第四章特殊土的工程地质特征课件

第八章土的工程地质特征土的划分原则与标准:

(1)土按堆积年代可划分为以下三类：老堆积土一般堆积土新近堆积土(2)根据地质成因可将土分为:残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土、风积土和海积土等。(3)根据有机质含量可将土分为:无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭(4)按颗粒级配和塑性指数可将土分为:碎石土、砂土、粉土和粘性土（5）特殊性土分为：湿陷性土、红粘土、软土、填土、多年冻土、膨胀土、盐渍土、污染土。一般土，按粒度成分相连结特征常分为巨粒土、粗粒土和细粒土三类。前两类以前统称为无粘性土，后一类称粘性土。无粘性土常按粒度和松密程度进行详细分类。粘性土常按塑性指数和稠度状态进行详细分类。一、砾类土粒径＜60~2mm的颗粒含量占50％。颗粒粗大，主要由岩石碎屑或石英、长石等原生矿物组成；呈单粒结构，孔隙大，透水性极强，压缩性很低，内摩擦角大，抗剪强度也大。典型的流水沉积的砾类土，分选较好，孔隙中充填物主要为砂粒，且数量较少，故透水性最强，压缩性最低，抗剪强度最大。基岩风化碎石和山坡堆积碎石类土或冰川堆积泥砾，产状复杂，分布不均，分选较差，充填大量砂粒、粉粒、粘粒等细小颗粒，其性质常处于砾类土和粘性土之间，透水性相对较弱，内摩擦角较小，抗剪强度较低，压缩性稍大，要注意其不均匀性。砾类土是一般建筑物的良好地基，只是在含水时，由于透水性强，开挖基坑过程中往往涌水量很大，作为坝基、渠道帮壁和底板时，也往往产生严重渗漏或潜蚀，常伴随发生帮壁坍塌，边坡失稳等现象。

二、砂类土粗粒(＞0.075mm)含量占50％以上、砾粒含量＜50％、粘粒含量极少、以砂粒为主的土称为砂类土。塑性极低或无塑性(Ip＜3)。砂粒的矿物成分以石英、长石及云母等原生残余矿物为主，粘粒含量很少。砂类土一般都没有连结，呈单粒结构，透水性强，压缩性低，且压缩过程甚快，内摩擦角较大，承载力较高。是一般建筑物的良好地基，也是良好的混凝土骨料；问题是开挖时可能严重涌水。细砂土、粉砂土的工程地质性质较差，特别是受振动时易产生液化现象，开挖时也极易随同地下水涌入基坑，形成流砂；其颗粒细小，一般不宜用作混凝土骨料。特殊土的工程地质特征第一节概述一、特殊土的概念我国幅员广大，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。——具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土称特殊性土.

黄土红粘土软土（包括淤泥和淤泥质土）冻土膨胀土盐渍土混合土填土污染土根据工程特性二、特殊土的分布在我国，特殊土都有一定分布区域：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一、淤泥类土(软土)（一）形成条件和成分结构特点淤泥类土是指在水流缓慢、不通畅、缺氧和饱水的环境中沉积，有微生物参与作用的条件下，含较多的有机质，疏松软弱的土。

第二节特殊土的工程地质特性天然孔隙比大于1,含水量大于液限.其中：孔隙比大于1.5的称为淤泥.孔隙比大于1而小于1.5的称为淤泥质土.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。软土的物质组成和结构特点：1．粒度上主要是粘粒和部分粉粒。2．含大量粘土矿物和部分石英、长石、云母；有机质含量较多（5％～15％）。3．呈灰、灰绿和灰黑等暗淡的颜色，污染手指并有臭味。4．结构常为蜂窝状、疏松多孔，定向排列明显、层理较发育，常具薄层状构造。

我国淤泥类土基本上可以分为两大类：一类是沿海沉积淤泥类土；一类是内陆和山区湖盆地及山前谷地沉积的淤泥类土。

沿海沉积的淤泥类土，分布较稳定，厚度较大，土质较疏松软弱；大致可分为四个类型：1．泻湖相沉积2．溺湖相沉积3．滨海相沉积4．三角洲相沉积分布在内陆平原区地淤泥类土主要有：（1）湖泊（2）河漫滩（3）牛轭湖

