《特殊土地基》PPT课件.ppt

第9章特殊土地基 9 1概述 特殊土 由于不同的地理环境 气候条件 地质成因 历史过程 物质成分和次生变化等原因 具有与一般土明显不同的特殊性质 这些土的分布一般具有特定的范围和区域性 存在一定的规律 一般称为区域性特殊土 常见的特殊土地基种类 湿陷性黄土 软土 膨胀土 红粘土等构成的地基 冻土地基 山区地基等 1 软土地基 软土的定义 通常把抗剪强度低 压缩性高 透水性差的地基以及在动力荷载作用下易液化的地基称为软土地基 淤泥 淤泥质土 指静水或缓慢流水环境中沉积 经生物化学作用形成的粘性土 当 L e 1 5 且含有机质时称为淤泥 当1 0 e 1 5 且含有机质时称为淤泥 湿陷性黄土 非自重湿陷性黄土 自重湿陷性黄土 填土 杂填土 冲填土 多年冻土 软土的工程性质抗剪强度低 接近于零 c不超过20kPa 地基承载力低 一般不超过100kPa 透水性低 竖向渗透系数一般在10 8 10 10cm s之间 不利地基排水固结 沉降延续时间长 不均匀性 因沉积环境变化 常夹有厚薄不等的砂土层 粉砂层或粘土层 使地层在垂直和水平分布上不均匀 易产生差异沉降 高压缩性 属高压缩性土 大部分压缩变形发生在垂直压力100左右 建筑物沉降量大 对结构破坏的敏感性 软土的灵敏度较高 受挠动后土结构受破坏 土的强度有明显的下降 流变性 软土在剪应力作用下发生缓慢而长期的剪切变形 不同于排水固结 对地基沉降有较大影响 对斜坡 堤岸 码头等地基稳定不利 软土地基的承载力 沉降和稳定性计算软土地基承载力软土地区浅基础的地基承载力受变形控制 要综合考虑地基土 基础和上部结构的相互作用 理论与地区经验相结合确定地基承载力 根据极限承载力理论公式确定h 基础埋深 受水流冲刷处 由一般冲刷线算起 cu 不排水抗剪强度 2 基底以上土的重度 地下水位以下取浮重度 软土地基沉降的组成 初始沉降 采用 土力学 中介绍的弹性理论公式计算固结沉降 采用 土力学 中介绍的单向分层总和法 见第二章浅基础部分 次固结沉降 采用 土力学 中介绍的公式进行计算 p 214 软土地基的稳定性分析 可参见第二章浅基础部分 基础工程应注意的问题刚性扩大基础充分利用硬壳层的地基承载力 尽量浅埋 采用地基处理措施加固地基 减少上部结构荷载 桩基础和沉井基础打入桩的桩距适当增大 注意打桩的施工顺序 注意软土侧移对基桩的影响 地基沉降产生的桩侧负摩阻力的影响 9 3湿陷性黄土地基 黄土的特征和分布特征 干旱条件下形成的黄色粉质土 颗粒组成以粉粒为主 同时含有砂粒和粘粒 它含有大量的碳酸盐等可溶盐类 黄土的种类分布 我国黄土分布范围较广 主要在西北地区 面积约64万平方公里 湿陷性黄土占3 4 以黄河中游地区最为发育 湿陷性黄土非湿陷性黄土 自重湿陷性黄土非自重湿陷性黄土 湿陷性黄土地区建筑规范 黄土高原 湿陷性黄土的工程特征颗粒组成 属于粉质粘土或粉土 以粉土颗粒为主 粒径0 005 0 075mm 约占总重量的70 矿物成分 主要矿物成分是石英和长石 粘土颗粒的主要矿物成分为中等亲水性的伊利石 在土颗粒表面还有较多的可溶性盐成分 含水量低 空隙比大 欠压密是黄土产生湿陷的条件 我国大部分地区黄土的天然含水量一般接近塑限或更低 10 15 空隙比接近或大于1 湿陷发生的原因和影响因素黄土受水浸后发生湿陷是一个比较复杂的地质 物理 化学过程 黄土湿陷的问题 国内外做了很多研究 提出了各种解说黄土湿陷的学术理论和假定 一般比较认可的有以下几种 欠压密理论 黄土在干旱气候条件下形成 形成初期 季节性少量雨水把松散的粉粒粘聚起来 长期干旱使土中水分不断蒸发 土粒间盐类析出 胶体凝固并将相邻土颗粒胶结在一起 形成固化粘聚力 阻止土颗粒在自重作用下的压密固结 形成欠压密的状态 一旦水浸入 胶体溶化 粘聚力消失 就产生湿陷 溶盐溶解假设 