特殊土与地基处理

第九章特殊土与地基处理

2/4/202319.1湿陷性黄土地基

9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2.3基础底面接触压力2.4地基附加应力2.5地基的变形计算2.6饱和土的有效应力和一维渗透固结主要内容2/4/202329.1湿陷性黄土地基

黄土应具备的特征（1）为风力搬运沉积，无层理；（2）颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；（3）颗粒组成以粉粒为主，含量一般在60%以上；（4）没有粒径大于0.25mm的颗粒；（5）富含碳酸钙盐类；（6）垂直节理发育；（7）一般有肉眼可见的大孔隙。当缺少其中的一项或几项特征时称黄土状土或次生黄土

满足前述所有特征时称为原生黄土或典型黄土一、黄土及其分布2/4/202339.1湿陷性黄土地基

黄土的分布世界我国大约有1300万Km2

大约有63万Km2

分布在我国的黄河流域的甘、陕、晋大部分地区以及豫、冀、鲁、宁夏、内蒙等省区。以甘肃的陇西、陇东地区，陕西的陕北地区、关中地区的黄土性质最为典型。2/4/20234黄土的性质一般在天然含水状态下具有较高的强度和较小的压缩性，但遇水浸湿后，有的即使在自身重力作用下也会发生剧烈而大量的变形，强度也随之迅速降低。湿陷定义黄土在一定压力下受水浸湿后结构迅速破坏而发生附加下沉的现象浸水后发生湿陷的黄土称为湿陷性黄土自重湿陷性黄土非自重湿陷性黄土类型9.1湿陷性黄土地基

2/4/202359.1湿陷性黄土地基

铜川新区某场地湿陷性黄土的电镜扫描图2/4/20236年代黄土名称成因备注全新世Q4近期—新黄土新近堆积黄土次生黄土以水成为主一般有湿陷性，常具有高压缩性早期—一般湿陷性黄土一般具有湿陷性晚更新世Q3马兰黄土老黄土原生黄土风成为主中更新世Q2离石黄土非湿陷性黄土一般无湿陷性早更新世Q1午城黄土黄土地层的划分和确定

9.1湿陷性黄土地基

2/4/20237因其标准剖面首先在山西隰县午城镇找到而得名午城黄土因其标准剖面首先在山西离石县找到而得名离石黄土因其标准剖面首先在北京的马兰山谷阶地上找到而得名马兰黄土9.1湿陷性黄土地基

2/4/20238颗粒组成

湿陷性黄土的颗粒组成以粉土颗粒为主，一般占总质量的60%以上。而粉土中又以0.05～0.01mm的粗粉土颗粒为多，小于0.005mm的粘土颗粒含量较少，大于0.1mm的细砂颗粒含量在5%以内，大于0.25mm的中砂以上的颗粒则很少见到。此外黄土中还含有大量的碳酸盐、硫酸盐和氯化物等可溶盐类。

矿物成分

粗颗粒的主要矿物成分是石英和长石，粘土颗粒的主要成分是中等亲水性的伊里石，以及一些水溶性盐类物质，这些盐类物质呈固态或半固态分布在各种颗粒的表面。可溶盐浓缩沉淀而成为胶结物，形成以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构。黄土的结构

二、湿陷性黄土的基本性质9.1湿陷性黄土地基

2/4/20239黄土结构示意图（1-砂粒；2-粗粉粒；3-结物；4-大孔隙）

黄土柱状构造的成因黄土因失去大量水分而体积收缩，在土体中形成许多竖向裂隙，使黄土具有了柱状构造。9.1湿陷性黄土地基

2/4/202310（7）塑性指数：6.7～17.5，多数为9～12；（1）土粒相对密度：2.69～2.74，多数为2.70～2.72；（2）密度：1.33～1.81g／cm3，多数为1.40～1.60g／cm3；（3）干密度：1.14～1.69g／cm3，多数为1.25～1.33g／cm3；（4）天然含水量：3.3%～25.3%，塬、梁、峁上的黄土，多数6.0%～10%，低级阶地上的黄土，多数为11.0%～21%；（5）孔隙比：0.78～1.50，多数为0.85～1.24；（6）液限：20.0%～35%，多数为25%～31%；湿陷性黄土的物理性质9.1湿陷性黄土地基

