动对桩基的影响。位于软土中的桩基础，其上若为桥台、挡墙等结构时，由于台后、墙后填土重力的挤压，地基软土将产生侧向移动，使桩土间产生附加水平压力，引起桩身桡曲，导致桥台后仰向河槽倾移，甚至基桩折损等事故。为了避免桩基础和桥台后仰前倾，可采取措施加强桩顶约束和平衡土压力。如采用低桩承台、埋置式桥台或在台前加筑反压护道和挡墙，也可采用刚度较大的基桩和多排桩基础(打入桩可采用部分斜桩)，或对软土地基进行加载预压等。地基软土下沉对桩基的影响。软土下沉使基桩承受负摩阻力，将产生较大的沉降或桩身拉裂。铁路桥涵地基基础设计规范规定：建于软
26、土上且台后填土h5m的桥台，在计算地基应力和沉降时，应考虑台后路基及锥体对桥台基底前后边缘产生的附加竖向压应力。参照图8.1，并按下式计算：图8.1台后路基对桥台基底压应力 (8.1)式中附加竖向压应力(kPa)；路基填土的重度(kN/m3)；H路基壤土的高度(m)；系数，请查阅铁路桥涵设计规范附表F。沉井的自重很大，在较厚的软土层中设置沉井是不经济，也不够合理的，应尽可能避免。若穿透软土层能将沉井底面搁置在有效持力层上时，使用沉井成为较优方案，但在软土层上下沉沉井往往因掌握不好而发生沉井倾斜、位移等，事先应注意采取预防措施如选用轻型沉井，采用平面形状为圆形或长宽比较小的矩形沉井等。施工时应严
27、密监控、对称开挖。及时纠偏、保证均匀下沉。3桥台及桥头路堤软土地基的稳定软土地基抗剪强度低，在稍大的水平力作用下桥台及桥头路堤容易发生地基的纵向滑动失稳，设计时应对此进行检算，如稳定性不够，小桥可采用支撑粱，人工地基等，大中桥梁除将浅基改为桩基，采用人工地基，适当延长桥粱总跨径使填土高度降低或桥台移至稳定土层上外，常用方法是减少台后土压力，或在台前加筑反压护道(注意台前过水断面应得到保证)，埋置式桥台也可同时放缓溜坡，反压护道的长度、高度、坡度及地基加固方法等，都应经计算确定。施工时注意台前、台后填土进度的配合，不要产生过大的高差。桥头路堤填土及桥台锥体护坡的横向稳定也需经过检算加以保证，必要
28、时也应放缓坡度或加筑反压护道。桥头路堤填土稍高时，路堤下沉时桥台后预是软土地基桥梁工程常发生韵事故。除应对桥台基础采用前述的有针对性的结构措施及改用轻质材料填筑路堤外，也常对路堤的地基进行人工加固处理。8.4 膨胀土地基膨胀土指黏粒成分主要由强亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土，一般强度高、压缩性低，易被误认为是建筑性能较好的地基土。通常，任何黏性土都具有膨胀和收缩特性，但胀缩量不大，对工程无大的影响；而膨胀土的膨胀收缩再膨胀的周期性变化特性非常显著，能使基础升降，建筑物和地坪开裂、变形，甚至遭到严重破坏。因此应将其与一般黏性土区别，作为特殊土处理。有人又把它
29、称为胀缩性土。故在膨胀土地区进行建设，要认真进行调查研究，首先要通过勘查工作对膨胀土做出正确的判断和评价，有针对性地采取相应的设计和施工措施，才能保证建筑物的安全和正常使用。膨胀土在我国分布范围很广，黄河流域及其以南的十多个省区都有发现，其中以云南、广西，湖北、安徽、河南、四川及河北等省区的山前丘陵和盆地边缘较为典型，山东、陕西、江苏，贵州和广东等地均有不同范围的分布。我国在总结大量勘测、设计、施工和维护方面的经验教训的基础上，已制订出膨胀土地区建筑技术规范，简称膨胀土规范。8.4.1膨胀土的特征膨胀土的矿物成分主要是次生黏土矿物蒙脱石和伊利石，蒙脱石矿物晶格极不稳定，亲水性强，浸湿时强烈膨胀