黄土中存在大量可溶水溶性盐 土中水分减少 溶于水中的盐集中到粗颗粒表面聚合起来 可溶盐逐渐浓缩沉淀成为胶结物 形成以粗颗粒为主体骨架的多孔性构造 在天然状态下 胶结物的粘聚和结晶作用 其骨架被牢固地粘结 使黄土地基具有较高的强度 当受水浸入 易溶盐溶解 胶结作用消失 骨架强度降低 土体结构破坏产生湿陷 结构学说 黄土是由粗粉粒为主体骨架的多孔质结构 粗粒间分布有大的空隙及胶凝物质 其连接是在干旱或半干旱条件下形成的 在水的作用下该体系受到损害 使整个结构发生破坏 引起湿陷 综上所述 引起黄土湿陷的为两方面的因素 内因 黄土的结构特征与物质成分 外因 水的侵入与荷载的作用 影响黄土湿陷的因素 粘粒含量 黄土中粘粒含量越多 湿陷性越小 黄土中可溶性盐的含量越多 湿陷性越大 空隙比越大 含水量越小 湿陷性越大 黄土的湿陷性随压力的增大而增大 当压力增加到一定值以后 湿陷量会随压力的增大而减小 湿陷性黄土地基的评价评价黄土的湿陷性主要根据从以下三个方面进行 黄土在一定的压力作用下是否具有湿陷性 湿陷类型 自重湿陷或非自重湿陷 判断黄土地基的湿陷程度 强弱 湿陷系数 s湿陷系数 s利用室内压缩试验得到 在压缩仪中将原状土样逐级加压的规定的压力pi 待变形稳定后测得试样高度hp 然后加水浸湿 测得下沉稳定后的高度hp 按下式计算土的湿陷系数 s s 0 015 非湿陷性黄土 s 0 015 湿陷性黄土测试压力pi的规定 自基础底面算起 10m内土层取pi 200kPa 10m以下至非湿陷性土层顶 面 取上覆土层饱和自重应力 300kPa取300kPa 当基底压力大于300kPa时 宜按实际压力测定 自重湿陷系数 zs用于划分自重湿陷性和非自重湿陷性黄土 同样可以利用室内压缩试验的方法测定 测定时的压力为自天然地面算起至该土层顶面为止的上覆土层的饱和自重压力 湿陷起始压力psh湿陷起始压力psh是压力界限值 压力低于这个值 黄土浸水只是产生压缩变形 不会出现湿陷现象 该压力界限值在非自重湿陷性黄土地基设计中具有意义 如对荷载不大的基础或土垫层 设计时使基底压力或垫层底面总压力小于或等于土的湿陷起始压力psh 就可避免发生湿陷 湿陷起始压力psh的确定方法现场载荷试验方法根据现场载荷试验得到的p ss曲线 压力与浸水下沉量关系曲线 取其转折点对应的压力值作为起始压力psh 当转折点不明显时 可取浸水下沉量ss与承压板宽度b之比小于0 015 ss b 0 015 对应的压力值作为黄土的湿陷起始压力psh 室内压缩试验法根据室内压缩试验测得湿陷系数 s与压力p的关系曲线 取 s 0 015所对应的压力作为湿陷起始压力psh 在获得 s p曲线时 可以采用单线法或双线法确定 s p关系曲线 具体操作可以参考p 314说明 湿陷类型的划分计算自重湿陷量 zs建筑场地的湿陷类型 按自重湿陷量判断 现场实测自重湿陷量可利用试坑浸水试验得到 试坑边长不小于10m 并大于湿陷土层的厚度 该方法比较符合实际 但实际上限于现场条件 如水源 工期等 而较难于实施 在一般建筑物中可按计算自重湿陷量进行划分湿陷类型 式中各项的物理意义见p 314说明 一般计算深度从天然底面算起 但当挖填方量比较大时 应从设计地面算起 直至其下全部湿陷性黄土的底面为止 其中 zs 0 015的土层湿陷量不计入 湿陷类型的划分标准当实测自重湿陷量 zs或计算自重湿陷量 zs 70mm 非自重湿陷性黄土地区 当实测自重湿陷量 zs或计算自重湿陷量 zs 70mm 自重湿陷性黄土地区 黄土地基的湿陷等级黄土地基湿陷等级划分应能表达黄土湿陷对工程的危害程度 从而采取相应的措施 黄土的湿陷等级按基底下各土层累计的总湿陷量 s和计算自重湿陷量 zs按p 315表9 2进行划分 总湿陷量 s的计算公式如下 湿陷性黄土地基的工程措施湿陷性黄土地基的设计原则与一般地基相同 需要满足承载力 