1、特 殊 土 地 基,兰州大学 土木工程与力学学院,湿陷性黄土地基,2,概念：具有特殊工程性质的土类叫做特殊土。 成因：地理环境、气候条件、地质成因、历史过程、物质 成分、次生变化 分类：湿陷性黄土、红粘土、盐渍土、冻土和膨胀土等。 分布：地理分布存在一定规律，表现出一定的区域性，有区域性特殊土之称。,概 述,3,湿陷性黄土地基,黄土的特征和分布 黄土湿陷发生的原因和影响因素 黄土湿陷性的判定和地基的评价 湿陷性黄土地基的处理,4,黄土研究发展史,最早关于黄土的文字记载现于我国东汉时期的付侯今古注，该文献记载“元凤三年（公元前78年），天雨黄土，昼夜昏霾。”随后班固前汉书（公元前32年），郦道元
2、水经注（公元6世纪），北宋沈括梦溪笔谈（公元1050年前后）均有记载。欧洲直至18世纪到19世纪上半叶，地质学方随着资本主义工业发展对矿产资源的需求而发展起来。西方早期关于黄土的研究通常认为是从莱伊尔（1797-1875）开始，相关研究见于其所著的名著地质学原理一书（1830-1833），该书以黄土水成说为基础进行了论述，但相关文献资料为后来黄土的风成说提供了重要依据。 （刘东生等，1985）（孙建中等，2005）,5,黄土成因讨论,黄土成因问题是一个复杂问题，一百余年来，其争论可以说是时起时伏，有时甚至是十分激烈，直到现在还未得到统一的认识。据王永焱教授统计，关于黄土成因的假说可达140余种
3、。下面列出黄土成因的主要10种学说：(1)冲积说l834年莱伊尔(Ch.Lyell)提出，认为黄土由河流淤积而成。(2)冰川成因说1841年沙尔潘契(Charpentier J)首次提出。认为黄土是极细的冰川岩泥在冰川融化后沉积的。(3)海成说1857年本宁森一菲尔德(Beningsen-Forder R)首次提出。(4)风成说由菲尔莱道特(Virlet dAoust P)于1857年提出。他首先认为墨西哥高原上的黄土是由旋风搬运的粉尘组成的。而奥布鲁切夫(OopyqeB BA)18921894年在研究了中国和中亚的黄土后成为风成说最热烈的鼓吹者和捍卫者。,6,黄土成因讨论,(5)湖成说庞贝利
4、(Pumpelly R.)1864年研究中国北方黄土后提出的。(6)坡积或洪积说由弗里盖尔1868年提出。(7)风成一洪积说李希霍芬(Richthofen F.)1877年在研究了中国黄土之后，其巨著中国一书和其后的著作中详尽地论证了黄土的风成过程，但同时认为盆地周围基岩风化屑也被水流带来也参与了黄土的形成。(8)风成一冲积一洪积说由维里士(Willis)在1904-1905年提出。他研究了中国黄土后认为，从亚洲中部由风搬运来的物质经河流作用形成阶地上的砾石和黄土互层以及黄土和山麓洪积物的交替。(9)土壤说(残积说)l916年贝尔格(Bepr A.C.)提出。认为黄土可以由各种极不相同的岩石经
5、风化和成壤作用而变成，认为形成于冰期的冰川、冰水、冲积物和坡积物在间冰期经黄土化作用而成黄土。(10)宇宙说由凯尔哈克(Keilhack K)于1920年提出。根据是黄土在广大区域上的均一性，因其根据不足，很少有人赞同。但该观点所代表的天文事件对黄土层划分以及环境演变等具有重要意义。,7,黄土成因讨论,以上假说虽很多，但争论焦点都集中在水成与风成之间。我国解放前风成说占统治地位，解放后随着大规模经济建设而蓬渤兴起的黄土研究曾经在20世纪50、60年代引起了一场争论的热潮。水成说：格拉西莫夫主张坡积说，帕夫林诺夫(1959)主张洪积说，张伯声(1956)、杨杰(1958)主张冲积说；风成说：刘东
6、生(1964)、西尼村(1959)主张风成说；混合成因说：王永焱(1961)主张随地区不同、时代不同的以某种成因为主的混合成因说，王嘉荫(1959)主张华山上的黄土是风和冰川共同作用的产物。张宗祜则主张以水成为主的混合成因说(1997)。20世纪80年代以来承认风成说的人有增加的趋势，而且风成说日益向更大的深度和广度发展，研究西风环流、东南季风、西南季风、西北季风、高原季风以及经向气流的相互作用，研究青藏高原隆起及其对全球变化影响和对黄土形成的作用。但另一方面，水成说也有一些著作出版，有的还针锋相对的批判风成说。由此可见，讨黄土成因问题仍有加以分析、探讨的必要。,8,风成黄土搬运沉积原理模型,
