第六章第三节ppt课件.ppt
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1、第三节 特殊土的工程地质特性,特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构,而工程地质性质也较特殊的土。这些特殊土一般都是在一定的生成条件下形成的,或是由于所处自然环境逐渐变化形成的。本节主要叙述淤泥类土、膨胀土、黄土类土、盐渍土、冻土和人工填土。 一、淤泥类土 1形成条件和成分、结构特点 淤泥类土是指在水流缓慢的沉积环境中和有微生物参与作用的条件下沉积形成的含较多有机质,疏松软弱(天然孔隙比大于1,天然含水率大于液限)的含较多粉粒的粘性土。淤泥类土是近代未经固结的在滨海、湖泊、沼泽、河湾、,废河道等地区沉积的一种特殊土类。淤泥类土是在水流不通畅、缺氧、饱水条件下的静水盆地中形成的近代沉积物。由于形成
2、条件近似,不同成因形成的淤泥类土的性质是很相似的。物质组成和结构特点:物质组成:主要是粉质亚粘土;除部分石英、长石、云母矿物外,还含有大量粘土矿物(其中常以伊利石和蒙脱石占多数),并含有少量的水溶盐类矿物,有机质含量较多(一般含量为5一15,个别较大些)。外观:常呈灰色、灰蓝、灰绿和灰黑等暗淡的颜色,污染手指,并有臭味。结构形式:蜂窝状或海绵状,疏松多孔;被扰动后,结构,易被破坏,强度降低。淤泥类土定向排列明显,层理较发育,常具薄层状构造,常含粉砂夹层或泥炭透镜体。 按形成和分布情况,我国淤泥类土基本上可以分为两大类:一类是沿海沉积的淤泥类土;一类是内陆和山区湖盆地及山前前谷地沉积的淤泥类土。
3、一般说,前者分布较稳定,厚度较大,土质较硫松软弱;后者常零星分布,沉积厚度较小,性质变化大。我国主要不同成因类型的淤泥类土如图63所示,其工程地质指标对比,见表65(摘自软土地区工程地质勘察规范JGJ8391)。我国沿海沉积的淤泥类土,大致可分为四个类型: (1)泻湖相沉积:浙江温训、宁波等地区的淤泥类土属于这一类型。它的特征是地层比较单一,厚度大,沉积物颗粒微细、均匀,孔隙比大,强度低,分布范围宽阔,常,形成滨海平原。 (2)溺谷相沉积:福建福州闽江口地区属于这一类型。表层为耕土或人工填土,以及较薄的、较致密的粘土或亚粘土;以下为厚几米至十多米的高压缩性和低强度的淤泥类土;其下基岩或一般十层
4、起伏变化较大。但淤泥类土分布范围较窄。,(3)滨海相沉积:天津塘沽新港和江苏连云港等地区淤泥类土属这种类型。表层为数米厚的河褐黄色亚粘土,以下为厚层(数十米)的淤泥类土,常夹粉砂薄层或透镜体。这种粉砂夹层是由粘土和粉砂交错形成的,呈细微条带状构造。这种有夹层的淤泥类土较前两类沉积物的工程地质性质稍好。但在较深水处沉积的,特别是年代较新的淤泥类土,其工程地质性质很差。 (4)三角洲相沉积:长江三角洲、珠江三角洲等地区淤泥类土属于此类型。其特点是海相与陆相交替沉积。总体来说,软土层分布宽阔,厚度比较稳定、均匀,由于受海流与波浪的破坏,分选程度较差,多交错斜层理或不规则的透镜体夹层。比起前面三种类型
5、的淤泥类土,这种淤泥类土的性质较好。,内陆平原区的淤泥类土主要有湖泊、河漫滩和牛轭湖相等类型: (1)湖相沉积:滇池东部、洞庭湖、洪泽湖、太湖等地区淤泥类土属于此类。其特点是颗粒微细均匀,富含有机质,淤泥成层较厚,不夹或很少夹砂层,但往往有厚度不等的泥炭夹层或透镜体。厚度各处不一,一般厚一二十米,其中所夹泥炭的性质很差。 (2)河漫滩相沉积:长江、松花江中、下游河谷附近,淤泥类土常夹于上层粘性土之中,常为袋状或透镜体,产状、厚度、性质变化大,般厚度小于l0m,下层常为砂层。由于淤泥类土是局部淤积的,其成分、厚度、性质变化较大,会造成地基的不均一性。 (3)牛轭湖相沉积:土的性质与湖相沉积相近,
