特殊土对建筑工程的影响

1、特殊土对建筑工程的影响1、前言人类的工程活动都是在一定的地质环境中进行的，两者之间有密切的关系，并且是相互影响、相互制约的。工程活动的地质条件，亦称为工程地质条件，是指各项地质因素的综合。土作为最基本的一项工程地质因素，其强度、抗变形能力、吸水性等方面的性质对工程活动能否安全顺利的进行起到至关重要的作用。在常规的土质条件下进行工程活动，需保证土体满足规范要求的含水量、强度、稳定性等各方面性能。然而对于一些特殊的土体，除了满足常规指标符合规范要求外，还需根据特殊土的性质对其进行处理，从而使其达到工程建设的标准。特殊土种类较多，主要包括软土、湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、红黏土和冻土。为了更加深入分

2、析特殊土与建筑工程之间的联系，本文选取软土、湿陷性黄土和冻土这三种特殊土作为研究对象进行分析。2、土的基本性质2.1土的形成土是由岩石经过长期的风化、搬运、沉积作用而形成的未胶结的、覆盖在地球表面的沉积物。其风化主要包括物理风化和化学风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起的各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂或岩块、岩屑的过程。该过程属于量变过程，形成的土颗粒较粗。化学风化：岩体与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。该过程属于质变过程，

3、形成的土颗粒很细。对一般土而言，经常既经历物理风化，又有化学风化，只不过哪种占优势而已。土体在冰川、河流的冲击下会发生不同类型的搬运沉积现象，从而形成了性质迥然不同的各类土。从土的堆积或沉积条件来看可以分为残积土、运积土、冲积土、风积土、冰碛土和泥沼土。表1、2分别从不同角度对其进行分类。 图1 图2残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑风积土：由风

4、力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物；没有层理、细砂或粉粒；黄土冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物；不成层、从漂石到粘粒沼泽土：在沼泽地的沉积物；含有机质、压缩性高、强度低2.2土的三相组成图3 土的组成示意图土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。固相：土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。液相：土体孔隙中的水气相：孔隙中的空气2.3土的物理性质指标土的物理性质指标可以分为两大类：一类是必须通过实验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标。另一类是根据直接指标换算的，比如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。图4 土的三相图土的

5、物理性质指标的不同组成导致了土体自身强度，稳定性的变化。3.软土对建筑工程的影响 3.1软土形成的原因追溯历史，软土是一种近代沉积物，并且拥有较长的地质年龄。岩石风化产物是软土的主要来源，因此母岩决定了软土的主要成分。从软土的有机物质含量来看，主要有两种类别：一种是含有少量有机物质的软粘土，另一种则是含有大量有机物质的泥炭土。不论哪种软土，都是在淡水或盐水等地质环境中沉积而来的，并且其特征也受到沉积环境以及水动力条件的不同而有所差异。关于软土地基的形成原因，需要根据软土的不同类型分别进行研究。软黏土主要是淤泥或者淤泥质的黏土，它主要存在于濒临水域的水运工程的浅部地层，经缓慢的流水环境或静水环境

6、进行沉积，进而形成以淤泥质土为主的混合土，这就是软黏土；填土则主要存在于港区的陆域，是人们通过人工回填方式沿江沿滩进行围垦，其中：素填土是由碎石、砂或粉土、黏性土等1种或几种构成的填土，冲填土是利用水力将治理和疏通航道时挖出的泥砂冲填到陆地或岸滩所形成的冲积土，杂填土来源于人类活动形成的成分复杂的无规则堆积物；再就是松散砂土和粉土，主要指自然沉积或者人工回填的砂质粉土、饱和粉砂土和饱和细砂土，这类土仅能够在静载作用下保持较高的强度，遇到机械振动、波动荷载以及反复作用时，将会产生较大的震陷变形，致使地基丧失承载能力。3.2软土的特性我国软土广泛分布在山谷地域、河口三角洲、滨海平原以及湖盆地周围等