2/4/202311压缩变形

定义黄土在天然含水状态下受外力作用所产生的变形，它不包括受力状态下黄土受水浸湿后的湿陷变形。

压缩性质指标

压缩系数、压缩模量和变形模量

压缩性

高压缩性土

a1－2≥0.5MPa-1

中等压缩性土

0.5MPa-1＞a1－2≥0.1MPa-1

低压缩性土

a1－2

＜0.1MPa-1

黄土最为主要的力学性态

湿陷性还包括压缩变形和强度性质

包括

湿陷性黄土的力学性质9.1湿陷性黄土地基

2/4/202312压缩模量

变形模量和压缩模量之间的关系变形模量

w为沉降影响系数方形压板取0.88，圆形压板取0.79；b为承压板边长（方形）或直径（圆形）；p1

为比例极限；s1为p1与对应的地基沉降。土的泊松比m=0.25～0.4，随液性指数的增大而增大。

抗剪强度指标

抗剪强度指标主要取决于土的含水量和密实程度。含水量越低，密实度越高，则其抗剪强度就越大。9.1湿陷性黄土地基

2/4/202313湿陷性黄土的渗透性

Kv＝1.6～3.0×10-6Kh＝8.0×10-7～1.0×10-6三、黄土的湿陷原因和影响因素

内因蜂窝状大孔隙结构，黄土组成物质中的水溶性盐类胶结物质

地基土浸水受湿（自重湿陷性黄土），或是由于浸水受湿和压力的共同作用（非自重湿陷性黄土）。竖向渗透系数水平渗透系数外因9.1湿陷性黄土地基

2/4/202314湿陷现象的内在过程

当黄土受水浸湿或在一定外部压力作用下受水浸湿时，结合水膜增厚并楔入颗粒之间，于是结合水联系减弱，盐类溶于水中，各种胶结物软化，结构强度降低或失效，使黄土的骨架强度降低，土体在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力共同作用下，其结构迅速破坏，大孔隙塌陷，导致黄土地基产生附加的湿陷变形。

影响黄土湿陷性的主要因素

黄土的物质组成情况黄土的物理性质作用压力黄土的微观结构9.1湿陷性黄土地基

2/4/202315湿陷系数

定义单位厚度的黄土土样在给定的工程压力作用下，受水浸湿后所产生的湿陷量，其值由室内压缩试验测定。衡量黄土是否具有湿陷性及湿陷性大小的指标是湿陷系数δs

黄土的湿陷量与所受的压力大小有关

ds=

ds≥0.015时，应定其为湿陷性黄土ds＜0.015时，应定其为非湿陷性黄土

四、湿陷性黄土地基的评价1.湿陷系数和自重湿陷系数湿陷系数ds：9.1湿陷性黄土地基

2/4/202316非自重湿陷性黄土

自重湿陷性黄土定义定义作用压力超过自重应力才发生湿陷的黄土。δzs≥0.015时，为自重湿陷性黄土。δzs＜0.015时，为非自重非湿陷性黄土。仅在自重应力（上覆土的饱和自重压力）作用下就发生湿陷的黄土被称为自重湿陷性黄土。自重湿陷系数：9.1湿陷性黄土地基

2/4/202317湿陷起始压力定义只有当压力超过某个界限值时，黄土才开始产生湿陷变形（ds≥0.015），这个界限压力值被称为湿陷起始压力Psh

确定方法室内压缩试验或野外载荷试验

双线法单线法2.湿陷起始压力双线法黄土的湿陷起始压力随着土的密度、湿度、胶结物含量以及土的埋藏深度等的增加而增加

9.1湿陷性黄土地基

2/4/202318自重湿陷量计算Δzs≤7cm时，为非自重湿陷性黄土场地Δzs＞7cm时，为自重湿陷性黄土场地δzsi为第i层土在上覆土的饱和（Sr>0.85）自重应力作用下的湿陷系数；hi为第i层土的厚度，cm；b0为因地区土质而异的修正系数。

Ds=bdsihi

δsi和hi分别为第i层土的湿陷系数和厚度（cm）；b为考虑黄土地基侧向挤出和浸水几率等因素的修正系数湿陷类型划分

依据3.建筑场地的湿陷类型和地基的湿陷等级总湿陷量：9.1湿陷性黄土地基

2/4/202319Ⅳ（很严重Ⅲ（严重）—Δs＞60Ⅲ（严重）Ⅱ或ⅢⅡ（中等）30＜Δs≤60—Ⅱ（中等)Ⅰ（轻微）Δs≤30Δzs＞357＜Δzs≤35Δzs≤7自重湿陷性场地非自重湿陷性场地