6、但分布,范围较窄,常有泥炭夹层,一般呈透镜体掩埋于冲积层之下,需慎重对待。 在我国广大山区沉积有“山地型”淤泥类土。它主要是由于当地的泥灰岩、各种页岩和泥岩的风化产物和地面的有机物质,经水流搬运沉积在原始地形低洼处长期泡水软化,间有微生物的作用而形成的,以坡洪积、湖积和冲积三种类型为主,其特点是分布而积不大,厚度变化悬殊,多分布在冲沟、谷地、河流阶地和各种洼地中。2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。我国淤泥类土孔隙比的常见值为1.0一2.0,个别者达2.4,液限一段为40一60,饱和度一般都超过95,天然含水率,多为50一70或更大。由于有一些连结,在未受扰动时
7、,土常处于软塑状态;但一经扰动,结构破坏,土就处于流动状态。 (2)透水性极弱,一般渗透系数为i105一108cms。由于常夹有极薄层的粉砂、细砂层,故垂直方向的渗透系数较水平方向要小些。 (3)高压缩性,压缩系数a12一般为0.7一1.5MPa-1,且随天然含水率的增大(也即孔隙的增大)而增大。这是由于淤泥类土的结构疏松,矿物亲水性强,透水性弱,排水不易,沉积年代晚,故压密程度很差。表观变形量大而不均匀,变形稳定历时长。 (4)抗剪强度低,且与加荷速度和排水固结条件有关。,在不排水条件下进行三轴快剪试验时,角接近于零,直剪试验,一般只有2一5,C值一般小于0.02MPa。在排水条件下,抗剪强
8、度随固结程度增加而增大,固结快剪的值可达10一15,C值在0.02MPa左右。因此,要提高淤泥类土的强度,必须控制加荷的速度。 (5)具较显著的触变性和蠕变性,强震下易震陷。我国的淤泥类土常属于中灵敏性,有的属高灵敏性。因此,淤泥类土在取样、施工和作为地基使用过程中,应尽量避免扰动,或采取一定的措施。同时,必须考虑长期作用的影响,其长期强度往往还不足标准强度的一半。某些淤泥类土动强度很低,在较大的震动力作用下易出现震陷,例如,厚度大于3m的淤泥在度地震裂度时可能被震陷150mm左右。,习惯上还将天然含水率大于液限,孔隙比大于1.5(相当于天然含水率大于55)的淤泥类土称为“淤泥”,即典型的淤泥
9、类土,其压缩性很高,强度低,灵敏度较大;而将天然含水率大于液限,孔隙比为1.0一1.5(相当于天然含水率为36一55)的淤泥类土称为“淤泥质土”。它的特性介于典型淤泥和一般粘性土之间,其形成条件和成分与典型淤泥相近;但压密程度较好,含水率较低,故强度略高。 决定淤泥类土性质的根本因素是它的成分和结构。有机质或粘粒含量众多,土的亲水性愈强,压缩性就愈高;但更重要的是,与结构有关的孔隙比的大小,孔隙比愈大,天然含水率愈多,故压缩性就愈高,强度愈低,灵敏度愈大,性质就愈恶劣。,淤泥类土的强度主要取决于内聚力。它与含水率和孔隙比,也即稠度和密实状态有关。由于抗剪强度很低,沉降量大或不均匀沉降明显,实质
10、上,承载力取决于压缩性,主要是考虑变形不应超过某个限度。 在工程实践中,将天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水率大于液限的细粒土称为软土,包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等,其压缩系数大于0.5MPa1,不排水抗剪强度小于30kPa。二、膨胀土 1分布和成因类型 一种具特殊变形性质,体积随含水率的增加而膨胀,随含水率的减少而收缩。具有明显的膨胀性和收缩性的,土,称为膨胀性土(简称膨胀土)。 膨胀土在我国分布较广,云南、广西、贵州、湖北、河北、河南、山东、山西、四川、陕西、安徽等十多个省(自治区)均不同程度地分布省膨胀土;其中,尤以云南、广西、贵州、湖北、河南等省分布较多而有代表性。 膨胀土
