黏性土和软土地基的岩土工程评价[详细]

1、第15章 黏性土和软土地基的岩土工程评价15.1黏性土的工程分类及其基本特征黏性土塑性指数大于10的土定名为黏性土. 黏性土再根据塑性指数分为粉质黏土和黏土.塑性指数大于10,且小于或等于17的土定名为粉质黏土,塑性指数大于17的土定名为黏土.塑性指数应由相应于76g圆锥仪沉入土中深度为10米米时测定的液限计算而得.不同沉积年代黏性土的工程地质特征一、老黏性土第四系上更新统(Q3)及其以前沉积的黏性土.一般分布于山麓、山坡、河谷高阶地或伏于现代沉积(Q4)之下.由于它沉积年代较久,因而具有较高的结构强度和较低的压缩性.其承载力标准值一般大于350kPa,压缩模量Es大于15米Pa,标准贯入击数

2、N大于15.通常,老黏性土的承载能力明显地大于具有相同物理性质指标的一般黏性土.但应注意,有些年代在Q3及其以前的沉积层由于受所处地形等其他条件的影响,其工程性质也可能较差.二、一般黏性土第四纪全新世(Q4)沉积的工程性质一般的黏性土.广泛分布于河谷各级阶地(主要在低阶地)、山前及平原地区,厚度变化视成因类型而异.多呈褐黄色或黄褐色,有时含铁锰质粒状结核,但圆度较差,亦较硫松.承载力标准值一般为120300kPa,压缩摸量Es为415米Pa,标准贯入击数N为315.三、新近沉积黏性土沉积年代较新的、即在近代文化期沉积的黏性土.多分布于湖、塘、沟、谷和河漫滩地段以及超河没滩低阶地、古河道、洪积冲

3、积锥(扇)和山前斜地的顶部.一般未经很好的压密固结作用,结构强度较小.新近沉积黏性土的物理指标与一般黏性土的指标相近,但工程性质与般黏性土有明显差别.15.2软土的生成环境与工程特性软土是指天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的细粒土.软土为在静水或缓慢流水的环境中沉积,并经生物化学作用形成的土.软土包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等.淤泥:天然含水量大于液限、且天然孔隙比大于或等于1.5(wwL、且e1.5),淤泥质土:天然含水量大于液限、且天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0(wwL、且1.5e1.0).土的有机质含量Wu:Wu5,无机土,5Wu10,有机质土,10Wu60

4、,泥炭质土,Wu60,泥炭.一、淤泥和淤泥质土的生成环境与组成成分静水或缓慢流水的环境:水流不通畅的饱和缺氧条件湖泊、沼泽、大河流的入海处的三角洲、溺谷等沉积环境.淤泥和淤泥质土的组成成分,是由其生成环境决定的.1粒度成分(塑性指数)黏粒(粒径d0.005米米)含量一般达3060,大量黏粒的存在,是使淤泥大量容水的内在因素之一.2矿物成分黏土矿物中以蒙脱石和水云母类占多数.这种矿物组成也反应了 软土的生成环境是缺氧的碱性环境,这些黏土矿物与水的作用非常强烈,比高岭石类及其他成分的黏土颗粒的吸水性更大,因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜,使得淤泥和淤泥质土的天然含水量很大.3富含大量微生物和各种

5、有机质是淤泥和淤泥质土的最大特点.大量有机质的存在,使软土具一系列特殊的性质:颗粒比重小、重度小、天然含水量大(水容量很大)、水很难排出等.这是由于有机质这种胶体颗粒的结合水膜厚度比一般黏土矿物颗粒更大的缘故.因此,土中有机质的分解程度愈高、含量愈大,则土的含水量愈大、工程性质愈差.二、淤泥和淤泥质土的结构性和状态特征淤泥和淤泥质土的结构性是指具有一定强度的粒间联结的性质.当土被扰动,破坏了 它的粒间联结,则土体强度就会剧烈降低.粒间联结的因素构成:1静电引力和分子引力作用黏粒之间的静电引力和分子引力的作用,使黏粒在水下沉积过程中相互联结成蜂窝状或絮状结构.2水胶联结作用水胶联结是黏土颗粒间水

