长安大学：《基础工程》第七章几种特殊土地基上的基础工程.doc_大学文库

第七章几种特殊土地基上的基础工程特殊土定义:由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因使一些土类具有特殊的成分、结构和工程性质。通常把这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土种类很多,大部分都具有地区特点,故又有区域性特殊土之称第一节湿陷性黄土地基、湿陷性黄土的定义和分布湿陷性黄土的定义:凡天然黄土在一定压力作用下,受水浸湿后,土的结构迅速破坏, 发生显著的湿陷变形,强度也随之降低的,称为湿陷性黄土。湿陷性黄土分为自重湿陷性和非自重湿陷性两种。黄土受水浸湿后,在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土:若在自重应力作用下不发生湿陷,而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。湿陷性黄土的分布:在我国,它占黄土地区总面积的60%以上,约为40万km2,而且又多出现在地表浅层,如晚更新世(Q3)及全新世(Q)新黄土或新堆积黄土是湿陷性黄土主要土层,主要分布在黄河中游山西、陕西、甘肃大部分地区以及河南西部,其次是宁夏、青海、河北的一部分地区,新疆、山东、辽宁等地局部也有发现。二、黄土湿陷发生的原因和影响因素黄土湿陷的原因: (一)水的浸湿:由于管道(或水池)漏水、地面积水、生产和生活用水等渗入地下, 或由于降水量较大,灌溉渠和水库的渗漏或回水使地下水位上升等原因而引起。但受水浸湿只是湿陷发生所必需的外界条件;而黄土的结构特征及其物质成分是产生湿陷性的内在原 (二)黄土的结构特征:季节性的短期雨水把松散干燥的粉粒粘聚起来,而长期的干旱使土中水分不断蒸发,于是,少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉粒的接触点处。可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物。随着含水量的减少土粒彼此靠近,颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大。这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力,阻止了土体的自重压密,于是形成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构黄土受水浸湿时,结合水膜增厚楔入颗粒之间。于是,结合水联结消失,盐类溶于水中,骨架强度随着降低,土体在上覆土层的自重应力或在附加应力与自重应力综合作用下其结构迅速破坏,土粒滑向大孔,粒间孔隙减少。这就是黄土湿陷现象的内在过程。 (三)物质成分:黄土中胶结物的多寡和成分,以及颗粒的组成和分布,对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有着重要的影响。胶结物含量大,可把骨架颗粒包围起来,则结构致密。粘粒含量多,并且均匀分布在骨架之间也起了胶结物的作用。这些情况都会使湿陷性降低并使力学性质得到改善。反之,粒径大于005mm的颗粒增多,胶结物多呈薄膜状分布, 骨架颗粒多数彼此直接接触,则结构疏松,强度降低而湿陷性增强。此外,黄土中的盐类

第七章几种特殊土地基上的基础工程特殊土定义：由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因，使一些土类具有特殊的成分、结构和工程性质。通常把这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土种类很多，大部分都具有地区特点，故又有区域性特殊土之称。第一节湿陷性黄土地基一、湿陷性黄土的定义和分布湿陷性黄土的定义：凡天然黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著的湿陷变形，强度也随之降低的，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土分为自重湿陷性和非自重湿陷性两种。黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。湿陷性黄土的分布：在我国，它占黄土地区总面积的 60%以上，约为 40 万 km2，而且又多出现在地表浅层，如晚更新世（Q3）及全新世（Q4）新黄土或新堆积黄土是湿陷性黄土主要土层，主要分布在黄河中游山西、陕西、甘肃大部分地区以及河南西部，其次是宁夏、青海、河北的一部分地区，新疆、山东、辽宁等地局部也有发现。二、黄土湿陷发生的原因和影响因素黄土湿陷的原因：（一）水的浸湿：由于管道（或水池）漏水、地面积水、生产和生活用水等渗入地下，或由于降水量较大，灌溉渠和水库的渗漏或回水使地下水位上升等原因而引起。但受水浸湿只是湿陷发生所必需的外界条件；而黄土的结构特征及其物质成分是产生湿陷性的内在原因。（二）黄土的结构特征：季节性的短期雨水把松散干燥的粉粒粘聚起来，而长期的干旱使土中水分不断蒸发，于是，少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉粒的接触点处。可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物。随着含水量的减少土粒彼此靠近，颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大。这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力，阻止了土体的自重压密，于是形成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构。黄土受水浸湿时，结合水膜增厚楔入颗粒之间。于是，结合水联结消失，盐类溶于水中，骨架强度随着降低，土体在上覆土层的自重应力或在附加应力与自重应力综合作用下，其结构迅速破坏，土粒滑向大孔，粒间孔隙减少。这就是黄土湿陷现象的内在过程。（三）物质成分：黄土中胶结物的多寡和成分，以及颗粒的组成和分布，对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有着重要的影响。胶结物含量大，可把骨架颗粒包围起来，则结构致密。粘粒含量多，并且均匀分布在骨架之间也起了胶结物的作用。这些情况都会使湿陷性降低并使力学性质得到改善。反之，粒径大于 0.05mm 的颗粒增多，胶结物多呈薄膜状分布，骨架颗粒多数彼此直接接触，则结构疏松，强度降低而湿陷性增强。此外，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,但石膏及易溶盐的含量愈大时, 湿陷性增强。此外,黄土的湿陷性还与孔隙比、含水量以及所受压力的大小有关。天然孔隙比愈大或天然含水量愈小则湿陷性愈强。在天然孔隙比和含水量不变的情况下,随着压力的增大, 黄土的湿陷量增加,但当压力超过某一数值后,再增加压力,湿陷量反而减少。三、黄土湿陷性的判定和地基的评价 (一)黄土湿陷性的判定黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数δ值来判定,湿陷系数δ为单位厚度的土层,由于浸水在规定压力下产生的湿陷量,它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度试验方法:可通过室内浸水压缩试验测定。把保持天然含水量和结构的黄土 h 土样装入侧限压缩仪内,逐级加压,达到规定试验压力,土样压缩稳定后,进行浸水,使含水量接近饱和,士样又迅速下沉,b 再次达到稳定,得到浸水后土样高度h hp h (图7-1),由式(7-1)求得土的湿陷系数 (7-1) 图7-1在压力P下浸水压缩曲线式中:ho-—土样的原始高度(m h土样在无侧向膨胀条件下在规定试验压力p的作用下,压缩稳定后的高度(m) hn—一对在压力p作用下的土样进行浸水,到达湿陷稳定后的土样高度(m) 湿陷性判定:我国《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25-90)按照国内各地经验采用 δ=0.015作为湿陷性黄土的界限值,δ≥0.015定为湿陷性黄土,否则为非湿陷性黄土。湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。一般认为δ0.07为强湿陷性黄土 (二)湿陷性黄土地基湿陷类型的划分定义:黄土受水浸湿后,在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土:若在自重应力作用下不发生湿陷,而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。划分:《湿陷性黄土地区建筑规范》用计算自重湿陷量s来划分这两种湿陷类型的地基,scm)按下式计算 B∑n