7、地区，它的存在给不少的工程建设带来难题。软土主要具有具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。软土还有一个重要特征是渗透性很弱，一般在10-7cm/s数量级，相当于不透水层，因此压缩固结过程很慢。软土地基，则主要是由淤泥、冲填土、杂填土等高压缩性土层构成的地基，具有天然含水量较大，透水性较差，承载能力较低等缺陷。3.3软土对工程的主要危害软土地基对房屋建筑的危害软土地基会造成勘察设计不准确或者不详细，忽视本应该做软土地基处理的施工地段，容易造成地基失稳。概括地说，软土地基较高

8、的压缩性会使建筑物发生不均匀沉降，以致开裂和损坏。软土地基对工业与民用建筑的勘察、设计、施工等都带来一定的问题和危害，尤其是地基的抗剪强度比较低，当其抗剪强度明显低于上部结构的自重以及附加载荷时，软土地基就会表现出很强的流性，导致地基出现局部或者整体剪切破坏。这种剪切破坏往往表现为地基的较大沉降或不均匀沉降变形，影响进一步施工和使用，如果地基上部结构的自重和附加外部载荷的作用超出其最大限度，将会导致更为严重的沉陷、塌方、失稳或者建筑物基础结构的开裂破坏，甚至造成事故。尽管软土地基的天然含水量普遍大于液限，但其透水性却非常差，这就导致土体在载荷的作用下呈现出很高的孔隙水压，对地基的压密固结带来不

9、良影响。在排水不够通畅的软土地基处，积水很容易浸入地基内层结构，在地基土体的自重、外界附加荷载、以及水温变化等因素作用下，会引起地基表面产生裂缝，积水渗入裂缝后往往会导致地基表面出现凹陷、积水、颠簸等“翻浆”情况。软土地基对道路桥梁工程的危害在公路施工中作为地基时,各类型软土都共同表现出孔隙大、天然含水量高、渗透性不佳、抗剪强度低、流变性显著、分布复杂等工程特性,若处理不当常会在工程中导致路基沉降变形等问题,降低公路的稳定性和强度, 甚至可能使路基在上部、外部载荷作用下产生路面开裂、桥台损坏、桥头跳车及涵身或通道凹陷等问题,严重缩短公路的使用寿命, 威胁高速公路的行驶安全与畅通。具体分析归纳，

10、软土地基对路桥的破坏包括以下几个方面：软土路基强度及稳定性差，当软土路基的抗剪强度不足以承受路堤及路面外荷载时，路基会产生局部或整体剪切破坏，造成路堤塌方、失稳及桥台破坏。 如果施工速度过快，路堤边坡太陡或者地基承载力不足，路堤边坡会滑动变形，造成高路堤软基破坏。软土厚薄不同，容易引起横向、纵向的滑移。当软土路基收到外部荷载作用下，因其流变性显著，会产生过大的沉降变形，影响道路的正常使用。软土导致不均匀沉降，会造成路面开裂破坏，桥梁基础、涵洞等结构物与路堤衔接处差异沉降，引起桥头跳车，涵身、通道凹陷、沉降缝拉宽而漏水，路面横坡变缓、积水，从而引起路面损坏，严重时导致整个路基因失去稳定性而遭到破

11、坏，直接影响到交工后公路的使用。3.4软土地基处理方法根据对软土地基的形成原因以及主要危害的研究，人们逐渐摸索出软土地基的处理措施。在这里，对几种比较常见的软土地基处理技术进行探讨：3.4.1 反压法处理软土基地利用反压法进行软土地基处理主要是依靠反压土体的重量来改变地基的应力状态和变形条件，有效压制不均匀载荷造成的塑性变形，固结软土地基，提高反压平台下部地基的强度。采用反压技术处理软土地基时，不仅可以稳定地基，还能够起到防渗作用，同时可以有效改善排水条件相对较好的薄层软土的结构，使其具有较高的强度。反压法施工简便，材料易得，尤其适用于对变形要求不高的道路工程、水利工程等。但是，反压法需要面积