变形和稳定性要求 但由于具有湿陷性这一特点 要采取适当的设计与施工措施 地基处理措施 地基处理目的是破坏湿陷性黄土的大空隙结构 改善土的力学性能 消除或减小地基因偶然浸水而引起的湿陷变形 也可以采用桩基础 对于非自重湿陷性黄土场地 桩端打入压缩性比较低的非湿陷性土层中 对于自重湿陷性黄土地基 桩端打入可靠持力土层中 防水措施 湿陷性黄土地基如果能确保地基不受水浸湿 地基即使不处理 也不会发生湿陷 工程上的防水措施分为3个等级 基本防水措施 检漏防水措施和严格防水措施 基本防水措施要求在建筑布置 场地排水 地面排水 散水等方面 防止雨水或生产生活用水渗入浸湿地基 结构措施 结构措施是辅助手段 它包括使建筑物构造布置简单 加强上部构造的整体刚度 预留沉降净空等措施来减小不均匀沉降或使结构适应地基的湿陷变形 9 4膨胀土地基 膨胀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征的粘性土 膨胀土的特点膨胀土的特征分布特征 膨胀土常出现在二级或二级以上的河谷阶地 山前丘陵和盆地的边缘 所处地形平缓 无明显的天然陡坎 物理特征 天然状态下 膨胀土呈坚硬或硬塑状 有黄 红 灰白等颜色 我国膨胀土的粘粒含量一般很高 粒径小于0 002mm的胶体颗粒含量超过20 塑性指数Ip 大于17 多在22 35之间 膨胀土的天然含水量接近或略小于塑限 液性指数小于0 土的压缩性比较小 裂隙特征 土中裂隙较发育 有竖向 斜交和水平三种 距地表1 2m内 常有竖向裂隙 裂隙面呈油脂或腊状光泽 旱季时 地表出现裂隙 雨季时闭合 膨胀土的危害建筑物的破坏开裂具有地区性特点 开裂随气候变化呈反复变化的特征 以低层 轻型结构为主 因这类结构重量轻 整体性差 基础浅 易受外界的影响 房屋在垂直与水平方向都受弯曲和扭曲 容易出现对称或不对称的八字性或X字型裂缝 外纵墙基础由于地基的不均匀沉降 易受到纵向切力和侧向水平推力作用而产生位移和水平裂缝 引起边坡失稳 坡地上的建筑物容易受损 膨胀土的胀缩特性也会引起路基 桥梁基础 堤防 涵洞及上部结构的破坏 影响膨胀土胀缩变形的主要因素内因 膨胀土粘土矿物成分中含有大量蒙脱石 伊利石等亲水性粘土矿物 特别是蒙脱石含量直接决定膨胀性能的大小 土中粘粒含量越多 土的胀缩性越强 土的天然空隙越小 则膨胀越大 收缩越小 土的结构强度越大 土体限制胀缩变形的能力也越大 外因 水是引起土胀缩的外因 土中水分变化与周围环境有密切关系 雨季使土中水分增加 土体膨胀 旱季水分减小 土体收缩 地形比较高的地方 土中水分蒸发较快 地基的胀缩变化比低地要大 日照也会影响土体的胀缩程度 向阳面日照充足 胀缩程度要强于北面 膨胀土地基评价膨胀土的工程特性指标自由膨胀率 ef 将通过0 5mm筛子的烘干土浸泡于水中 经充分吸水膨胀后所增加体积与原干土体积之比定义为自由膨胀率 用百分比表示 自由膨胀率 ef是干土在无结构力及压力作用下的膨胀特性 反映了土中矿物成分 主要是蒙脱石 的含量 实际工程中 当 ef 40 可将土视为非膨胀土 相应的蒙脱石含量 7 自由膨胀率是一个重要指标 可用来初步判断是否为膨胀土 试验设备简单 操作方便 膨胀率 ep 原状土在有侧限压缩仪中 在一定的压力作用下 处于侧限条件下原状土样在浸水后 试样增加的高度与原高度之比称为膨胀率 ep 用百分比表示 工程上利用膨胀率来评价地基的胀缩等级 计算膨胀土地基的变形量以及测定膨胀力 通常土的膨胀力约为1 4 膨胀力pe 膨胀力指原状土在体积不变条件下 由于浸水膨胀产生的最大内应力 相当于膨胀率为0时所对应的压力 p 321图9 4 膨胀力范围通常在10 110kPa 膨胀力在选择基础形式及基底压力时 是个有用的指标 如果希望降低地基的膨胀变形 可通过调整基底压力接近膨胀力pe 线缩率 s 