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，但石膏及易溶盐的含量愈大时，湿陷性增强。此外，黄土的湿陷性还与孔隙比、含水量以及所受压力的大小有关。天然孔隙比愈大，或天然含水量愈小则湿陷性愈强。在天然孔隙比和含水量不变的情况下，随着压力的增大，黄土的湿陷量增加，但当压力超过某一数值后，再增加压力，湿陷量反而减少。三、黄土湿陷性的判定和地基的评价（一）黄土湿陷性的判定黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数s 值来判定，湿陷系数s 为单位厚度的土层，由于浸水在规定压力下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。试验方法：s 可通过室内浸水压缩试验测定。把保持天然含水量和结构的黄土土样装入侧限压缩仪内，逐级加压，达到规定试验压力，土样压缩稳定后，进行浸水，使含水量接近饱和，土样又迅速下沉，再次达到稳定，得到浸水后土样高度 ' p h （图 7-1），由式（7-1）求得土的湿陷系数 s 0 ' h hp hp s −  = （7-1）式中：h0——土样的原始高度(m)； hp——土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力 p 的作用下，压缩稳定后的高度(m)； ' p h ——对在压力 p 作用下的土样进行浸水，到达湿陷稳定后的土样高度(m)。湿陷性判定：我国《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）按照国内各地经验采用 s=0.015 作为湿陷性黄土的界限值，s≥0.015 定为湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。一般认为s0.07 为强湿陷性黄土。（二）湿陷性黄土地基湿陷类型的划分定义：黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。划分：《湿陷性黄土地区建筑规范》用计算自重湿陷量zs 来划分这两种湿陷类型的地基，zs(cm)按下式计算 =  = n i zs zsihi 1  0  （7-2）图 7-1 在压力 P 下浸水压缩曲线