7、风成沉积物搬运的原理模型 (Pye K.,1995),中国北方风尘运移情况示意图 （Pye &Zhou,1989）,9,我国的黄土研究,20世纪70年代中后期，随着我国科学技术领域的蓬勃发展，一些新技术、新方法引入到黄土研究中来，并且与国际上的研究交流逐步展开。这期间出现了众多关于黄土的相关专著：刘东生等所著黄土与环境(1985)，朱显谟主编的黄土高原土壤与农业(1989)，王永焱等所著中国黄土研究的新进展(1985)，中国黄土的结构特征及物理力学性质(1990)，张宗祜等所著中国的黄土 (1989)，文启忠等所著中国黄土地球化学(1989)，孙建中，赵景渡等所著黄土高原第四纪(1991)，冯
8、连昌的中国湿陷性黄土(1982)，郑晏武的中国黄土的湿陷性(1982)，钱鸿缙等的湿陷性黄土地基(1985)，翟礼生的中国湿陷性黄土区域建筑工程地质概要(1991)， 关文章的湿陷性黄土性能新篇(1991)等等。至于黄土的论文则不胜枚举，遍布于国内外各种科学技术刊物之中。,10,代表性的黄土论著,11,黄土的特征,颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色； 颗粒组成以粉粒(粒径d = 0.0750.005mm)为主，含量一般在60%以上，几乎没有粒径大于0.25mm的颗粒； 天然孔隙比较大，一般在1.0左右； 富含碳酸钙盐、硫酸盐、和氯化物等可溶盐类； 一般有肉眼可见的大孔隙； 垂直节理发育，能保
9、持直立的天然边坡。,12,黄土直立特性,1. 黄土墙（王永焱，1980）,3. 陇中黄土林（张天曾，1991）,2. 蓝田白马坡黄土柱状节理（赵景波，2005）,4. 陇中黄土峰丛（张天曾，1991）,13,黄土的分类,天然含水量黄土，未受水浸湿，一般强度较高，压缩性较小。 湿陷性黄土：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。分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两种。 自重湿陷性黄土：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。 非自重湿陷性黄土：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
10、用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。,14,世界黄土分布,黄土分布很广，面积达1300万km2，约占陆地总面积的9.3%。世界各大洲黄土覆盖面积占总面积的比例为：欧洲7%，北美5%，南美10%，亚洲3%，此外，在澳大利亚、北非也有零星分布。,世界黄土分布图,15,中国黄土分布,我国黄土分布面积63万 km2 ，占中国国土面积的6.3%左右，主要分布在北纬3347，以3445 之间最为发育，属于干旱、半干旱气候类型。,中国黄土分布图 1.陆上黄土 2.陆上埋藏黄土 3.海下埋藏黄土 4.沙漠 5.戈壁 6.滨海-陆架沙漠,16,我国湿陷性黄土分布,我国湿陷性黄土分布面积约占我国黄土分布总面积的
11、60%，27万km2 ，大部分在黄河中游地区，北起长城附近，南达秦岭，西自乌鞘岭，东至太行山，N3441，E102114间。,中国湿陷性黄土工程地质分区略图,17,黄土的地层划分,我国黄土的沉积经历了整个第四纪时期，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，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，其湿陷性愈显著。,18,老黄土及其特性,老黄土包括午城黄土和离石黄土。特性：前者色微红至棕红，而后者为深黄及棕黄。土质密实，颗粒均匀，无大孔或略具大孔结构。除离石黄土层上部要通过浸水试验确定有无湿陷性外，一般不具湿陷性，分布：常出露于