30、；伊利石的亲水性亦较高，决于蒙脱石。当地基中含有较多的蒙脱石，伊利石时，地基就会遇水膨胀隆起，失水收缩下沉和干裂。我国所分布的膨胀土除少数形成于全新世(Q4)外，其地质年代多属于第四纪晚更新世(Q3)或更早一些，颜色呈黄、黄褐、红褐、灰白和花斑等色，结构致密，为坚硬和硬塑状态。并含有铁锰质或钙质结校。具有以下一些工程特征：1多出露于二级及二级以上的河谷阶地，山前和盆地边缘及丘陵地带。地形坡度平缓，一般坡度小于12。无明显的天然陡坎。结构致密，为坚硬和硬塑状态。呈菱形土块者常具有胀缩性，且菱形土块越小，胀缩性越强。2裂隙发育，常见光滑面和擦痕。裂隙有竖向、斜交和水平3种。裂隙间常充填灰绿、灰白色
31、黏土。竖向裂隙常出露地表，裂隙宽度随深度的增加而逐渐尖灭；斜交剪切缝隙越发育，胀缩性越严重。此外，膨胀土地区旱季常出现地裂，上宽下窄，长可达数十米至百米，深数米，避免陡立而粗糙，雨季则闭合。3膨胀土的黏粒含量一般很高，粒径小于0.002mm的胶体颗粒含量超过20。液限大于40，塑性指数大于17，且多在2235之间。自由膨胀率一般超过4m(红黏土除外)。其天然含水量接近或略小于塑限，液性指数常小于零，压缩性小，多属低压缩性土。4膨胀土的含水量变化易引起胀缩变形。初始含水量与胀后含水量越接近，土的膨胀就越小，收缩的可能性与收缩值就越大。膨胀土地区多为上层滞水或裂隙水，水位随季节变化，常引起地基的不
32、均匀胀缩变形。8.4.2影响膨胀土胀缩变形的主要因素膨胀土的胀缩变形特性取决于膨胀土的矿物成分和含量、微观结构等内在因素(内因)，同时也受到气候、地形、地貌等外部因素(外因)的影响。1影响膨胀土胀缩变形的内在因素(1)矿物及化学成分。如前所述，膨胀土主要由蒙脱石和伊利石等矿物成分组成，亲水性强，胀缩变形大，其中蒙脱石不仅亲水性强，且具有易吸水又易失水的强烈活动性。伊利石虽较蒙脱石的这种特性较差，但也有很高的活动性。膨胀土的化学成分以氧化硅，氧化铝和氧化铁为主，其中氧化硅的含量越大，则胀缩量越大。(2)微观结构。膨胀土中黏土矿物多呈晶状片，颗粒彼此叠聚成一种微集聚体结构单元，其微理结构为颗粒彼此
33、面面叠聚形成的分散结构，该结构具有很大的吸水膨胀和失水收缩的能力。故膨胀土的胀缩性还取决于其矿物在空间分布上的结构特征。(3)黏粒的含量。由于黏土的颗粒细小，比表面积大，因而具有很大的表面能，对水分子和水中阳离子的吸附作用强。因此，土中黏粒含量越多，则土的胀缩性越强。(4)土的密度。土的胀缩集中表现在土的体积的变化。对含有一定矿物成分的黏土来说，当其在相同的天然含水量条件下浸水时，土的密度越大，孔隙比越小，土的膨胀率越大，其收缩性越小；反之，土的密度越小，孔隙比越大，收缩性则越大。因此，在一定条件下，土的天然孔隙比是影响胀缩变形的一个重要因素。(5)含水量。土的原有含水量与土体膨胀所需的含水量