竖向线缩率是指土样竖向收缩变形量与土样原始高度之比 用百分数表示 hi 土中含水量为 i时的土样高度 收缩系数 s 根据竖向线缩率随含水量的变化 绘出收缩曲线 随土中含水减小 线缩率 s逐渐减小 在收缩过程中 线缩率变化可分成3个阶段 即收缩阶段 过渡阶段 微缩阶段 利用直线收缩段可以求得收缩系数 s 按下式计算 收缩系数通常为0 2 0 6 膨胀土地基的评价胀土的判别 具有膨胀土特征 自由膨胀率 40 的土 判断为膨胀土 膨胀土的胀缩潜势 根据自由膨胀率大小 膨胀土的膨胀潜势可以分为三类 见p 322表9 3 自由膨胀率 ef越大 膨胀潜势越强 膨胀土地基的胀缩等级 反映地基胀缩等级的是地基变形 我国膨胀土地基的评价即是将地基变形与低层砖石结构房屋安全的关系统一考虑而制定 规范规定 以50kPa压力下测定土的膨胀率 ep 计算地基分级变形量sc 作为划分地基胀缩等级的标准 见p 322表9 4 膨胀土地基的工程措施设计措施选址 地形条件比较简单 土质分布均匀 胀缩性小 建筑物 体形简单 设置沉降缝 高大建筑物可以利用基底压力大于膨胀力的方法 消除膨胀变形 排水 隔水措施 挡土墙的高度不宜大于5m 加强基础的整体刚度 采用地基处理方法 换土垫层 土性改良 深基础 施工措施 施工中尽量减小地基中含水量的变化 9 5土岩组合地基 土岩组合地基的特点地表高差大 同一基础可能部分处于挖方区 部分位于填方区 基岩埋藏浅 起伏大 覆盖土层厚度不均 会有大块孤石 石芽和局部软土等成因不同的土层 具有不良地质现象 如滑坡 崩塌 泥石流 岩溶和土洞等 汇水面大 地表水径流量大 位于斜坡的地基容易引起滑坡 土岩组合地基的工程特性下卧基岩表面坡度较大的地基 上覆土层厚薄不匀 由于承载力及压缩性的差异引起不均匀沉降 也可能引起沿岩基面的滑动而失稳 石芽密布并有出露的地基 多出现在岩溶地区 表面不平整 大块孤石地基 这类地基的变形条件对建筑物最为不利 容易造成不均匀沉降使建筑物开裂 土岩组合地基的处理结构措施 设置沉降缝 增加上部结构的刚度等 地基处理 局部深挖换填 用梁板跨越 深基础 褥填 炉渣 中砂 土夹石或粘性土等 9 6岩溶与土洞 岩溶地基岩溶指可溶性岩层长期受地下或地表水作用与侵蚀而形成的溶洞 裂隙 暗河 石林 石笋等地表及地下形态 一般称 喀斯特 地形 岩溶发育条件和规律 具有可溶性岩层 具有足够溶解能力和流量的水 地表水有下渗 地下水有流动的途径 岩溶地基稳定性评价和处理措施岩溶对于地基稳定性的影响在岩体或上部建筑物重量作用下 发生地面变形 地基塌陷 岩基起伏 地面石芽 沟槽等其间有软土分布 容易产生不均匀沉降 有较大规模的浅层岩洞 暗河 漏斗等时 当溶洞水流通道堵塞造成涌水 有可能使场地淹没 基础位于岩基面 其附近存在溶沟 落水洞等构造时 有可能使基础下岩层沿倾向上述临空面的软弱结构面产生滑动 工程措施清爆换填 适用于处理顶板不稳定的浅埋岩洞地基 爆开顶板 挖去松软填充物后进行分层回填碎石滤水层 再建造基础 对于围岩不稳定 风化裂隙破碎的岩体 可以采取注浆加固等方法 梁 板跨越 对于洞口较大或顶板破碎 洞壁完整 强度较高的岩溶 可以采用钢筋混凝土梁 板跨越 洞底支撑 对于规模较大的洞隙 可以采用洞底支撑或调整柱距等方法处理 洞底支撑可以用石砌柱或钢筋混凝土柱 水流排导 采用排水隧道 管道等方法防止水流通道堵塞 如果基础底面以下土层厚度大于3倍独立基础底宽 或大于6倍条形基础底宽 且在使用期间不具备形成土洞条件时 可以不考虑岩溶对地基稳定性的影响 土洞地基土洞是岩溶地区上覆土层在地表水或地下水作用下形成的洞穴 顶部土体塌陷会形成土坑或洼地 由于土洞埋藏浅 分布密 发育快 顶板强度低 对建筑物的安全与稳定影响比较大 工程措施采用深基础 利用桩或其他深基础将荷载传至深层稳定岩基上 处理地表和地下水 采用截流 防渗 堵漏等方法防止地表水渗入地下或使