对全部湿陷性黄土层进行处理并加强结构措施;如属Ⅰ级非自重湿陷性黄土也应对全部湿陷性黄土层进行处理或加强结构措施。小桥涵及其附属工程和一般道路人工构造物视地基湿陷程度,可对全部湿陷性土层进行处理,也可消除地基的部分湿陷性或仅采取结构措施。结构措施是指结构形式尽可能采用简支梁等对不均匀沉降不敏感的结构:加大基础刚度使受力较均匀:对长度较大且体形复杂的建筑物,采用沉降缝将其分为若干独立单元按处理厚度可分为全部湿陷性黄土层处理和部分湿陷性黄土层处理,前者对于非自重湿陷性黄土地基,应自基底处理至非湿陷性土层顶面(或压缩层下限),或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度:对于自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。后者指处理基础底面以下适当深度的土层,因为该部分土层的湿陷量一般占总湿陷量的大部分。这样处理后,虽发生少部分湿陷也不致影响建筑物的安全和使用。处理厚度视建筑物类别,土的湿陷等级、厚度,基底压力大小而定,一般对非自重湿陷性黄土为1~3m,自重湿陷性黄土地基为2~5m。常用的处理湿陷性黄土地基的方法: (一)灰土或素土垫层将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖到预计深度,然后用灰土(三分石灰七分土)或素土(就地挖出的粘性土)分层夯实回填,垫层厚度及尺寸计算方法同砂砾垫层,压力扩散角 θ对灰土用3°,对素土用22°。垫层厚度一般为1.0~30m。它施工简易,效果显著,是一种常用的地基浅层湿陷性处理或部分处理的方法。 (二)重锤夯实及强夯法重锤夯实法能消除浅层的湿陷性,如用15kN~40N的重锤,落高2.5~45m,在最佳含水量情况下,可消除在1.0~1.5m深度内土层的湿陷性。强夯法根据国内使用纪录,锤重 100~200kN,自由落下高度10~20m锤击两遍,可消除4~6m范围内土层的湿陷性两种方法均应事先在现场进行夯击试验,以确定为达到预期处理效果(一定深度内湿陷性的消除情况)所必需的夯点、锤击数、夯沉量等,以指导施工,保证质量 (三)石灰土或二灰(石灰与粉煤灰)挤密桩用打入桩、神钻或爆扩等方法在土中成孔,然后用石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成(少数也有用素土),用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构,达到消除或减轻地基的湿陷性。此方法适用于消除5~10m深度内地基土的湿陷性 (四)预浸水处理自重湿陷性黄土地基利用其自重湿陷的特性,可在建筑物修筑前,先将地基充分浸水, 使其在自重作用下发生湿陷,然后再修筑除以上的地基处理方法外,对既有桥涵等建筑物地基的湿陷也可考虑采用硅化法等加固地基五、湿陷性黄土地基的容许承载力和沉降计算湿陷性黄土地基容许承敦力:可根据地基载荷试验、规范提出数据及当地经验数据确定。当地基土在水平方向物理力学性质较均匀,基础底面下5m深度内土的压缩性变化不显著时,可根据我国《公桥基规》确定其容许承载力。经灰土垫层(或素土垫层)、重锤夯实处理后地基土承载力应通过现场测试或根据当地建筑经验确定,其容许承载力一般不宜超过 250kPa(素土垫层为200kPa)。垫层下如有软弱下卧层,也需验算其强度。对各种深层挤密

对全部湿陷性黄土层进行处理并加强结构措施；如属Ⅰ级非自重湿陷性黄土也应对全部湿陷性黄土层进行处理或加强结构措施。小桥涵及其附属工程和一般道路人工构造物视地基湿陷程度，可对全部湿陷性土层进行处理，也可消除地基的部分湿陷性或仅采取结构措施。结构措施是指结构形式尽可能采用简支梁等对不均匀沉降不敏感的结构；加大基础刚度使受力较均匀；对长度较大且体形复杂的建筑物，采用沉降缝将其分为若干独立单元。按处理厚度可分为全部湿陷性黄土层处理和部分湿陷性黄土层处理，前者对于非自重湿陷性黄土地基，应自基底处理至非湿陷性土层顶面（或压缩层下限），或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度；对于自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。后者指处理基础底面以下适当深度的土层，因为该部分土层的湿陷量一般占总湿陷量的大部分。这样处理后，虽发生少部分湿陷也不致影响建筑物的安全和使用。处理厚度视建筑物类别，土的湿陷等级、厚度，基底压力大小而定，一般对非自重湿陷性黄土为 1～3m，自重湿陷性黄土地基为 2～5m。常用的处理湿陷性黄土地基的方法：（一）灰土或素土垫层将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖到预计深度，然后用灰土（三分石灰七分土）或素土（就地挖出的粘性土）分层夯实回填，垫层厚度及尺寸计算方法同砂砾垫层，压力扩散角  对灰土用 30，对素土用 22。垫层厚度一般为 1.0～3.0m。它施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层湿陷性处理或部分处理的方法。（二）重锤夯实及强夯法重锤夯实法能消除浅层的湿陷性，如用 15kN～40kN 的重锤，落高 2.5～4.5m，在最佳含水量情况下，可消除在 1.0～1.5m 深度内土层的湿陷性。强夯法根据国内使用纪录，锤重 100～200kN，自由落下高度 10～20m 锤击两遍，可消除 4～6m 范围内土层的湿陷性。两种方法均应事先在现场进行夯击试验，以确定为达到预期处理效果（一定深度内湿陷性的消除情况）所必需的夯点、锤击数、夯沉量等，以指导施工，保证质量。（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成（少数也有用素土），用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，达到消除或减轻地基的湿陷性。此方法适用于消除 5～10m 深度内地基土的湿陷性。（四）预浸水处理自重湿陷性黄土地基利用其自重湿陷的特性，可在建筑物修筑前，先将地基充分浸水，使其在自重作用下发生湿陷，然后再修筑。除以上的地基处理方法外，对既有桥涵等建筑物地基的湿陷也可考虑采用硅化法等加固地基五、湿陷性黄土地基的容许承载力和沉降计算湿陷性黄土地基容许承载力：可根据地基载荷试验、规范提出数据及当地经验数据确定。当地基土在水平方向物理力学性质较均匀，基础底面下 5m 深度内土的压缩性变化不显著时，可根据我国《公桥基规》确定其容许承载力。经灰土垫层（或素土垫层）、重锤夯实处理后地基土承载力应通过现场测试或根据当地建筑经验确定，其容许承载力一般不宜超过 250kPa（素土垫层为 200kPa）。垫层下如有软弱下卧层，也需验算其强度。对各种深层挤密