6、分子(极性分子)在不同电荷作用下定向排列造成的.受吸附力愈大,其分子排列愈紧密,就愈具有较大的黏滞度和抗剪强度,从而形成一定强度的粒间联结.3灰质联结作用水中大量的微生物一淤泥细菌作用的结果.这类细菌可以制造CO2,CO2与土中的Ca CO3可形成Ca (H CO3) 2,到一定深度后,细菌大量死亡,则CO2减少,Ca CO3又沉淀下来,从而形成黏粒间某种程度的灰质联结.三、淤泥和淤泥质土的物理力学特性软土的主要工程特性:1天然含水量大(一般大于36%)、孔隙比大(大于1.0)、饱和度大;2渗透性差(垂直渗透系数为10-610-8厘米/s);3压缩性高且完成固结时间长;4强度低、地基承载力低;

7、5具触变性且灵敏性高;6具流变性;7在较大的地震力作用下,可能发生震陷.四、不同成因的淤泥和淤泥质土的工程地质特征我国淤泥和淤泥质土的形成和分布,基本上可以分为两大类别:第一类是属于海洋沿岸的淤积;第二类是内陆和山区河、湖盆地及山前谷地的淤积.大体上说,第一类分布较稳定,厚度较大;第二类常零星分布,沉积厚度较小.1沿海软土大致可分为四种类型:1)泻湖相沉积:温州、宁波等地区.其特征是土层比较单一,厚度大,分布范围宽阔,形成海滨平原.2)溺谷相沉积:闽江口地区.其高压缩性和低强度等特点更甚于前者,但分布范围略窄.3)滨海相沉积:天津的塘沽新港地区以及连云港等地区.其淤积厚度达60米以上,间夹粉砂

8、薄层或透镜体,整个土体呈“千层饼样的细微条带层状构造.工程性质一般较泻湖相和溺谷相者稍好,但在深水处的年轻海淤则比其他各成因类型者更差.4)三角洲相沉积:长江三角洲、珠江三角洲地区.其主要特点是海相与陆相交替沉积形成,分布宽阔,厚度比较均匀、稳定,但分选程度差,多交错的斜层理或不规则透镜体夹层.具有薄粉砂夹层或粉砂、砂质粉土透镜体,为水平渗流提供了 良好的条件.因此,比沿海其他成因类型软土的物理力学性能相对较好.2内陆平原地区软土主要有湖泊相、沼泽相、河漫滩相、牛轭湖相等.1)湖泊相、沼泽相沉积:滇池东部及其周围地区,洞庭湖、洪泽湖盆地,太湖流域的杭嘉湖地区等.其组成和构造特点是组成颗粒微细、

9、均匀,富有机质.淤泥成层较厚,不夹或很少夹砂、且往往具有厚度和大小不等的肥淤泥与泥炭夹层或透镜体.因此,其工程性质往往比一般滨海相沉积者差.2)河漫滩、牛轭湖相沉积河漫滩相沉积的工程地质特征是具有明显的二元结构.上部为粉质黏土、砂质粉土,具微层理,但比滨海相的间隔厚些;下部为粉、细砂.)牛轭湖相沉积物一般由淤泥、淤泥质黏性土及泥炭层组成,处于流动或潜流状态,工程性质与般内陆湖相相近,但其分布范围略狭,一般呈透镜状掩埋于冲积层的下部,故需慎重对待.3内陆山区软土成因主要是由于当地的泥灰岩、炭质页岩、泥砂质页岩等风化产物和地表的有机物质经水流搬运沉积于原始地形低洼处,长期饱水软化,间有微生物作用而

10、形成.分布上总的特点是,分布面积不大、厚度变化悬殊.15.3 黏性土和软土地基承载力的综合评价一、影响黏性土和软土地基承载力的因素软土的主要工程性质特点是强度低、压缩性高、排水固结过程缓慢.地基土的承载力不仅与地基的特性有关,还与基础、上部建筑和地基土之间的相互作用有关.地基土的特性随着施工程序、方法、加荷的方式变化.地基土的承载力,要考虑强度和变形两方面,既要保证地基不发生强度破坏丧失稳定性,又要保证建筑物不产生影响建筑物安全与正常使用的过大沉降或不均匀沉降.对于软土地基来说,强度与变形两者之间,起控制作用的是变形.软土地基承载力的影响因素:1、上部结构与基础的整体刚度、基础对不均匀沉降的敏