12、较大的反压平台，因此占地面积较大，不适用于农耕区等用地受限制的地区。对于该项技术，最为核心的内容是反压平台的设计，当前我们常采用圆弧滑动法进行设计计算，通过工程实践可以看到它与其他方法相比更符合实际。3.4.2换土垫层法处理软土地基换土垫层法就是用优质土来替换软土，以确保填土的稳定，减少地基的沉降量。在填土过程中，要注意应该从中心向两侧分层填充层厚约15cm的优质土，并及时压实。具体而言，换土垫层法首先要将软土地基浅层的软弱土和不良土挖除，然后分层进行重锤夯实和机械碾压，再用砂石垫层、碎石垫层、干渣垫层、煤粉灰分垫层等回填材料进行填土作业。与反压技术相比，换土垫层法能够更好地提高地基持力层的承

13、载能力，有效减少地基在负载情况下的沉降量。换土垫层法适用于处理软土地基2m3m的浅层软弱土层和低洼区域。3.4.3 粉体搅拌法处理软土地基粉体搅拌法是通过压缩空气传送水泥或石灰等具有加固特性的粉体材料，使其拌入地基土中，经物理、化学反应形成具有较高强度的粉喷桩。粉喷桩的桩身质量较好，强度相对较大，能够有效改善土壤，提高软土地基的强度。由于这种方法不需要掺入较多的固化剂，因而加固土的容重相对大于地基土的容重，如果忽略地基土的附加载荷，则可以认为地基加固后不存在附加载荷。并且，粉喷桩是干法施工，其所需水量是从地基中吸取的，因此进一步提高了地基的加固效果。3.4.4 强夯法处理软土地基顾名思义，强夯

14、法就是依靠重达百吨的重锤从数十米的高处自由下落，对软土地基进行反复夯击，强制压密土体，减小压缩特性，提高承载能力，改善地基性能。从物理学角度看，强夯法主要是将重锤的重力势能转化为强大的冲击能量，瞬间作用于软土地基，使其土体各层次的孔隙进一步被压缩，孔隙水和气体从四周的缝隙中溢出，达到压密和固结土体的作用。强夯法是一种常用的深层地基处理方法。 排水固结法对于含水量大、压缩型高、透水性差和强度低的沿海及谷底的软土地基，排水固结法则是一种有效的处理方法。排水固结法是指在地基中打入沙井或塑料排水板，然后在上部采用堆载预压或真空预压，使黏土中的水排出，从而提高土质的固结度及地基承载力。根据排水和加压系统

15、的不同排水固结法具体又可分为：堆载法、砂井法、袋装砂井法、电渗法、超载预压法、真空堆载联合预压法及真空预压法等。3.4.6 真空预压法这个方法，在港工方面采用较多，主要用于桥头路堤，在工期紧迫，为了争取时间时不失为一种应急对策，是将不透气的薄膜铺设在需要加固的软基表面的砂垫层上， 借助射流泵和埋设在垫层中的管道，将膜下土体间的空气抽出，形成真空，使土体排水而压密，从而可以在短时间内达到地基强度的设计要求。因为它可使软土路堤迅速沉降，且提高地基承载力，效果较佳，但由于造价较高，且在北方冰冻季节使用受限，所以采用时，要权衡这些边界条件；排水固结法通常适用于处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基，对于厚

16、的泥炭层也要慎重对待。4、冻土对建筑工程的影响4.1定义冻土是指0摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。多年冻土对工程建设的影响尤为显著。多年冻土上修筑工程构筑物, 由于改变了地表物理性质, 导致了辐射能量结构和地表能量平衡的变化, 引起工程结构物下部土体的冻融过程、多年冻土上限和冻土温度变化以及上限附近地下冰融化,进而影响工程结构物的稳定性. 因此, 冻土工程设计中必须预估工程活动对多年冻土的影响, 更好地采取冻融灾害防治技术措施来确保工程稳定性.4.2青藏高原上的冻土青藏铁路是世界上海拔最高