桩、强夯等处理的地基,其承载力也应作静载荷试验来确定沉降计算:应结合地基的各种具体情况进行,除考虑土层的压缩变形外,对进行消除全部湿陷性处理的地基,可不再计算湿陷量(但仍应计算下卧层的压缩变形);对进行消除部分湿陷性处理的地基,应计算地基在处理后的剩余湿陷量:对仅进行结构处理或防水处理的湿陷性黄土地基应计算其全部湿陷量。压缩沉降及湿陷量之和如超过沉降容许值时,必须采取减少沉降量、湿陷量措施。第二节膨胀土地基膨胀土的定义:按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ2-87)中的定义,膨胀土应是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性的粘性土。膨胀土的分布范围:据现有的资料,广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等 20多个省、自治区、市均有膨胀土。国外也一样,如美国,50个州中有膨胀土的占40个州此外在印度、澳大利亚、南美洲、非洲和中东广大地区,也都有不同程度的分布。目前膨胀土的工程问题,已成为世界性的研究课题膨胀土的危簪:使大量的轻型房屋发生开裂、倾斜,公路路基发生破坏,堤岸、路堑产生滑坡;在我国,据不完全统计,在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物,因地基土胀缩变形而导致损坏或破坏的有1000万m2;我国过去修建的公路一般等级较低,膨胀土引起的工程问题不太突出,所以尚未引起广泛关注。然而,近年来由于高等级公路的兴建,在膨胀土地区新建的高等级公路,也出现了严重的病害,已引起了公路交通部门的重视、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级 (一)影响膨胀土胀缩特性的主要因素内在机制:主要是指矿物成分及微观结构两方面。实验证明,膨胀土含大量的活性粘土矿物,如蒙脱石和伊利石,尤其是蒙脱石,比表面积大,在低含水量时对水有巨大的吸力, 土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大小。除了矿物成分因素外,这些矿物成分在空间上的联结状态也影响其胀缩性质。经对大量不同地点的膨胀土扫描电镜分析得知, 面一一面连接的叠聚体是膨胀土的一种普遍的结构形式,这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力外界因素:是水对膨胀土的作用,或者更确切地说,水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度和进行水分迁移的途径,才有可能引起土的膨胀或收缩。 (二)膨胀土的胀缩性指标自由膨胀率将人工制备的磨细烘干土样,经无颈漏斗注入量杯,量其体积,然后倒入盛水的量筒中,经充分吸水膨胀稳定后,再测其体积。增加的体积与原体积的比值δet称为自由膨胀 (7-4) 式中:V一千土样原有体积,即量土杯体积,ml 一土样在水中膨胀稳定后的体积,由量筒刻度量出,ml

桩、强夯等处理的地基，其承载力也应作静载荷试验来确定。沉降计算：应结合地基的各种具体情况进行，除考虑土层的压缩变形外，对进行消除全部湿陷性处理的地基，可不再计算湿陷量（但仍应计算下卧层的压缩变形）；对进行消除部分湿陷性处理的地基，应计算地基在处理后的剩余湿陷量；对仅进行结构处理或防水处理的湿陷性黄土地基应计算其全部湿陷量。压缩沉降及湿陷量之和如超过沉降容许值时，必须采取减少沉降量、湿陷量措施。第二节膨胀土地基膨胀土的定义：按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112--87）中的定义，膨胀土应是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性的粘性土。膨胀土的分布范围：据现有的资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等 20 多个省、自治区、市均有膨胀土。国外也一样，如美国，50 个州中有膨胀土的占 40 个州，此外在印度、澳大利亚、南美洲、非洲和中东广大地区，也都有不同程度的分布。目前膨胀土的工程问题，已成为世界性的研究课题。膨胀土的危害：使大量的轻型房屋发生开裂、倾斜，公路路基发生破坏，堤岸、路堑产生滑坡；在我国，据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物，因地基土胀缩变形而导致损坏或破坏的有 1000 万 m2；我国过去修建的公路一般等级较低，膨胀土引起的工程问题不太突出，所以尚未引起广泛关注。然而，近年来由于高等级公路的兴建，在膨胀土地区新建的高等级公路，也出现了严重的病害，已引起了公路交通部门的重视。一、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级（一）影响膨胀土胀缩特性的主要因素内在机制：主要是指矿物成分及微观结构两方面。实验证明，膨胀土含大量的活性粘土矿物，如蒙脱石和伊利石，尤其是蒙脱石，比表面积大，在低含水量时对水有巨大的吸力，土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大小。除了矿物成分因素外，这些矿物成分在空间上的联结状态也影响其胀缩性质。经对大量不同地点的膨胀土扫描电镜分析得知，面——面连接的叠聚体是膨胀土的一种普遍的结构形式，这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力。外界因素：是水对膨胀土的作用，或者更确切地说，水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度和进行水分迁移的途径，才有可能引起土的膨胀或收缩。（二）膨胀土的胀缩性指标 1．自由膨胀率ef 将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量杯，量其体积，然后倒入盛水的量筒中，经充分吸水膨胀稳定后，再测其体积。增加的体积与原体积的比值ef称为自由膨胀率。 o w o ef V V −V  = （7-4）式中：Vo——干土样原有体积，即量土杯体积，ml； Vw——土样在水中膨胀稳定后的体积，由量筒刻度量出，ml