34、相差越大时，遇水后土的膨胀越大，而失水后土的收缩越小。反之，土的膨胀越小，收缩越大。(6)土的结构强度。结构强度越大，土体限制胀缩变形的能力也就越大。当土体的结构受到破坏以后，土的胀缩性随之增加。2影响膨胀土胀缩变形的外在因素(1)气候条件。包括降雨量、蒸发量、气温、相对湿度、地温等。雨季土中水分增加，土体膨胀，旱季水分减少，土体收缩。若建筑场地潜水位较低，则表层膨胀土受大气影响，土中水分处于剧烈变动之中，对室外土层影响较大，故基础室内外土的胀缩变形存在明显差异，甚至外缩内胀，使建筑物受到往复不均匀变形的影响，导致建筑物开裂。实测资料衰明，季节性气候变化对地基土中水分的影响随深度的增加而递减。
35、(2)地形地貌。仍然与土中水分的变化有关。对同类膨胀土地基，地势低洼地带比高处的胀缩变形要小得多，这是因为高地临空面大，地基中水分蒸发条件好，故含水量变化幅度大，地基土的胀缩变形也较剧烈。在边坡地带，坡脚地段比坡肩地段的同类地基的胀缩性又要小得多。(3)日照环境。日照也是造成土体胀缩的不可忽视的因素。3膨胀土的服缩性指标及评价膨胀土具有较强的胀缩性能，又有一般黏土具有的许多共性，怎样对他们加以区分?这是基础设计要解决的首要问题。目前通行的做法一是进行现场勘察，调查了解场地土的野外特征，初步判定有无膨胀土的地质特性。二是初步判定具有膨胀土的地质特性，除对土样进行一般的物理力学性质试验外，还应进行
36、膨胀土的特性试验，评定其胀缩性能的强弱，确定胀缩等级，作为膨胀土的地基基础设计的依据。(1)胀缩性指标自由膨胀率ef。将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量土杯(容积10ml)，盛满刮平后，倒入盛有蒸馏水的量筒(容积50ml)内，加入凝聚剂并用搅拌器上下均匀搅拌10次，使土样充分吸水膨胀，至稳定后测其体积。经过充分吸水膨胀后的体积与原干土体积之比称为自由膨胀率ef，用百分数表示，即（8.2）式中Vw土样在水中膨胀稳定后的体积(ml)；V0干土样原有体积(ml)。自由膨胀率ef表示膨胀土在无结构力影响下和无压力作用下的膨胀特性。它反映土的矿物成分(蒙脱石)及含量，用于初步判断是否为膨胀土。当
37、自由膨胀率ef40时应视为非膨胀土。膨胀率ep。膨胀率指在一定压力下，处于侧限条件下浸水膨胀后，土样增加的高度与原高度之比。试验时，将原状土置于侧限压缩仪中，根据工程需要确定最大压力，并逐级加载至最大压力。待下沉稳定后，浸水使其膨胀并测得膨胀稳定值。然后逐级卸载至零，测定各级荷载压力下膨胀稳定时的土样高度变化值，按下式计算 (8.3)式中hw侧限条件下土样浸水膨胀稳定后的高度(mm)；H0土样的原始高度(mm)。采用不同的压力进行试验，可得到不同的膨账率数值，从而了解膨胀率和压力之间的关系。工程上利用膨胀率来计算地基的膨胀变形量，划分胀缩强弱和等级及测定其膨胀力。膨胀力Pe。膨胀力指原状土样在
38、体积不变时，由于浸水产生的最大内应力。若以试验结果中各级压力下的膨胀率ep作为纵坐标，压力p为横坐标，可得pep关系曲线如图(8.2)所示，该曲线与横坐标的交点即为膨胀力Pe。在设计上如果希望减少地基的膨胀变形，往往在地基允许的情况下采用较大的基地压力，即使基底压力大于Pe。线缩率和收缩系数。膨胀土失水收缩，其收缩性可用线缩率和收缩系数表示。他们是地基变形计算中的两项主要指标。线缩率指土的竖向收缩变形与原状土样高度之比。试验时将士样从环刀中推出后，置于20恒温或1540自然条件下干缩，按规定时间测读试样高度，并同时测定其含水量。按下式计算土的线缩率s。 (8.4)式中hi某含水量wi时的土样高