12、山西高原、豫西山前高地、渭北高原、陕甘和陇西高原。午城黄土一般位于离石黄土层下部。,19,新黄土及其特性,新黄土包括马兰黄土和全新世中各种成因的次生黄土。特性：新黄土颜色为褐黄至黄褐。马兰黄土及全新世早期黄土，土质均匀或较为均匀，结构疏松，大孔隙发育，一般具有湿陷性，主要分布在黄土地区的河岸阶地。全新世近期的新近堆积黄土，形成历史较短（几十到几百年），其土质不均，结构松散，大孔排列杂乱，多虫孔，孔壁有白色碳酸盐粉末状结晶。它在外貌和物理性质上与马兰黄土可能差别不大，但其力学性质则远逊于马兰黄土，一般有湿陷性并具有在小压力下变形很敏感的特点，呈现高压缩性，其承载力特征值一般为75-130kPa。
13、新近堆积黄土多分布于河漫滩，低级阶地，山间洼地的表层，黄土塬、梁、峁的坡脚和洪积扇或山前坡积地带。,20,黄土湿陷发生的原因和影响因素,对黄土湿陷的原因和机理的各种不同论点，可以归纳为内因和外因两个方面。内因：主要是由于土本身的物质成分（颗粒组成、矿物成分和化学成分）和其结构；外因：主要是水和压力的作用(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而引起的，或由于上覆建筑物产生的附加压力)。,21,黄土的结构,粗粉粒为主体骨架的多孔隙的黄土结构，其中零星散布着较大的砂粒。附于砂粒和粗粉粒表面的细粉粒、粘粒、腐殖质胶体以及大量集合于
14、大颗粒接触点处的各种可溶盐和水分子形成了胶结性联结，从而构成了矿物颗粒集合体。周边有几个颗粒包围着的孔隙就是肉眼可见的大孔隙。它可能是植物的根须造成的管状孔隙。,22,湿陷机理水膜楔入说,低含水量黄土在细颗粒（主要是粘粒）表面上包裹着的结合水膜一般很薄，溶解在其中的阴、阳离子的静电引力较强，将表面带负电荷的粘粒连接起来，形成一定的凝聚强度。当水进入土中时，结合水膜变厚，象楔子一样将牢固连接的颗粒分开，使土粒表面产生膨胀，体积增大，引力减弱，凝聚强度降低，因而产生湿陷。水膜楔入说能较好地解释黄土在水一进入就会立即发生湿陷这一现象；但还不足以解释各种复杂的湿陷现象的（如湿陷性强弱、自重湿陷与非自重
15、湿陷等）产生。,23,湿陷机理胶结物的影响,黄土中胶结物的多寡和成分，以及颗粒的组成和分布，对于黄土湿陷性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。,24,湿陷机理欠压密理论,黄土为干旱半干旱条件下形成。风成黄土在沉积过程中，表面受大气降水
16、影响。在干燥少雨的条件下，大气降水浸湿带的厚度小于蒸发影响带厚度，a-a线以上土层在降水期，土中含水量较高，处于最优压密条件，但土层薄、自重压力小，未能得到有效压密。a-a线与b-b线之间土层，大气降水影响不到，但蒸发过程继续进行。由于水分减少，盐类析出，胶体凝结产生了加固内聚力。虽然上覆土层压力增大，但不足以克服土中形成的加固内聚力，因而成为欠压密状态。如此循环往复，使得堆积的欠压密土层越来越厚，一旦水浸入较深，加固内聚力消失，就产生湿陷。当降水量少，干旱期长时，欠压密称度大，而且欠压密土层也较厚；反之，黄土欠压密程度就弱，形成的欠压密土层也较薄。欠压密论易于解释我国黄土为什么西北部湿陷性强
17、，东南部弱这一规律。,25,湿陷机理其他,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。,26,黄土湿陷性判定,黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数s值来判定，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P，测得土样压缩稳定后高度hp，然后进行浸水，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hp，由下式求得土的湿陷系数s：,按照国内各地经验采
18、用s=0.015作为湿陷性黄土的界限值，s0.015定为湿陷性黄土， s 0.015为非湿陷性黄土。,27,黄土湿陷性判定,湿陷系数的压力P，以采用地基中黄土实际受到的压力较为合理。但在初勘阶段，建筑物的平面位置、基础尺寸和基础埋深等尚未决定，以实际压力评定黄土的湿陷性存在不少具体问题。湿陷性黄土地区建筑规范规定：对自基础底面算起(初步勘察时，自地面下l.5m算起)的l0m内土层该压力应用200kPa；l0m以下至非湿陷性土层顶面，应用其上覆土的饱和自重压力(当大于300kPa时，仍应用300kPa)；如基底压力大于300kPa，宜按实际压力判别黄土的湿陷性。,28,湿陷性黄土地区建筑规范,2