11、感性其他条件相同,上部结构连同基础的整体刚度愈大,建筑物的差异沉降就愈小,地基土的承载力可以适当地用得高一些.但应注意,上部结构与基础的刚度增大、地基承载力用高后,结构中所产生的内应力也随之增大.2、加荷方式、加荷速率及加荷的大小室内试验及现场观测均表明不同加荷方式、不同加荷速率,以及加荷的大小对软基变形均有影响.图15-8表示不同的加荷方式对沉降的影响.两者均最终加荷到125kPa,一种加荷方式是间歇地5次加荷,每加25kPa后待沉降稳定后再加下一级荷载;另一种则为连续加荷.由图可见间歇加荷的最终沉降比连续加荷的为小.而连续加荷的沉降主要集中在前期,延续时间长.图15-9为不同加荷速率室内固

12、结试验的成果.图中1加荷时间间隔为30米in;2加荷时间间隔为1h.加荷快的,其初期沉降较之加荷慢的为小,而最终沉降则比较大.加荷的大小:根据福州地区经验,当基底压力小于4070kPa时变形较小,随着压力的增大,每增大1020kPa,沉降就要增加0.51倍以上,而且变形速率较高,延续时间也长.上海地区淤泥质土当基底压力小于7080kPa时变形就较小,基底压力超过这一数值,沉降就会增大一倍甚至几倍.从理论上来分析,软土地基在加荷过程中,始终存在着剪应力与抗剪强度这一对矛盾.当地基土受荷载作用后,如加荷速率控制适当,使排水固结占主导地位,地基土的强度逐渐增长,并能适应外加荷载所产生的剪应力的增长,

13、地基的变形就小,承载力也就得到提高.反之,如加荷速率过快,由于软黏土排水固结比较缓慢,则地基土的强度的增长不适应由于外加荷载所产生不断增长的剪应力时,地基土会发生局部的塑性变形,使变形大为增加,甚至发生剪切破坏.3、土的结构扰动软土灵敏度高,土的结构遭到扰动或破坏后,强度就会急剧降低.例如江苏某大型厂房,采用箱形基础,宽63.3米,高6米,由于理深大,开挖基坑未采取措施,基坑底部因挖土卸重,地下水流动,由于长期大量抽水,施工操作时基坑底土层被践踏,加上直接在基坑边堆土,使基底软黏土受挤扰动,土的天然结构遭到严重破环,土的压缩性大大增加,以致厂房建成后沉降甚剧,大大超过了 原设计的沉降值.软土中

14、要避免深挖,深挖不可避免时,施工措施对软土的承载力有很大的影响.4、充分利用软土之上的“硬壳层”,采用浅埋基础我国软土分布地区,表层均有一层“硬壳层”,一般为可塑的中压缩性的黏性土,其力学性质较之以下的软黏土为好,因此,充分利用软土之上的“硬壳层”,采用浅埋基础,使基底与软土层的间距增加,减少软黏土的附加压力,从而减少地基的变形,可提高地基承载力.软土地区,应当查明硬壳层的分布、厚度、软土稠度状态沿深度的变化,在评价地基承载力时应结合这些具体地基条件进行综合分析.5、微地貌对软土受荷变形的影响如原始地面高低不平,近期人工整平.原来高的地方挖土后,等于预压土,而低的地方,则为新填土,见图15-1

15、2.如设计时基底附加压力均为p0.,实际上,高处的附加压力仅为p0-h2,h2为挖去的土重)低处的附加压力则为p0+h1,h1为新填土的土重),因此虽然土层分布是均匀成层的,两者的沉降却是不同的.综合以上的讨论,影响软土地基承载力的因素是复杂的,多方面的.从工程地质勘察来看,在评价软土地基承截力时要注意以下方面: (1)软土地基成层特性、软硬土层的分布规律,特别是地表的硬壳层应当仔细查明,尽管硬壳层一般厚度并不大,也不密忽视,要考虑充分发挥硬壳层的作用. (2)基础的类型、形状、大小、埋深和刚度,上部建筑的结构类型、刚度,对不均匀沉降的敏感性,以及相邻建筑的影响. (3)荷载性质、大小、加荷速

16、率对地基土的变形特性有很大影响.在对软黏土的变形规律进行深入试验研究时,对这些因素要有充分的考虑,否则会导致不正确的结论.有时还要联系到地基土早先的受荷历史来研究.(4)深开挖基坑时的施工条件的影响.二、确定黏性土和软土地基承载力的方法1、常规法按国家标准建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)以室内试验确定黏性土和软土地基的承载力标准值时,应按表15-5和表15-6查得的承载力基本值乘以回归修正系数f,见第14章14-3l.表15-7和表15-8为原地基规范(TJ7-74)给出的老黏性土和新近沉积黏性土的容许承载力R表,供参考.在我国沿海典型软土地区之一的上海地区,上海市标准地基基础设计规范D