17、、线路最长的高原多年冻土铁路, 青藏铁路格尔木至拉萨段, 全长1142 km. 其中海拔4 000 m 以上的线路有960km, 经过连续多年冻土区约550 km, 岛状冻土、深季节冻土、沼泽湿地和斜坡湿地发育. 铁路如何通过高原多年冻土是青藏铁路建设最大的技术难题.青藏铁路多年冻土工程特点：青藏高原多年冻土处于中低纬度, 冻土的发育和分布有其特殊性. 在大量地质勘察和试验分析的基础上, 对青藏铁路沿线多年冻土的特点有了以下认识.( 1) 冻土地温变化复杂, 热稳定性差. 高原多年冻土的发育主要受海拔高度地带性和纬度地带性的控制. 山地与高平原相间分布的地貌特点, 以及强烈的地质构造运动形成的

18、水热活动和河流、植被等区域性因素, 对冻土的分布与性状产生直接的影响, 使高原多年冻土的分布和地温变化更加复杂。( 2) 厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大.广泛分布于湖积和坡积地层, 呈分凝形式形成厚度不等的层状冰, 富集在冻土上限以下0. 5 3. 0 m深度, 其埋深较浅, 容易受自然和人为活动的影响而发生融化, 对工程危害很大. 青藏铁路通过的厚层地下冰和高含冰量冻土地段的累积长度达230km, 占多年冻土区总长的42% ( 3) 对气候变暖反应极为敏感. 由于青藏高原海拔高、地表植被稀疏, 在全球气候转暖的背景下, 多年冻土区工程将面临更加明显的外部条件影响. 通过冻土热状况变化预测

19、模型的数值模拟, 结合青藏铁路多年冻土区冻土热状况的变化特点, 对青藏铁路沿线多年冻土的发展趋势进行了分析和预测. 合理加强冻土工程措施, 提高冻土工程的可靠性, 抵御全球气候变暖对工程稳定性的不利影响。( 4) 太阳辐射强烈, 坡向效应明显. 青藏高原海拔高、日照长, 太阳辐射强烈, 不同坡向导致路基两侧坡面吸热不均, 造成路基两侧基底下冻土上限变化的差异, 引起路基的不均匀变形而开裂, 影响路基的稳定性. 强烈的太阳幅射还造成高原地表温度很大的日较差, 频繁出现日温差正负交替的变化, 地表冻融过程相应发生, 对工程结构和混凝土的耐久性有很大影响4.3冻土危害多年冻土是各类地基土中性能最差的

20、一类, 热融与冻胀给各种工程带来严重危害, 冻土温度及未冻水含量随外界温度条件的变化和伴随冻融过程的水分迁移是导致冻土与其它地质体本质差别的根本原因。在多年冻土地区修建道路有许多特殊的工程地质问题, 其中最常遇到的是冻胀问题, 不仅路基、路面有冻胀病害, 房屋、桥涵也有冻胀病害。最突出的问题是热融沉陷, 凡是接近地表有厚层地下冰的地段, 由于设计、施工、养护不当, 无论路基、桥涵及房屋都容易因冻土热融而发生沉陷。在有厚层地下冰的斜坡上, 道路挖方极易导致土体热融, 沿融冻界面一块块向下滑移, 形成热融滑坍。在冬季, 冻结层上水由于土层冻结而承压, 可形成冰丘或冰椎。修筑路基, 如不注意冻结层上