河漫滩相沉积物：一般为粘性土，有时有粉土和粉、细砂夹层，土层厚度较大，分布也较稳定。

牛轭湖相是由含有大量有机质的粘性土和粉、细砂组成的，并常有泥炭层分布，土层的工程性质较差，也较复杂。（二）工程地质性质的基本特点1、高孔隙比、饱水、天然含水率大于液限孔隙比常见值为1.0～2.0；液限一般为40％～60％;饱和度一般>90％;天然含水率多为50～70％。未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态。2、透水性极弱：一般垂直方向的渗透系数较水平方向小。3、高压缩性：a1~2一般为0.7～1.5Mpa－1，且随天然含水率的增大而增大。4、抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关不排水：三轴快剪,0º左右；直剪，2º～5º，c＝0.02Mpa；在排水条件下，抗剪强度随固结程度提高而增大，固结快剪的10º～15º，c＝0.02Mpa。5、较显著的触变性和蠕变性二、黄土

黄土在一定压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉，具有这种特性的黄土，称湿陷性黄土。1、分布与特征作为湿陷性土的典型代表——黄土，在全世界的分布比较广泛的，据某些学者估计，黄土的覆盖面积在整个欧洲约占10％，亚洲约占30％；

我国黄土分布面积达60万平方公里，其中有湿陷性的约为43万平方公里。主要分布在黄河中游的甘肃、陕西、晋、宁、河南、青海等省区。地理位置属于干旱与半干旱气候地带。其物质主要来源于沙漠与戈壁。我国湿陷性黄土的固有特征有：1）黄色、褐黄色、灰黄色；2）粒度成分以粉土颗粒（0.05～0.005mm）为主，约占60％；3）孔隙比e一般在1.0左右，或更大；4）含有较多的可溶性盐类：重碳酸盐、硫酸盐、氯化物；5）具垂直节理；6）一般具肉眼可见的大孔。黄土结构示意图分类

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

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。

黄土湿陷性的形成原因内在因素：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。

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。

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。

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。黄土结构示意图湿陷黄土的工程特征：1）塑性较弱；2）含水较少；3）压实程度很差，孔隙较大；4）抗水性弱，遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩量较明显；5）透水性较强；6）压缩中等，抗剪强度较高。

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。

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。

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。黄土湿陷性的影响因素

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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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，其特性则相反。

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。

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。4、湿陷性评价在黄土地区勘察中，湿陷性评价正确与否直接影响设计措施的采取。黄土的湿陷性计算与评价，按一般的工作次序，其内容主要有：（1）判别湿陷性与非湿陷性黄土；（2）判别自重与非自重湿陷性黄土；（3）判别湿陷性黄土场地的湿陷类型；（4）判别湿陷等级；（5）确定湿陷起始压力等。（1）湿陷性与非湿陷性黄土的判别

黄土的湿陷性试验是在室内的固结仪内进行的，其方法是：分级加荷至规定压力，当下沉稳定后，使土样浸水直至湿陷稳定为止，其湿陷系数的计算式是：式中：h0：原状土样的原始高度，cmhp：原状土样在规定压力下，下沉稳定后的高度，cmhp,：上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度，cm利用湿陷系数的值，可判定黄土是否有湿陷性:当δs<0.015时，为非湿陷性黄土δs≥0.015时，为湿陷性黄土，且该值越大，湿陷性越强烈。工程实际中还规定(一般压力为200kPa作用下)：湿陷系数为0.015～0.03时，湿陷性轻微，0.03～0.07时，湿陷性中等；>0.07时，湿陷性强烈。（2）自重与非自重湿陷性黄土的判别自重湿陷性：当某一深度处的黄土层被水浸湿后，仅在其上覆土层的饱和自重压力下产生湿陷变形的，称自重湿陷性。非自重湿陷性黄土：当某一深度处的黄土层浸水后，除上覆土的饱和自重外，尚需要一定的附加荷载（压力）才发生湿陷的，称非自重湿陷性。测定方法：也是在室内固结仪上进行，即分级加荷至上覆土层的饱和自重压力，当下沉稳定后，使土样浸水湿陷达稳定为止。自重湿陷系数的计算公式：式中：h0：土样的原始高度，cmhz：原始土样加压至上覆土的饱和自重压力时，下沉稳定后的高度，cm；hz,：上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度，cm当<0.015时，定为非自重湿陷性黄土。≥0.015时，为自重湿陷性黄土。黄土的湿陷性一般是自地表以下逐渐减弱，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，固结作用、所处的环境等条件有关。5、湿陷性黄土的改良与处理方法