17、BJ08-11-89所附上海市工程地质图集系在前期规范基础上根据建筑经验和沉降量估算编制的,持力层及下卧层的强度已经初步验算,规定凡符合该图系编制条件(见第14章14-3)的地基容许承载力,可按工程地点查图使用.新规范国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)中已不提供地基承载力表.2、强度公式对一般建筑物只采用临塑荷载pkp或界限附荷载p1/4公式估算地基强度,而且必须结合地区建筑经验使用,并需满足变形要求.根据上海地区的经验,一般仍用直剪仪做固结快剪,取峰值强度的70确定强度指标c,值.根据福州地区的土质条件,建筑物在施工期的下沉百分比一般较小,固结度仅为1030,故采用固结

18、快剪或不排水快剪均与实际情况不符,会得到偏高或偏低的强度指标,因此根据地区经验,用固结1h的快剪测定强度指标,用pkp计算地基强度,再乘以1.11.2的系数后与载荷试验所确定的地基承载力相接近,也比较符合工程实践经验.使用本方法确定地基承载力仍需考虑地区经验,脱离了 地区的建筑经验,就可能得出错误的评价.3、原位测试 (1)用十字板剪切试验强度cu估算软黏性土地基承载力对于0的饱和软黏性土,根据十字板剪切试验所测定的cu,按临塑荷载pkp公式应为:(15-2)参考此式,根据上海地区有关单位与载荷试验对比及使用的经验,一般用下列两式估算软黏性土的天然地基容许承载力R.(15-3a)或(15-3b

19、)应用(15-3a和3b)两式的关键,在于测得cu值的十字板剪切试验方法和所取cu计算值的选择,根据建研院与上海有关勘察单位早在上海漕河泾、闵行等地区的试验,认为按式(15-1a)提供天然地基容许承载力与载荷试验结果接近.一般经验认为,对饱和软黏性土地基,不论用2cu或3cu作为R依据,都需考虑地基变形问题.当建筑物对变形要求较严时,以用式(15-1a)为宜.而根据近年有关工程的应用经验及试验影响因素分析认为,既使用式(15-1a),对其中的cu值也累经过适当修正,才不致使计算结果偏大. (2)用静力触探ps(或qc)评定黏性土和软土地基承载力国内在这方面已积累了 大量资料,建立了 适用于一定

20、地区和土性的经验公式.现将部分经验公式列于表15-9(附部分国外资料),有关经验公式的对比情况见图15-13. (3)用标准贯入试验N值评定黏性土地基容许承载力直接利用N值判定地基容许承载力.如图17-14,图中p0为静载试验所得比例界限压力.4、用静力载荷试验确定黏性土和软土地基承载力详见第9章.15.4 软土地基工程勘察要点一、应着重查明的问题1、查明软土的成因类型和古地理环境例如,选择一个厂区跨越古湖盆地的中部,该厂区所遇淤泥层非但强度小,而且厚度往往很大,则其变形稳定性必然较差;如果厂区是处于古湖盆地的边缘地带,则其淤泥层中会夹有较粗碎屑的沉积,或间有坡积层的交替,且整个淤泥层的厚度也

21、较薄,必然使地基土体的渗水性及其相应的强度和变形特性有显著改变,给厂区建筑地基承载力的提高以有利条件.这也正如本章15-2所述,不同成因类型的淤泥和淤泥质土,以及其所处的古地理环境不同,将具有不同的分布、结构构造特征和不同的物理力学特性.另外,在内地近代河谷边缘、阶地和山间盆地的中部,特别要注意古河道和古湖沼相淤泥分布的勘察工作,因为这种情况往往不能从近代地貌上来判定.在滨海平原及河口三角洲地区,水网密布,且地下暗浜、暗塘也多,如上海地区过去有的工程就是由于没有重视该地区地基的这一特点,因而未予查清而造成工程事故的.2、查明软土的分布范围、埋藏深度、厚度及其变化情况.关于这方面的问题特别在山区

22、或某些山前地带比较突出,因为这些地带土层构造一般比较复杂,如果在地基压缩层范围内的这种软黏土层厚形不等时,即使厚度相差并不悬殊,然而由于软黏土压缩性甚大的特性,也往往产生较大的不均匀变形,而使建筑物出现裂缝.3、在山区还要特别注意查明软土层下伏基岩的坡度在山区还要特别注意查明软土层下伏基岩(或其他比较坚硬的土层)表面的坡度,以确定地基的抗滑稳定性和加剧地基不均匀沉降的可能性和程度.例如,舟山某厂主厂房地基的情况,足可说明下伏基岩起伏这一问题的重要性(图15-15).该厂房为钢筋混凝土条形基础,埋深1.65米,用砂垫层处理,砂垫层厚度2米,局部地点为1米.垫层直接放在淤泥和粉质黏土层上.地基下伏