湿陷类型

计算自重总湿陷量

湿陷量湿陷性黄土地基的湿陷等级9.1湿陷性黄土地基

2/4/202320当湿陷性黄土地基的压缩变形、湿陷变形或强度指标无法满足建筑物的设计要求时为防止地基浸水湿陷危害建筑物安全或正常使用减小地基的沉降量、提高地基的承载力应考虑对软弱地层的处理以部分或全部消除建筑物地基的湿陷性并达到减小地基沉降和提高地基承载力的目的

五、湿陷性黄土地基的工程措施9.1湿陷性黄土地基

2/4/202321地基处理的方法应根据建筑物的类别湿陷性黄土的特性施工技术条件当地材料施工工期气候条件

确定具体方法有强夯化学加固预浸水深层重锤夯实土或灰土挤密桩强力深层强夯重锤表面夯实压实垫层换土垫层1.地基处理9.1湿陷性黄土地基

2/4/202322垫层法的垫层厚度B为需处理土层的底度；b为基础的宽度；z为地基处理厚度；c为考虑施工机具影响而增设的附加宽度，q

为地基压力扩散线与垂直线的夹角

湿陷性黄土产生湿陷的必备条件地基土浸水

因此做好建筑物防排水工作并考虑其在试用期间的防水措施无疑也可减少或避免地基的浸水湿陷事故

2.防水措施9.1湿陷性黄土地基

2/4/202323措施预留适应沉降的净空设置圈梁等以增强建筑物的整体刚度采用有利于抗衡不均匀沉降的基础型式（如片筏基础、交叉梁基础等）选择适宜的结构体系3.结构措施9.1湿陷性黄土地基

2/4/2023249.2膨胀土、盐渍土和冻土地基膨胀土

定义粘粒成分主要由亲水性矿物蒙脱石和伊里石组成、具有强烈的吸水膨胀和失水收缩特性的粘性土。

膨胀土地区的地面变形特征

膨胀土地区易产生边坡开裂、崩塌和滑动；土方开挖工程中遇雨易发生坑底隆起和坑壁侧胀开裂；地下洞室周围易产生高地压和洞室周边土体大变形现象；地裂缝发育，对道路、渠道等易造成危害。

膨胀土地区的建筑物变形

浅埋基础的建筑物变形特征直接反映了地基的变形。

平坦场地上建筑物的变形特征，主要反映地基土含水量改变的方向、大小和均匀性及其发生的时间和延续期。一、膨胀土地基2/4/202325影响因素膨胀土的矿物成分离子交换量微观结构粘粒含量干密度初始含水量膨胀土的特征地形地貌特征地面变形特征建筑物变形植被问题9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202326膨胀土的判别方法通过测定粘性土蒙脱石含量的对其归属加以确定的方法指标判定法综合判定法指标判定法自由膨胀率

为自由膨胀率，为试样在水中膨胀后的体积(m1)；试样原体积，试验时一般取10ml。9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202327膨胀率

deq为某荷载下的膨胀率；hw为试样在该荷载作用下浸水膨胀稳定后的高度；hp为试样在该荷载作用下压缩变形稳定后的高度；h0试样原始高度。

收缩系数

其中活性数

定义式Ip为土的塑性指数；m为土中小于2mm的微小颗粒百分含量（去掉百分号）9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202328综合判别法膨胀土的特点膨胀岩

（A）多分布在二级或二级以上阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形平缓，无明显自然陡坎；（B）常见浅层滑坡、地裂，新开挖的路堑、边坡、基槽易发生坍塌；（C）裂缝发育，方向不规则，常有光滑面和擦痕，裂缝中常充填灰白、灰绿色粘土，干时坚硬，遇水软化，自然条件下呈坚硬或硬塑状态；（D）自由膨胀率一般大于40％；（E）未经处理的建筑物成群破坏，低层较多层严重，刚性结构较柔性结构严重，建筑物开裂多发生在旱季，裂缝宽度随季节变化。（A）多见于粘土岩、页岩、泥质砂岩。伊利石含量大于20％；（B）具有膨胀土中的第(B)项至第(E)项的特征。9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202329膨胀地基土的等级划分膨胀土地基变形量当离地表1.0m出地基土的天然含水量等于或接近于最小值时，或地面有覆盖切无蒸发可能时，以及建筑物在试用期间经常有水浸湿的地基，可按膨胀变形量计算。