2．膨胀率ep 与膨胀力 Pe 膨胀率表示原状土在侧限压缩仪中，在一定压力下，浸水膨胀稳定后，土样增加的高度与原高度之比，表示为： o w o ep h h − h  = （7-5）式中：hw——土样浸水膨胀稳定后的高度，mm； ho——土样的原始高度，mm。以各级压力下的膨胀率ep 为纵坐标，压力 p 为横坐标，将试验结果绘制成 p-ep 关系曲线，该曲线与横坐标的交点 Pe 称为试样的膨胀力，膨胀力表示原状土样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。 3．线缩率sr与收缩系数s 膨胀土失水收缩，其收缩性可用线缩率与收缩系数表示。线缩率sr是指土的竖向收缩变形与原状土样高度之比，表示为： 100% − = o o i sri h h h  （7-6）式中：ho——土样的原始高度，mm； hi——某含水量 wi 时的土样高度，mm。利用收缩曲线直线收缩段可求得收缩系数s，其定义为：原状土样在直线收缩阶段内，含水量每减少 1%时所对应的线缩率的改变值，即： w sr s   =   （7-7）式中：w——收缩过程中，直线变化阶段内，两点含水量之差，%； sr——两点含水量之差对应的竖向线缩率之差，%。（三）膨胀土的判别《膨胀土规范》中规定，凡具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率ef≥40%的土应判定为膨胀土。 1．裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。在自然条件下呈坚硬或硬塑状态； 2．多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎； 3．常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑（槽）壁易发生坍塌等； 4．建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。（四）膨胀土地基评价《膨胀土规范》规定以 50kPa 压力下测定的土的膨胀率，计算地基分级变形量，作为划分胀缩等级的标准，表 7-2 给出了膨胀土地基的胀、缩等级。膨胀土地基的胀缩等级表 7-2 地基分级变形量 se/mm 级别破坏程度

15≤se<35 35≤se<70 se≥70 注:地基分级变形量Se应按公式(7-8)计算,式中膨胀率采用的压力应为50kPa。 (五)膨胀土地基变形量计算在不同条件下可表现为3种不同的变形形态,即:上升型变形,下降型变形,和升降型变形。因此,膨胀土地基变形量计算应根据实际情况,可按下列3种情况分别计算:①当离地表1m处地基土的天然含水量等于或接近最小值时,或地面有覆盖且无蒸发可能时,以及建筑物在使用期间经常受水浸湿的地基,可按膨胀变形量计算;②当离地表1m处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 ③其它情况下可按胀、缩变形量计算。地基变形量的计算方法仍采用分层总和法。下面分别将上述3种变形量计算方法介绍地基土的膨胀变形量se se =vesen h (7-8) 式中:v——计算膨胀变形量的经验系数,宜根据当地经验确定,若无可依据经验时,3层及3层以下建筑物,可采用0.6 基础底面下第i层土在该层土的平均自重应力与平均附加应力之和作用下的膨胀率,由室内试验确定,%: h—第i层土的计算厚度,mm m一自基础底面至计算深度〓内所划分的土层数(图7-6(a),计算深度应根据大气影响深度确定:有浸水可能时,可按浸水影响深度确定。地基土的收缩变形量 ∑n△m (79) 式中:v——计算收缩变形量的经验系数,宜根据当地经验确定。若无可依据经验时,3层及3层以下建筑物,可采用0.8; A一第i层土的收缩系数,应由室内试验确定 Δw—一地基土收缩过程中,第i层土可能发生的含水量变化的平均值(以小数表示) n-一自基础底面至计算深度内所划分的土层数。计算深度可取大气影响深度,当有热源影响时,应按热源影响深度确定。在计算深度时,各土层的含水量变化值 △w;(图7-6(b))应按下式计算 (7-10) (7-11)