19、9,湿陷起始压力,黄土的湿陷量是压力的函数，但事实上存在着一个压力界限值，压力低于这个数值，黄土即使浸了水也只产生压缩变形，而不会出现湿陷现象。这个界限称为湿陷起始压力Psh(kPa)，是一个有一定实用价值的指标。例如在设计非自重湿陷性黄土地基上荷载不大的基础和土垫层时，可以有意识地选择适当的基础底面尺寸及埋深、或土垫层厚度，使基底压力、或垫层底面的总压力(自重应力与附加应力之和)不超过基底下土的湿陷起始压力，以避免湿陷的可能性。研究表明，黄土的湿陷起始压力随着土的密度、湿度、胶结物含量以及土的埋藏深度等的增加而增加。,30,湿陷起始压力的测定,双线法：同一点同一深度取2样。一个在天然湿度下分
20、级加荷，另一个在天然湿度下加第一级荷重，下沉稳定后浸水，待湿陷稳定后再分级加荷。分别测定这两个试样在各级压力下稳定高度hp和hp，绘出p-hp和p-hp曲线。然后绘制p-s曲线，在p-s曲线上取s值为0.015所对应的压力作为湿陷起始压力。,单线法：同一点同一深度，取5个样。各样均分别在天然湿度上分级加荷至不同的规定压力。待下沉稳定、测定土样高度hp。后浸水，并测定湿陷稳定后的土样高度hp，绘制p-s曲线后，确定psh值的方法与双线法同。,31,湿陷性黄土地基湿陷类型的划分,自重湿陷性黄土浸水后，在其上覆土自重压力作用下，迅速发生比较强烈的湿陷，要求采取较非自重湿陷性黄土地基更有效的措施，保证
21、建筑物的安全和正常使用。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。当zs70mm时，定为非自重湿陷性黄土场地；zs70mm时，定为自重湿陷性黄土场地。zs(cm)按下式计算：,式中： zsi第i层土在上覆土的饱和(Sr0.85)自重应力作用下的湿陷系数，其测定和计算方法同s ；0土质修正系数，从各地区湿陷性黄土地基试坑浸水试验实测值与室内试验值比较得出。陇西地区取l.5，陇东陕北地区取1.2，关中地区取0.7，其他地区取0.5。,32,湿陷性黄土地基湿陷等级的判定,湿陷性黄土地基的湿陷等级，即地基土受水浸湿，发生湿陷的程度，可以用地基内各土层湿陷下沉稳定后所发生湿陷
22、量的总和（总湿陷量）来衡量，总湿陷量越大，对桥涵等建筑物的危害性越大，其设计、施工和处理措施要求也应越高。湿陷性黄土地区建筑规范对地基总湿陷量s（cm）用下式计算：,式中：式中s和hi分别为第i层土的湿陷系数和厚度。湿陷性黄土地基的湿陷等级，可根据地基总湿陷量s和计算自重湿陷量zs综合，按下表判定。,33,湿陷性黄土地基湿陷等级的判定,s是湿陷性黄土地基在规定压力作用下浸水后可能发生的湿陷变形值，设计时应按黄土地基的湿陷等级考虑相应的设计措施。在同样情况下，湿陷程度愈高，设计措施要求也愈高。,34,工程实例,35,36,湿陷性黄土地基的工程措施,湿陷性黄土地基处理的方法很多，在不同的地区，根据
23、不同的地基土质和不同的结构物，地基处理应选用不同的处理方法。在勘察阶段，经过现场取样，以试验数据进行分析，判定属于自重湿陷性黄土还是非自重湿陷性黄土，以及湿陷性黄土层的厚度、湿陷等级、类别后，通过经济分析比较，综合考虑工艺环境、工期等诸多方面的因素。最后选择一个最合适的地基处理方法，经过优化设计后，确保满足处理后的地基具有足够的承载力和变形条件的要求。,37,湿陷性黄土地基的工程措施,地基处理，目的在于破坏湿陷性黄土的大孔结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性，从根本上避免或削弱湿陷现象的发生。常用的地基处理方法有土(或灰土)垫层、重锤夯实、强夯、预浸水、化学加固(主要是硅化和碱液加固)、土(灰土)桩挤密等，也可采用将桩端进入非湿陷性土层的桩基。防水措施，不仅要放眼于整个建筑场地排水、防水问题，且要考虑到单体建筑物的防水措施，在建筑物长期使用过程中要防止地基被浸湿，同时也要做好施工阶段的排水、防水工作。结构措施，在建筑物设计中，应从地基、基础和上部结构相互作用的概念出发，采用适当的措施，增强建筑物适应或抵抗因湿陷引起的不均匀沉降的能力。这样即使地基处理或防水措施不周密而发生湿陷时，也不致造成建筑物的严重破坏，或减轻其破坏程度。,