39、度(mm)；H0土样的原始高度(mm)。图8.2Pep关系曲线图 图8.3收缩曲线根据不同时刻的线缩率及相应的含水量可绘制出收缩曲线如图(8.3)所示。可以看出，随着含水量的蒸发，土样高度逐渐减小，s增大。原状土样在直线收缩阶段中含水量每降低1时，所对应的竖向线缩率的改变即为收缩系数s。(8.5)式中s两点含水量之差对应的线缩率之差()；w收缩过程中，直线变化阶段内两点含水量之差()。收缩系数s是膨胀土地基变形计算中的重要指标，其值通常为0.20.6。(2)膨胀土地基的评价膨胀土的判别。膨胀土的判别是解决膨胀土的地基勘察、设计的首要问题。其主要依据是工程地质特征与自由膨胀率ef。凡ef40，且
40、具有上述膨胀土野外特征和建筑物开裂破坏特征，胀缩性能较大黏性土应判定为膨胀土。膨胀土的膨胀潜势。不同胀缩性能的膨胀土对建筑物的危害程度明显不同。故判定为膨胀土后，还要进一步确定膨胀土的胀缩性能，即胀缩强弱。研究表明：ef较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻微；ef较大的膨胀土，膨胀潜势较强，建筑物损坏严重。因此膨胀土规范按ef大小划分膨胀潜势强弱，以判别土的胀缩性高低。具体参阅表8.1。表8.1膨胀土的膨胀潜势分类自由膨胀率ef（%）膨胀潜势40ef65弱65ef90中ef90强膨胀土地基的胀缩等级。反映地基胀缩等级的是地基变形，因为它既包括了膨胀和收缩性能，又考虑了基底压力，气候影响、水
41、文条件等因素，同时也考虑了地基变形对建筑物的危害程度。膨胀土规范规定以50kPa压力下(相当于一层砖石结构的基底压力)测定的土的膨胀率，计算地基分级变形量Se(根据式(8.6)，作为划分膨胀土地基胀缩等级的标准。具体参阅表8.2。表8.2膨胀土地基的胀缩等级地基分级变形量Se（mm）级别15Se3535Se70Se708.4.3膨胀土地基计算及工程措施1膨胀土地基计算膨胀土地基按场地的地质条件复杂程度可分为两类，一类是平坦场地，即地形坡度小于5，或大于5小于14，距坡肩水平距离大于10m的坡顶地带。另一类是坡地场地，即地形坡度大于5；或地形坡度虽小于5，但同一建筑物范围内局部地形高差大于1m。
42、膨胀土地基的胀缩变形量Se按下式计算 （8.6）式中e计算胀缩量韵经验系数，可取0.7；epi基础底面下第i层土在压力Pi(该层土平均自重应力与附加应力之和)作用下的膨胀率，由室内试验确定；i第i层土的垂直收缩系数；wi第i层土再受过程中可能发生的含水量变化的平均值，按膨胀土规范公式计算；hi第i层土的计算厚度(cm)，一般为基底宽度的0.4倍；n自基底到计算深度内所划分的土层数，计算深度可取大气影响深度，有进水可能时，可按浸水深度确定。位于平坦场地的建筑物地基，承载力可由现场浸水荷载试验、饱和三轴不排水试验或膨胀土规范承载力表确定，变形则按胀缩变形量控制。而位于斜坡场地上的建筑物地基除上述计
43、算控制外，尚应进行地基的稳定性计算。2膨胀土地基的工程措施膨胀土地基的工程建设，应根据当地气候条件、地基胀缩等级、场地工程地质和水文地质条件，结合当地建筑施工经验，因地制宜采取综合措施，一般可从以下几方面考虑：(1)设计措施。选择场地时适应避开地质条件不良地段，如浅层滑坡、地裂发育、地下水位活动剧烈等地段。尽量布置在地形条件比较简单、地质较均匀、胀缩性较弱的场地。坡地建筑应避开大开挖，依山就势布置，同时应利用和保护天然排水系统，并设置必要的排拱，借流和导流等排水措施，加强隔水、排水，防止局部浸水和渗漏现象。桥梁墩台及其他结构应加强整体刚度，尽量采用对地基变形不敏感的结构形式，选用适宜的基础形式