15≤se＜35 Ⅰ 轻微 35≤se＜70 Ⅱ 中等 se≥70 Ⅲ 严重注：地基分级变形量 Se 应按公式（7-8）计算，式中膨胀率采用的压力应为 50kPa。（五）膨胀土地基变形量计算在不同条件下可表现为 3 种不同的变形形态，即：上升型变形，下降型变形，和升降型变形。因此，膨胀土地基变形量计算应根据实际情况，可按下列 3 种情况分别计算：①当离地表 1m 处地基土的天然含水量等于或接近最小值时，或地面有覆盖且无蒸发可能时，以及建筑物在使用期间经常受水浸湿的地基，可按膨胀变形量计算；②当离地表 1m 处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； ③其它情况下可按胀、缩变形量计算。地基变形量的计算方法仍采用分层总和法。下面分别将上述 3 种变形量计算方法介绍如下： 1．地基土的膨胀变形量 se = = n i e e epihi s 1   （7-8）式中：e——计算膨胀变形量的经验系数，宜根据当地经验确定，若无可依据经验时，3 层及 3 层以下建筑物，可采用 0.6； epi——基础底面下第 i 层土在该层土的平均自重应力与平均附加应力之和作用下的膨胀率，由室内试验确定，%； hi——第 i 层土的计算厚度，mm； n——自基础底面至计算深度 zn 内所划分的土层数（图 7-6（a）），计算深度应根据大气影响深度确定；有浸水可能时，可按浸水影响深度确定。 2．地基土的收缩变形量 ss = =  n i s s si wihi s 1   （7-9）式中：s——计算收缩变形量的经验系数，宜根据当地经验确定。若无可依据经验时，3 层及 3 层以下建筑物，可采用 0.8； si——第 i 层土的收缩系数，应由室内试验确定； wi——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（以小数表示）； n——自基础底面至计算深度内所划分的土层数。计算深度可取大气影响深度，当有热源影响时，应按热源影响深度确定。在计算深度时，各土层的含水量变化值 wi（图 7-6（b））应按下式计算： 1 1 1 1 ( 0.01) − −  =  −  − n i i z z w w w （7-10） w1 = w1 −wwwp （7-11）

式中:w1,wp-—地表下1m处土的天然含水量和塑限含水量(以小数表示) 土的湿度系数 z—一第i层土的深度,m; 〓n——计算深度,可取大气影响深度,m。 3.地基土的胀缩变形量s s=v∑(6+nAm (7-12) 式中:y一计算胀缩变形量的经验系数,可取0.7。、膨胀土地基承载力膨胀土地基的承载力同一般地基土的承载力的区别:一是膨胀土在自然环境或人为因素等影响下,将产生显著的胀缩变形,二是膨胀土的强度具有显著的衰减性,地基承载力实际上是随若干因素而变动的。其中,尤其是地基膨胀土的湿度状态的变化。将明显地影响土的压缩性和承载力的改变膨胀土基本承载力有以下特点: 1.各个地区及不同成因类型膨胀土的基本承载力是不同的,而且差异性比较显著。 2.与膨胀土强度衰减关系最密切的含水量因素,同样明显地影响着地基承载力的变化。其规律是:对同一地区的同类膨胀土而言,膨胀土的含水量愈低,地基承载力愈大;相反, 膨胀土的含水量愈高,则地基承载力愈小。 3.不同地区膨胀土的基本承载力与含水量的变化关系,在不同地区无论是变化数值或变化范围都不一样综上所述,在确定膨胀土地基承载力时,应综合考虑以上诸多规律及其影响因素,通过现场膨胀土的原位测试资料,结合桥、涵地基的工作环境综合确定,在一般条件不具备的情况下,也可参考现有研究成果,初步选择合适的基本承载力,再进行必要的修正。、膨胀土地区桥涵基础工程问题及设计与施工要点 (一)膨胀土地基上的桥涵工程问题桥梁主体工程的变形损害,在膨胀土地区很少见到。然而在膨胀土地基上的桥梁附属工程,如桥台、护坡、桥的两端与填土路堤之间的结合部位等,各种工程问题存在比较普遍变形病害也较严重。桥台不均匀下沉,护坡开裂破坏,桥台与路堤之间结合带不均匀下沉等等。有的普通公路桥受地基膨胀土胀缩变形影响严重者,不仅桥台与护坡严重变形、开裂、位移,甚至桥面也遭破坏,导致整座桥梁废弃,公路行车中断涵洞因基础埋置深度较浅,自重荷载又较小,一方面直接受地基土胀缩变形影响,另方面还受洞顶回填膨胀土不均匀沉降与膨胀压力的影响,故变形破坏比较普遍二)膨胀土地基上桥涵基础工程设计与施工应釆取的措施 1.换土垫层