21、水的排除, 往往易产生冰丘和冰椎危害。冻土中的冰和未冻水使得冻土的强度和变形随时间变化, 即使在很小的荷载作用下, 也可能增强冻土中应力松弛和蠕变过程, 导致在多年冻土区发生冻胀、热融沉陷、热融及冰椎等现象。此外, 多年冻层构成广泛的隔水层, 使表土层过湿, 在低地、缓坡等处大量形成沼泽, 道路通过冻土沼泽容易产生不均匀变形、纵向裂缝、冻胀翻浆、涎流冰、桥涵基础冻胀、冻拔破坏及热融沉陷等病害。4.4多年冻土区道路路基的处理方法( 1) 抛石路基。在土路堤底部填筑一定厚度块石, 上面再铺筑土层的路堤。这种多空隙的块石层路基能有效地保护冻土, 它好似散热排风扇, 冬季从路堤及地基中排除热量, 夏季

22、较少吸收热量, 起到冷却作用, 能降低地基土温度0.5摄氏度以上。( 2) 抛石护坡、护道。抛石护坡和抛石护道主要是以碎石堆砌形成缝隙, 缝隙中的空气形成对流, 以保持路基下冻土的稳定, 并阻止外界热量进入。抛石护道和抛石护坡建成后, 石块之间缝隙的空气在冬天形成循环, 使路基保持与外界同样的温度, 在夏天则成为/ 天然隔热层0, 有效阻止外来热量的进入, 使路基下多年冻土层的坚固性不会因施工而受到影响。( 3) 热棒、保温材料结构。在冻土路基的两旁插着一排排直径约15 cm、高约2 m 的铁棒, 热棒是一根密封的管, 里面充以工质( 如氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等) , 管的上端为冷凝器(

23、由散热片组成) , 下端为蒸发器。当冷凝器温度低于蒸发器的温度时, 蒸发器中的液体工质吸收热量, 蒸发成汽体工质, 在压差作用下, 蒸汽上升至冷凝端,放出汽化潜热, 再通过冷凝器散热片散出, 同时蒸汽工质遇冷冷凝成液体, 在重力作用下, 液体沿管壁回流至蒸发段, 再蒸发, 如此往复循环, 将热量传出。5、湿陷性黄土对建筑工程的影响湿陷性黄土是指在一定压力下受水浸湿, 土结构迅速破坏, 并产生显著附加下沉的黄土。它的这种特性, 会对建筑物带来不同程度的危害, 使建筑物大幅度沉降、折裂、倾斜, 严重影响其安全和使用。我国是世界上黄土分布面积最广、厚度最大、成因类型最复杂、地层层序最完整的国家。黄土

24、的分布西起青藏高原东侧的日月山，东至太行山，北以长城为界，南达秦岭，其中心地带构成著名的黄土高原。包括黄土类土在内，我国黄土分布面积达6.4 × 105 km2，其中湿陷性黄土约2.7 × 105 km2。甘肃靖远曹岘黄土剖面厚达505 m，是世界上黄土厚度最大的剖面。5.1湿陷性黄土的地质分区根据湿陷性黄土的工程地质特征，湿陷性黄土地区建筑规范（GB500252004）制订了我国湿陷性黄土工程地质分区：区陇西地区，自重湿陷性黄土分布广，湿陷性黄土厚度一般大于10m，湿陷性最为强烈；区陇东、陕北和晋西地区，自重湿陷性黄土分布广泛，湿陷性黄土厚度通常大于10 m，湿陷性较为强

25、烈；区关中地区，低阶地多为非自重湿陷性黄土，高阶地和黄土塬多属自重湿陷性黄土，湿陷性黄土厚度在渭北高原大于10 m，渭河流域两岸410 m，地基湿陷等级级，湿陷发生较迟缓；区山西、冀北地区，低阶地多为非自重湿陷性黄土，高阶地多为自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层厚度为510 m，地基湿陷等级级；区河南地区，一般为非自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层厚度在5 m 左右，土体结构密实，地基湿陷等级一般为级；区冀鲁地区，一般为非自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层厚度小于5 m ，湿陷性黄土分布不连续，地基湿陷等级一般为级；区边缘地区，一般为非自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层厚度一般小于5 m，湿陷性黄土分布不连续，地基湿