11、一般分布在盆地内垅岗、山前丘陵地带和二、三级阶地上,大多数是上更新世Q3及以前的残坡积、冲积、洪积物,也有晚第三纪至第四纪的湖相沉积及其风化层;个别分布在全新世Q4冲积一级阶地上。国外有些膨胀土属于冰湖沉积或海相沉积。 2成分和结构特征外观:膨胀土一般呈红、黄、褐、灰白等不同颜色,具班状结构。常含有铁锰质或钙质结核(这与淋滤沉淀有关)。,土体常具有网状开裂,有蜡状光泽的挤压面,类似劈理。土层表层常出现各种纵横交错的裂隙和龟裂现象,这与失水土体强烈收缩有关。这些裂隙破坏了土体的完整性和强度,常形成软弱的结构面,使土体丧失稳定性。 膨胀土所以具有胀缩特性,主要是因土中含有较多的粘粒,一般粘粒含量高
12、达35以上;更主要的是这些粘粒大部分为亲水性很强的蒙脱石和水云母等粘土矿物,膨胀收缩能力较强;易溶盐、中溶盐、有机质含量一般均较低,常见碳酸钙或铁锰质结核。 天然状态下,膨胀土一般致密坚硬,孔隙比一般0.8,但某些残坡积红粘土型却可达1.0以上。膨胀土物质成分一般在水平方向比较均一,但裂隙、微层理或隐层理却较发育。,3一般工程地质性质 膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大液限为40一68,塑限为17一35,塑性指数为1833。膨胀土的饱和度一般较大,常在80以上,但天然含水率较小大部分为17一30,一般在20左右所以土常处于硬塑或坚硬状态,强度较高,内聚力较大,内摩擦角普遍较高,压缩性一般中等偏
13、低,故常被简单认为是很好的地基。但在水量增加或结构扰动时、其力学性质向不良方向转化较明显。 4膨胀土的判别和胀缩性分级 根据膨胀土地区建筑技术规定GBJlll87的规定,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。,具有下列工程地质特征的地区,且自由膨胀率大于或等于40的土,应判定为膨胀土:裂隙发育,常有光滑面和擦痕,有的裂隙中充填着灰白、灰绿色钻土,在自然条件下呈坚硬或硬塑状态;多出露于二级或一级以上阶地及山前和盆地边缘丘陵地带,地形平缓,无明显自然陡坎;常见浅层塑性滑坡、地裂,新开控坑(槽)壁易发生坍塌等;建筑物裂缝随气候变化而张开相闭
14、合。膨胀土的膨胀潜势可按表G8分为三类。,在我国,膨胀土基本上可分为三种类型:第一类是湖相沉积及其风化层,粘土矿物成分以蒙脱石为主自由膨胀率、掖限、塑性指数都较大,土的膨胀和收缩性最显著;第二类是冲积、冲洪积、坡积物等,分布在河流阶地上,粘土矿物成分以水云母为主,自由膨胀率和液限较大,土的膨胀与收缩性也显著;第三类是碳酸盐类岩石的残积、坡积及洪积的红粘土,液限高,但自由膨胀率经常小于40,常被判定为非膨胀性土;然而,其收缩性很显著,建筑物也受损害。故不能只按自由膨胀率判定,应根据当地经验综合判别。膨胀土工程地质分类如表69所示。 影响土的膨胀性和收缩性的主要因素有:土的粒度和矿物成分、土的天然
15、含水率、结构状态及水溶液的介质等。,粘粒含量愈多,亲水性强的蒙脱石和水云母含量愈多,土的膨胀性和收缩性愈大。天然含水率愈小,可能吸水量愈大,故膨胀率可能愈大,但失水收缩则愈小。同一成分的土,吸水膨胀率将随天然孔隙比增大而减小,而收缩率则随着其增大而增大。因此,排列形式和胶结物类型都决定着土的胀缩特性。但是,土体发生膨胀或收缩变形是由于含水量的变化所致。这受自然条件或人为条件影响而发生变化,故土体产生膨胀或收缩变形的性质还与地形地势、土层分布、厚度、特性、气候条件、植物吸水及人为渗漏水等外部条件有关。 三、红土 1红上的成因类型和分布,红土是一种具有特殊工程地质性质的区域性特殊土,形成条件特殊,