式中：w1,wp——地表下 1m 处土的天然含水量和塑限含水量（以小数表示）； w——土的湿度系数； zi——第 i 层土的深度，m； zn——计算深度，可取大气影响深度，m。 3．地基土的胀缩变形量 s = = +  n i epi si wi hi s 1  (  ) （7-12）式中：——计算胀缩变形量的经验系数，可取 0.7。二、膨胀土地基承载力膨胀土地基的承载力同一般地基土的承载力的区别：一是膨胀土在自然环境或人为因素等影响下，将产生显著的胀缩变形，二是膨胀土的强度具有显著的衰减性，地基承载力实际上是随若干因素而变动的。其中，尤其是地基膨胀土的湿度状态的变化。将明显地影响土的压缩性和承载力的改变。膨胀土基本承载力有以下特点： 1．各个地区及不同成因类型膨胀土的基本承载力是不同的，而且差异性比较显著。 2．与膨胀土强度衰减关系最密切的含水量因素，同样明显地影响着地基承载力的变化。其规律是：对同一地区的同类膨胀土而言，膨胀土的含水量愈低，地基承载力愈大；相反，膨胀土的含水量愈高，则地基承载力愈小。 3．不同地区膨胀土的基本承载力与含水量的变化关系，在不同地区无论是变化数值或变化范围都不一样。综上所述，在确定膨胀土地基承载力时，应综合考虑以上诸多规律及其影响因素，通过现场膨胀土的原位测试资料，结合桥、涵地基的工作环境综合确定，在一般条件不具备的情况下，也可参考现有研究成果，初步选择合适的基本承载力，再进行必要的修正。三、膨胀土地区桥涵基础工程问题及设计与施工要点（一）膨胀土地基上的桥涵工程问题桥梁主体工程的变形损害，在膨胀土地区很少见到。然而在膨胀土地基上的桥梁附属工程，如桥台、护坡、桥的两端与填土路堤之间的结合部位等，各种工程问题存在比较普遍，变形病害也较严重。桥台不均匀下沉，护坡开裂破坏，桥台与路堤之间结合带不均匀下沉等等。有的普通公路桥受地基膨胀土胀缩变形影响严重者，不仅桥台与护坡严重变形、开裂、位移，甚至桥面也遭破坏，导致整座桥梁废弃，公路行车中断。涵洞因基础埋置深度较浅，自重荷载又较小，一方面直接受地基土胀缩变形影响，另一方面还受洞顶回填膨胀土不均匀沉降与膨胀压力的影响，故变形破坏比较普遍。（二）膨胀土地基上桥涵基础工程设计与施工应采取的措施 1．换土垫层

在较强或强膨胀性土层岀露较浅的建筑场地,可采用非膨胀性的粘性土、砂石、灰土等置换膨胀土,以减少可膨胀的土层,达到减少地基胀缩变形量的目的。 2.合理选择基础埋置深度桥涵基础埋置深度应根据膨胀土地区的气候特征,大气风化作用的影响深度,并结合膨胀土的胀缩特性确定。一般情况下,基础应埋置在大气风化作用影响深度以下。当以基础埋深为主要防治措施时,基础埋深还可适当增大 3.石灰灌浆加固在膨胀土中掺入一定量的石灰能有效提高土的强度,增加土中湿度的稳定性,减少膨胀势。工程上可采用压力灌浆的办法将石灰浆液灌注入膨胀土的裂隙中起加固作用。 4.合理选用基础类型桥涵设计应合理选择有利于克服膨胀土胀缩变形的基础类型。当大气影响深度较深,膨胀土层厚,选用地基加固或墩式基础施工有困难或不经济时,可选用桩基。这种情况下,桩尖应锚固在非膨胀土层或伸入大气影响急剧层以下的土层中。具体桩基设计应满足《膨胀土规范》的要求。 5.合理选择施工方法在膨胀土地基上进行基础施工时,宜采用分段快速作业法,特别应防止基坑暴晒开裂与基坑浸水膨胀软化。因此,雨季应采取防水措施,最好在旱季施工,基坑随挖随砌基础,同时做好地表排水等。第三节冻土地区基础工程冻土的定义:温度为0℃或负温,含有冰且与土颗粒呈胶结状态的土称为冻土, 冻土的分类:根据冻土冻结延续时间可分为季节性冻土和多年冻土两大类,土层冬季冻结,夏季全部融化,冻结延续时间一般不超过一个季节,称为季节性冻土层,其下边界线称为冻深线或冻结线;土层冻结延续时间在三年或三年以上称为多年冻土。冻土的分布:季节性冻土在我国分布很广,东北、华北、西北是季节性冻结层厚0.5m 以上的主要分布地区:多年冻土主要分布在黑龙江的大小兴安岭一带、内蒙古纬度较大地区青藏高原部分地区与甘肃、新疆的高山区,其厚度从不足一米到几十米。、季节性冻土基础工程 (一)季节性冻土按冻胀性的分类土的冻胀由于侧向和下面有土体的约束,主要反映在体积向上的增量上(隆胀),季节性冻土地区建筑物的破坏很多是由于地基土冻胀造成的对季节性冻土按冻胀变形量大小结合对建筑物的危害程度分为五类,以野外冻胀观测得出的冻胀系数Kd为分类标准 Ⅰ类不冻胀土:K<1%,冻结时基本无水分迁移,冻胀变形很小,对各种浅埋基础无任何危害