当离地表1.0m出地基土的天然含水量大于1.2倍塑限含水量时，或直接受高温作用的地基，可按收缩变形量计算。

其他情况下可按胀缩变形量计算。膨胀变形量

ye为计算膨胀变形量的经验系数，depi为基础底面下第i层土在该层土的平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀率，hi为第i层土的计算厚度(mm)；n为自基础底面至计算深度内所划分的土层数。9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202330收缩变形量

ys为计算收缩变形量的经验系数lsi为基础底面下第i层土的收缩系数；D

wi

为地基土收缩过程中第i层土可能发生的含水量变化的平均值；hi为第i层土的计算厚度(mm)；n为自基础底面至计算深度内所划分的土层数

胀缩变形量

y为计算胀缩变形量的经验系数9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202331（1）初步查明膨胀土的地质时代、成因和胀缩性能；（2）划分地貌单元，了解地形形态；（3）查明场地内有无浅层滑坡、地裂。冲沟和隐伏岩溶等不良地质现象；（4）调查地表水排泄积聚情况，地下水类型，多年水位和变化幅度；（5）收集当地多年气象资料(包括降水量，蒸发力、干旱持续时间、气温和地温等)，了解其变化特点；（6）调查当地建设经验，分析建筑物损坏的原因。

膨胀土地区的勘察工作、设计措施和地基处理原则工程地质调查的主要内容9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202332膨胀土地区的设计措施（1）场地内的排洪沟，截水沟和雨水明沟，其沟底均应采取防水处理，以防渗漏；（2）排洪沟，截水沟的沟边土坡，应设支挡，防止坍滑；（2）地下排水管道接口部位应采取措施防止渗漏，管道距建筑物外墙基础外缘的净距不得小于3m；（3）建筑场地平整后的坡度，在建筑物周围2.5m的范围内，不宜小于2％；（4）场地内的绿化，应根据气候条件，膨胀土等级，结合当地经验进行膨胀土地区的地基处理换土可采用非膨胀性材料或灰土、水泥土等，换土厚度可通过变形计算确定

在膨胀土中添加非膨胀材料或使膨胀土失去膨胀性的材料。在膨胀土中拌合一定量的石灰(石灰：膨胀土常为1：9或2：8)可消除填料的膨胀性。在膨胀土地基中设置石灰砂桩或石灰粉煤灰桩，也可达到消除地基土膨胀性的目的

9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202333多年冻土剖面示意图

多年冻土定义多年冻土是位于高寒地区的部分处于常年负温状态、结冰水常年不融化的土层，这是由于高寒地区地表土层的年散热量大于其吸热量，自地表向下一定深度范围内存在着负温积累

季节性冻土层过渡层多年冻土层二、冻土地基9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202334与多年冻土有关的其他概念切向冻胀力法向冻胀力水平冻胀力冻结强度冻土抗剪强度整体状构造层状构造网状构造冰夹层包裹冰冻土地温特征值地温年振幅年平均地温相对含冰量冻结界(锋)面盐渍化冻土冻结泥炭化土未冻水含量起始冻结温度季节冻结层季节融化层9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202335与厚层地下冰有关与地下水及地表水有关多年冻土在平面上的分布特征

根据融区的存在与否可分为整体多年冻土和非整体多年冻土。整体多年冻土的定义非整体多年冻土的定义多年冻土地区不良地质现象厚层地下冰热融滑坍热融沉陷冰椎冰丘多年冻土沼泽冻土区湿地9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/202336冻土物理力学性质指标包括

冻土的含水量冻土的含冰量土的导热系数土的热容量导温系数冻土的分类根据持续时间根据所含盐类根据变形特性根据冻土的融沉性与土的冻胀性注意冻土地基的勘察要点冻土地区的岩土工程设计原则与处理方法一般规定保持冻结状态的设计逐渐融化状态的设计预先融化状态的设计9.2膨胀土、盐渍土和冻土地基2/4/2023379.3软土及其工程特性

软土的概念软土的工程特性

当其天然孔隙比大于1.5时，称为淤泥当其天然孔隙比小于1.5但大于1.0称淤泥质土软土主要是指这些淤泥和淤泥质土属于中液限与高液限无机粘土含水量w＝34％～49％渗透性小属高压缩性土属于灵敏性土具有明显的流变特性具有吸附力2/4/2023389.4地基处理的目的

地基处理的目的

改善地基上部土体的工程性质，使地基能够达到和满足建筑物对地基强度、稳定性和变形的要求

软弱土指淤泥、淤泥质土、部分冲填土、杂填土或其它高压缩性土

几个概念

土的压实原理

最优含水量最大干密度压实系数复合地基

置换率

桩间土承载力折减系数确定地基处理方法步骤实施地基处理步骤2/4/2023399.5换填垫层法

换填垫层法适用于浅层软弱地基和不均匀地基的处理矩形基础附加压力值

条形基础

附加压力值

垫层厚度应满足的要求

垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求

b′≥b+2ztgθ

2/4/202340