重锤夯实灰土垫层土桩挤密桩基础化学加固法三、膨胀土在工程建设中，经常会遇到一种具有特殊变形性质的粘性土，它的体积随含水量的增加而膨胀，随含水量减少而收缩，并且这种作用循环可逆，具有这种膨胀和收缩性的土，即称为膨胀土。膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。（一）分布和成因膨胀土一般分布在盆地内岗，山前丘陵地带和二、三级阶地上。按其成因大体有残积－坡积、湖积、冲积－洪积和冰水沉积等四个类型，其中以残、坡积型和湖积型者胀缩性最强。从形成年代看，一般为上更新统及其以前形成的土层。从分布的气候条件看，在亚热带气候区的云南、广西等地的膨胀土与全国其他温带地区者比较，胀缩性明显强烈。（二）成分和结构特征（1）从岩性上看，以粘土为主，具有黄、红、灰、白等色，土中含有较多的粘土，粘土占总数的98%，粘土矿物多为蒙脱石、伊利石和高岭石。蒙脱石含量越多，膨胀性越强烈。（2）结构致密，呈坚硬～硬塑状态，强度较高，内聚力较大。（3）裂隙发育，竖向、斜交和水平三种均有，可见光滑镜面和擦痕。（4）富含铁、锰结核和钙质结核。（5）化学成分为SiO2(45%-66%)、Al2O3(13%-31%)、Fe2O3(3-15%)、硅铝率K＝3～5。（三）一般工程地质特征

膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：液限为40％～68％，塑限为17%～35％，塑性指数为18～33。

膨胀土的天然含水率较小，17％～30％。膨胀土的天然孔隙比小，且天然孔隙比随土体湿度的增减而变化，膨胀-变大，收缩-变小。

膨胀土的自由膨胀量一般超过40%。

膨胀土的胀缩性常为该类地基的工程地质问题。（四）膨胀土的判别

凡是具有前面所述的特征，且自由膨胀率Fs大于40％者，应判定为膨胀土。“自由膨胀率Fs”：系指人工制备的烘干土，在水中增加的体积与原体积的比，以百分率表示。3、影响膨胀土胀缩变形的主要因素1）、影响膨胀土胀缩变形的主要内在因素2）、影响膨胀土胀缩变形的主要外在因素影响膨胀土胀缩变形的主要内在因素（1）矿物成分（2）粘粒的含量（3）土的初始密度和含水量（4）土的结构强度（1）矿物成分

膨胀土主要由蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物组成。蒙脱石矿物亲水性更强，具有既易吸水又易失水的强烈活动性。伊利石亲水性比蒙脱石低，但也有较高的活动性。蒙脱石矿物吸附外来的阳离子的类型对土的胀缩性也有影响，如吸附钠离子(钠蒙脱石)就具有特别强烈的胀缩性。

（2）粘粒的含量由于粘土颗粒细小，比表面积大，有很大的表面能，对水分子和水中阳离子的吸附能力强。因此，土中粘粒含量愈多，则土的胀缩性愈强。（3）土的初始密度和含水量土的胀缩表现于土的体积变化。对于含有一定数量的蒙脱石和伊利石的粘土来说，当其在同样的天然含水量条件下浸水，天然孔隙比愈小，土的膨胀愈大，而收缩愈小。反之，孔隙比愈大，收缩愈大。在一定条件下，土的天然孔隙比(密实状态)是影响胀缩变形的一个重要因素。土中原有的含水量与土体膨胀所需的含水量相差愈大时，则遇水后土的膨胀愈大，而失水后土的收缩愈小。（4）土的结构强度结构强度愈大，土体抵制胀缩变形的能力也愈大。当土的结构受到破坏以后，土的胀缩性随之增强。影响膨胀土胀缩变形的主要外在因素（1）气候条件（2）地形地貌条件（3）日照、通风影响（4）建筑物周围的阔叶树（5）局部渗水膨胀土地基的改良方法物理改良：掺入砂、卵石、粉煤灰等。化学改良：掺入石灰、水泥等。四、红粘土