23、基岩顶面向东、北、南方向倾斜,向北坡度约为1:2.63,向南1:51,故淤泥厚度变化大,最薄仅2.00米,最厚达6.00米.厂房建成后不久,东西两边山墙出现严重开裂,致使砖墩裂断,缝口上下叉开,则不得不拆掉重砌.整个厂房呈南北向反弯曲变形,其中锅炉房部分横向向东南倾斜,其东南角沉降最大达20.5厘米.总之,厂房地基变形与基岩坡向一致.其原因就是由于基岩起伏,淤泥层厚薄不等,当时尽管采用了 2米厚的砂垫层处理地基,仍然造成主厂房与基岩坡度一致的反弯曲变形和局部倾倒变形.其主要问题是在地基勘察时采用孔距50米,以为淤泥层比较均匀,厂房开裂后补钻才发现基岩面起伏,以及淤泥层厚度剧烈变化的情况.这个问

24、题如能在勘察中查明,则在地基基础设计中采用合适的方案,这一工程事故是完全可以避免的.4、重点查明地基持力层、下卧层条件充分重视地表“硬壳层”土的勘察工作,查明其厚度及物理力学性质变化情况.5、查明是否存在砂土或粉土夹层、透镜体注意是否有砂的夹层和透镜体等,查明它们的位置和厚度变化情况,以便考虑它们作为天然排水层,加速软黏土固结过程,提高地基强度的可能性,以及施工中可能产生流砂危害的情况,以便预先采取措施.关于流砂现象的实质和形成条件参见第16章16-5.二、对勘探、取土方法与取土器的要求 见第8章.三、现场观察描述与现场试验的重要意义软土土质松软,触变性强,对于采取这种土的土样,无论所用取土器

25、设计得多么完善,其保持原状的程度总有一定限度,并且经运回实验室以及开样切土过程,受某些人为因素的影响,又难免再受某种程度的扰动.在试验方面,如剪切试验用直剪仪与实际受力和排水条件有一定差距,并限制了 剪切面,因而也使所得c,值偏大.用三轴剪力仪比直剪试验较为接近实际情况,并可以在易于破坏的面上剪裂,但缺点是样品制各过程可能会使土的含水量和结构有所改变.因此,目前对这些室内测定的指标,有时只能根据勘察及建筑经验打折使用.但这究竞是比较间接的办法,而对于一个新的地区已有勘察和建筑经验很少时,要提供比较确切的指标,就有一定的困难.因此,已有不少单位对软土及其他易于扰动的土,不论是需用原状土的物理指标

26、(如, 等),还是力学指标都规定在现场测定.在这个对勘察工作具有方向性的改进措施方面,有些单位在取土器中采用分节试样环(详见第16章16-2),又可避免一次试验前开样切土过程的扰动,并对现场宜接测定某些物理力学指标带来很大方便.对抗剪强度和承载力指标用十字板剪力仪和静力触探能在钻孔中直接测定,可以从根本上避免取土过程对土样的扰动及土样应力状态的改变.因而所得成果更能代表软黏土的天然状况.另外,在软黏土的勘探过程对提取土样的现场观察、描述也尤为重要.有些单位对软土及其他易扰动的土类的土样定名与土质鉴定,已实行以野外观察为主(参考室内试验指标)的办法.关于这一措施和思想,特别对高灵敏度的、因而呈潜液状态的,以及含极薄层粉细砂夹层的叙土的土质鉴定和定名有决定性的意义.例如:根据这种土的室内(或现场)的液、塑限试验所确定的土的塑性指数及状态指标(液性指数),往往会与在天然状态下的实际情况有一定差距.因为液、塑限指标是用扰动土做出的,特别是不能正确反映土中细微砂夹层的影响,所以有时会出现把含有极薄层粉细砂夹层或透镜体的淤泥质黏土定名为淤泥质粉质黏土甚至粉土的问题.重视现场直接观察、描述,并与试验数据互相校验,则可及时发现问题,及时补取土样,解决问题.补充资料国家标准岩土工程勘察规范(GB500212001)中的有关规定和要求(软土的勘察要