26、陷等级一般为级。5.2物理性质指标(1) 矿物成分和颗粒组成。湿陷性黄土的矿物成分以石英为主，其含量为60%70%，其次为长石和云母，约占10%20%，碳酸盐含量为10%30%，对黄土湿陷性起主要作用的是细散粘粒的矿物成分和比例。湿陷性黄土的颗粒成分以粉粒（0.0050.05 mm）为主，约占50%70%，其次为砂粒（>0.05m m ），约占1 0 % 3 0 % ，粘粒含量为8%26%。陇西和陕北地区的黄土砂粒含量高于粘粒，豫西地区的黄土砂粒含量少于粘粒，由西北向东南颗粒粒径逐渐变细，粘粒含量增多，湿陷性减弱。（2）天然容重和孔隙比。湿陷性黄土的天然容重一般为13.519.0 kN/

27、m3，干密度为1116 kN/m3 ，当干密度超过15 kN/m3 时，湿陷性基本消失。孔隙比是衡量湿陷性黄土密实度的主要指标，一般在0.91.1之间，当黄土的孔隙比小于0.9 时，湿陷性明显减弱。（3）含水量和饱和度。湿陷性黄土的天然含水量为10%20%，主要受地形、降水量和地下水位的影响，在塬、梁、峁表层的黄土含水量较低，一般在8%12%，河谷阶地较高，可达18%20%，当黄土含水量超过23% 时，湿陷性基本消失，压缩性增加。湿陷性黄土的饱和度大多为40%50%，当饱和度超过80% 时称为饱和黄土，湿陷性消失，成为高压缩性的软土。湿陷性黄土的液限一般为22%32%，塑限在12%20%之间，

28、液性指数接近于0，甚至小于0。5.3黄土湿陷机理黄土是在干旱和半干旱条件下形成的, 在干旱少雨的条件下, 由于蒸发量大, 水分不断减少, 盐类析出, 胶体凝结, 产生了加固粘聚力, 在土湿度不很大的情况下, 上覆土层不足以克服土中形成的加固粘聚力, 因而形成欠压密状态, 一旦受水浸湿, 加固粘聚力消失, 就产生湿陷。湿陷性黄土又可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，浸水后需在一定附加压力作用下才发生湿陷的黄土称为非自重湿陷性黄土；在饱和自重压力作用下即产生湿陷的称为自重湿陷性黄土，其危害性远小于自重湿陷性黄土严重。因此应对湿陷性黄土地基有可靠的鉴定和正确的认识, 并采取必要的工程措施防止或消

29、除它的湿陷性。5.4湿陷性黄土地基处理深度的基本思路对于湿陷性黄土地基处理的工程实践已有几十年，具体方法也很多，但归纳起来其基本思路不外乎以下几种：(1) 全部消除基础以下黄土层湿陷性，这对于湿陷性黄土土层厚度在15 m 以内时容易达到，其常用方法有垫层法(处理深度13 m)、强夯法(处理深度312 m)、挤密法(处理深度515 m)等。(2) 部分消除基础以下黄土层湿陷性，根据建(构)筑物的重要性及分类，限定最小处理厚度，严格控制剩余湿陷量。(3) 基础穿透湿陷性黄土层，传力于非湿陷性土层或可靠的持力层上，常用方法就是桩基。这种方法被广泛应用于比较重要的建(构)筑物的基础。(4) 充分做好建(构)筑物基础的防水、排水措施，使基础下湿陷性黄土地基无法浸水，以达到避免地基湿陷的目的。5.5常用湿陷性黄土地基处理方法湿陷变形是湿陷性黄土地基浸水所引起的一种附加变形，往往突然发生，变形速率大，且为不均匀变形，对建筑物的破坏性极大。对沉降变形有严格控制的重要结构物，应从消除地基湿陷