红粘土是指碳酸盐类岩石（石灰岩，白云岩，泥质灰岩等），在亚热带温湿气候条件下，经风化而成的残积、坡积或残～坡积的褐红色、棕红色或黄褐色的高塑性粘土。（一）成因和分布成因类型：残积、坡积、和残～坡积。上部为坡积，下部为残积的情况居多。主要分布：云南、贵州、广西、安徽、四川东部等。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。（二）成分和结构特征

红粘土的粘粒组分（粒径<0.005mm）含量高，一般可达55～70％，粒度较均匀，高分散性。粘土颗粒主要是多以高岭石和伊利石类粘土矿物为主。主要化学成分为：SiO2(33.5-68.9%)、Al2O3(9.6-12.7%)、Fe2O3(13.4-36.4%)、硅铝率一般均小于2。常呈蜂窝状结构，常有很多裂隙（网状裂隙）、结核和土洞。（三）工程地质性质的基本特点1、高塑性液限一般为50-80%，塑限为30～60％，塑性指数一般为20～50。2、高含水率、低密度天然含水率一般为30％～60％，饱和度>85％，密实度低，大孔隙明显，孔隙比>1.0；液性指数一般都小于0.4；坚硬和硬塑状态。3、强度较高，压缩性较低固结快剪:Φ值8º～18º，c值可达0.04～0.09MPa，多属中压缩性土或低压缩性土，压缩模量5～15MPa。

4、不具湿陷性，但收缩性明显，失水后强烈收缩，原状土体收缩率可达25％。红粘土具有这些特殊性质，是与其生成环境及其相应的组成物质有关。（1）沿深度上，随着深度的加大，红粘土的天然含水率、孔隙比、压缩系数都有较大的增高，状态由坚硬、硬塑可变为可塑、软塑，而强度则大幅度降低。（2）在水平方向上，由于地形地貌和下伏基岩起伏变化，性质变化也很大，地势较高的，由于排水条件好，天然含水率和压缩性较低，强度较高，而地势较低的则相反。

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。原因五、人工填土人工填土是一种特殊性土。它是由于人类活动任意堆填而成的土。在我国大多数古老城市的地表面，普遍覆盖一层人工杂填土堆积层。这种填土无论其物质组成，分布特征和工程性质均相当复杂，且具有地区性特点。人工填土的工程性质与天然沉积土比较起来有很大不同：1．性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性；2．物质成分异常复杂。有天然土颗粒，有砖瓦碎片和石块，以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾；3．是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，孔隙比很大。4．往往具有浸水湿陷性。

根据其成分和成因，将人工填土分为三类：1、素填土：由碎石、砂土、粘性土等组成的填土。根据孔隙比指标判定其类型。1）粘性老素填土：堆积年限在10年以上，或孔隙比≤1.10；2）非粘性老素填土：堆积年限在5年以上，或孔隙比＞1.10；3）新素填土：堆积年限少于上述年限或指标不满足上列数据的素填土。2、杂填土：含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。3、冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。含大量水，比自然沉积的饱和土强度低，压缩性高，常呈流塑状态，扰动易发生触变现象。六、盐渍土

1．形成条件地表土层易溶盐含量大于0.5%的土称为盐渍土。盐渍土，按地理分布可分为滨海盐渍土、冲积平原盐渍土和内陆盐渍土等类型。

滨海盐渍土主要是海水浸入到沿岸地区，经过蒸发，盐分残留地面而形成。

冲积平原盐渍土主要是由于河床淤积抬高或水库渠道渗漏等使沿岸地下水位升高，地下水通过毛细上升作用不断将盐分输送到地表土层，经过蒸发，盐分集聚而形成。

内陆盐渍土主要是由内陆洼地矿化潜水蒸发残留盐分形成的，或是封闭盆地中水分蒸发盐分沉积而成。

盐渍土的厚度并不很大，一般分布在地表以下2-4m，内陆盐湖区盐渍土厚度则可达数十米。土的含盐量主要是近地表处较多．向深处盐分逐渐减少，但季节变化很大。盐渍土的特点是干旱时具有较高的强度，潮湿时强度减弱、压缩