44、，加大基础埋深，加大基础底面压力；当以基础埋深为主要防止措施时，基底埋置应超过大气影响深度或通过变形验算确定。也可采用地基处理方式减小或消除地基胀缩对建筑物的危害，常用方法有换土垫层、土性改良、深基础等。换土应采用非膨胀性黏土、砂石或灰土等材料，厚度应通过变形计算确定，宽度应大于基底宽度。土性改良可通过在膨胀土中掺入一定量的石灰来提高土的强度。也可采用压力灌浆将石灰浆液灌入膨胀土的裂缝中起加固作用。具体见地基处理有关章节。(2)施工措施。施工过程中应尽量减少地基中含水量的变化。基坑开挖应快速作业，避免基坑基岩土体受到暴晒或浸泡。雨季施工应有良好的防水措施。基坑开挖接近设计高程时，宜预留1503
45、00mm厚土层，在进行下一工序时挖除，挖除后的其他工序应快速施工，完毕后应及时将基坑回填夯实。8.5 多年冻土地基凡是湿度等于或低于0，且含有固态水的土(石)，称为冻土。根据冻结延续时间又可分为多年冻土和季节性冻土两大类。冻结状态保持3年或3年以上者，称为多年冻土。多年冻土常存在地面下的一定深度，每年寒季冻结，暖季融化，其年平均地温大于或小于0的地壳表层分别称为季节冻结层和季节融化层。前者其下卧层为非冻结层或不衔接多年冻土层；后者其下卧层为多年冻土层，多年冻土层的顶面称为多年冻土上限。多年冻土主要分布在我国黑龙江的大、小兴安岭一带，内蒙古纬度较大地区，青藏高原和甘肃、新疆的高山区，厚度从一米到
46、几十米。土层冬季冻结，夏季全部融化，冻结延续时间一般不超过一个季节，称为季节性冻土。季节性冻土在我国分布很广，东北、华北、西北是季节性冻结层厚0.5m以上的主要分布地区。8.5.1冻土的物理力学性质冻土是由土的颗粒、水、冰、气体等组成的多相成分的复杂体系。其物理力学性质与未冻土有其共同性，但因冻结是水相变化及其对结构和物理力学性质的影响，冻土又具有独特的性质。1土的起始冻结温度和未冻水含量土的起始冻结温度因土类而异，砂土、砾石土约为0；可塑粉土为-0.2-0.5；坚硬黏土和粉质黏土为-0.61.2。同一种土，含水量越小，起始冻结温度就越低。土的温度低于起始冻结温度，部分孔隙水就开始冻结，随着温
47、度继续降低，土中未冻水含量逐渐减少。但无论温度降多低，土中未冻水总是存在的，土中未冻水的质量与干土质量之比，称为未冻水含量。对于一定的土，未冻水含量仅与温度有关，而与土的含水量无关。土中未冻水含量越少，其压缩性越小，强度越高，当未冻水含量很少时，荷载作用下土体破坏为脆性破坏。2冻土的融沉性在无外荷载条件下，冻土融化过程中所产生的沉降称为融陷。冻土的融陷性是评价多年冻土工程性质的重要指标，可由实验测出的平均融沉系数0表示。 (8.7)式中h1、e1冻土试样融化前的厚度和孔隙比；h2、e2冻土试样融化后的厚度和孔隙比。3冻土的含冰量与冻胀性因冻土中存在未冻水，故冻土的含冰量并不等于冻土融化时的含水量。冻土中的含冰量可用质量含冰量、体积含冰量和相对含冰量来衡量。土的冻胀是土冻结过程中体积增大的现象。土的冻胀性以平均冻胀率(单位冻结深度的冻胀量)来表示。 (8.8)式中z底面冻胀量(mm)；zd设计冻结深度，zd =h-