在较强或强膨胀性土层出露较浅的建筑场地，可采用非膨胀性的粘性土、砂石、灰土等置换膨胀土，以减少可膨胀的土层，达到减少地基胀缩变形量的目的。 2．合理选择基础埋置深度桥涵基础埋置深度应根据膨胀土地区的气候特征，大气风化作用的影响深度，并结合膨胀土的胀缩特性确定。一般情况下，基础应埋置在大气风化作用影响深度以下。当以基础埋深为主要防治措施时，基础埋深还可适当增大。 3．石灰灌浆加固在膨胀土中掺入一定量的石灰能有效提高土的强度，增加土中湿度的稳定性，减少膨胀势。工程上可采用压力灌浆的办法将石灰浆液灌注入膨胀土的裂隙中起加固作用。 4．合理选用基础类型桥涵设计应合理选择有利于克服膨胀土胀缩变形的基础类型。当大气影响深度较深，膨胀土层厚，选用地基加固或墩式基础施工有困难或不经济时，可选用桩基。这种情况下，桩尖应锚固在非膨胀土层或伸入大气影响急剧层以下的土层中。具体桩基设计应满足《膨胀土规范》的要求。 5．合理选择施工方法在膨胀土地基上进行基础施工时，宜采用分段快速作业法，特别应防止基坑暴晒开裂与基坑浸水膨胀软化。因此，雨季应采取防水措施，最好在旱季施工，基坑随挖随砌基础，同时做好地表排水等。第三节冻土地区基础工程冻土的定义：温度为 0℃或负温，含有冰且与土颗粒呈胶结状态的土称为冻土。冻土的分类：根据冻土冻结延续时间可分为季节性冻土和多年冻土两大类，土层冬季冻结，夏季全部融化，冻结延续时间一般不超过一个季节，称为季节性冻土层，其下边界线称为冻深线或冻结线；土层冻结延续时间在三年或三年以上称为多年冻土。冻土的分布：季节性冻土在我国分布很广，东北、华北、西北是季节性冻结层厚 0.5m 以上的主要分布地区；多年冻土主要分布在黑龙江的大小兴安岭一带、内蒙古纬度较大地区，青藏高原部分地区与甘肃、新疆的高山区，其厚度从不足一米到几十米。一、季节性冻土基础工程（一）季节性冻土按冻胀性的分类土的冻胀由于侧向和下面有土体的约束，主要反映在体积向上的增量上（隆胀），季节性冻土地区建筑物的破坏很多是由于地基土冻胀造成的。对季节性冻土按冻胀变形量大小结合对建筑物的危害程度分为五类，以野外冻胀观测得出的冻胀系数 Kd 为分类标准 Ⅰ类不冻胀土：Kd＜1%，冻结时基本无水分迁移，冻胀变形很小，对各种浅埋基础无任何危害

Ⅱ类弱冻胀土：1%＜Kd≤3.5%，冻结时水分迁移很少，地表无明显冻胀隆起，对一般浅埋基础也无危害。 Ⅲ类冻胀土：3.5%＜Kd≤6%，冻结时水分有较多迁移，形成冰夹层，如建筑物自重轻、基础埋置过浅，会产生较大的冻胀变形，冻深大时会由于切向冻胀力而使基础上拔。 Ⅳ类强冻胀土，6%＜Kd≤13％，冻结时水分大量迁移，形成较厚冰夹层，冻胀严重，即使基础埋深超过冻结线，也可能由于切向冻胀力而上拔。 Ⅴ类特强冻胀土 Kd＞13％，冻胀量很大，是使桥梁基础冻胀上拔破坏的主要原因。 100% 0   = Z h Kd 式中：h——地面最大冻胀量（m）； Zo——最大冻结深度（m）。（二）考虑地基土冻胀影响桥涵基础最小理置深度的确定基底最小埋置深度 h(m)可用下式表达 t hd h = m z0 − （7-13）上部结构为超静定结构时，除Ⅰ类不冻胀土外，基底埋深应在冻结线以下不小于 0.25m。当建筑物基底设置在不冻胀土层中时，基底埋深可不考虑冻结问题。（三）刚性扩大基础及桩基础抗冻拔稳定性的验算按上述原则确定基础埋置深度后，基底法向冻胀力由于允许冻胀变形而基本消失。考虑基础侧面切向冻胀力的抗冻拔稳定性按下式计算。 N +W +QT  kT （7-14）在冻结深度较大地区，小桥涵扩大基础或桩基础的地基土为Ⅲ～Ⅴ类冻胀性土时，由于上部恒重较小，当基础较浅时常会因周围土冻胀而被上拔，使桥涵遭到破坏。基桩的入土长度往往由在冻结线以下抗冻拔需要的锚固长度控制。为了保证安全，以上计算中基础重力在冻土和暖土部分均不再考虑。（四）基础薄弱截面的强度验算当切向冻胀力较大时，应验算基桩在未（少）配筋处抗拉断的能力。 ( ) N W1 F1 P = kT − + + （7-16）式中：P——验算截面拉力（kN）； W1——验算截面以上基桩重力（kN）； F1——验算截面以上基桩在暖土部分阻力（kN）计算方法同式（7-14）中 QT。其余符号意义同前。（五）防冻胀措施目前多从减少冻胀力和改善周围冻土的冻胀性来防治冻胀。 1．基础四侧换土，采用较纯净的砂、砂砾石等粗颗粒土换填基础四周冻土，填土夯实； 2．改善基础侧表面平滑度，基础必须浇筑密实，具有平滑表面。基础侧面在冻土范围内还可用工业凡土林、渣油等涂刷以减少切向冻胀力。对桩基础也可用混凝土套管来减除切

长安大学：《基础工程》第七章 几种特殊土地基上的基础工程

长安大学：《基础工程》第七章几种特殊土地基上的基础工程