16、种类繁多,性质差别较大。 红土是在湿热气候条件下经历了定红土化作用而形成的一种含较多粘粒,富含铁、铝氧化物胶结的红色粘性土。红土化作用是化学风化最终阶段的一种作用。任何岩土,经过红土化作用(其中的盐基成分大量淋失,铁、铝显著累积)都可以形成硅铝比较小,粘土矿物以高岭石为主,活动性较低的红土。由于物质来源的差异及经历了不同程度的红土化作用,形成的红土类型不同:一类是各种岩石的残积(或局部坡积)风化壳上部的原生残积红土(经过再搬运而改造形成的,称次生红土);一类是非残坡积成因,在氧化环境中经过搬运、沉积、红土化作用而形成的红土。,分布最广的红土有如下几类: (1)花岗岩残积红土:华南各地广泛分布着
17、燕山期花岗岩类,发育着巨厚的红色风化壳,表层全风化带为残积土。根据其成分和结构特征,可分为均质红土、网纹红土和杂色粘性土,前两者统称残积红土。 (2)玄武岩残积红土:雷州半岛和海南岛北部,第四纪期间多期大面积喷发的玄武岩,经风化后,形成厚薄不等的风化壳,其表层的红色粘性土就是残积红土。南方其它地方也有零星分布。 (3)红层残积红土:华中、华南等地分布着第三系或侏罗-白至系的内陆盆地沉积的红色岩层,主要是砂岩、粉砂岩和泥岩等,所形成的红色风化壳的表层为土状带,其中粘性土即为残积红土。,(4)红粘土:在我国,红粘土是特指碳酸盐类岩石在亚热带温湿气候条件下,经残积或局部坡积所形成的褐红、棕红等色的粘
18、性土,以贵州、云南、广西分布最广,川南、两湖、广东、江西也有分布,厚度变化很大;除残坡积成围外,还有洪积、冲积等不同成因的次生红粘上。 (5)冲积网纹红土:在我国华中、华南地区零星分布着一种以河流冲积相为主的中更新世地层(Q2al)。它是在高温湿润气候条件下地表浅部沉积物受红土化作用面形成的,一般是一套具有二元结构的棕红色粘性土和砂砾石层,红色粘性土即一般所谓的网纹红土或花斑土。 2红土的工程地质特性 各类红土都是热带、亚热带湿热气候条件下的产物,,风化程度高,矿物、化学成分变化强烈。碎屑矿物主要是石英和少量未风化长石;粘粒含量较多,粘土矿物以高岭石类为主,伊利石含量较少;含一定量的针铁矿和赤
19、铁矿,部分含有三水铝石。化学成分以SiO2、A12O3、Fe2O3为主,其它RO、R2O3含量很少,硅铝比小,pH值低,有机质和可溶盐含量极少,比表而积及阳离子交换容量较低游离氧化物含量较高,尤其是游离氧化铁含量占全铁的50一80。总之,红土是以亲水性较弱的高岭石和石英为主,活动性较低,有铁质胶结的红色粘性土。 红土的粒度成分与母岩关系密切,砂岩、砾岩、花岗岩残积红土的粒度粗,砂砾含量多,粘粒含量较少(20一40);碳酸盐类岩石和玄武岩残积红土,粒度细,粘粒含量多(40一80)。,红土的基本特性一般如下: (1)液限较大,含水较多,饱和度常大于80,土常处于硬塑至可塑状态; (2)孔隙比一般较
20、大,变化范围也大,尤其是残积红土的孔隙比常超过0.9,甚至达2.0;前期固结压力和超固结比很大,除少数软塑状态红土外,均为超固结土,这与游离氧化物胶结有关;一般常具有中等偏低的压缩性; (3)强度变化范围大,一般较高,内聚力一般为l060kPa,内摩擦角为l 0 30 或更大; (4)膨胀性极弱,但某些土具有一定收缩性,这与粒度、矿物、胶结物情况有关;某些红土化程度较低的“黄层”收缩性较强,应划入膨胀土范畴; (5)浸水后强度一般降低。部分含粗粒较多的红土,,湿化崩解明显。 综上所述,红土是一种处于饱和状态、孔隙比较大、以硬塑和可塑状态为主、中等压缩性;较高强度的粘性土,具有一定收缩性。 3各
21、类红土的不同特性及评价 各主要类型红土的工程地质特性。 (1)花岗岩残积红土:粒度粗,含较多砂砾,粘粒含量为10一40,主要矿物为石英和高岭石,含少量伊利石、针铁矿、三水铝石等。硅铝比小,亲水性弱,游离氧化物含量较多(8一14)。塑性不很强(液限为30一60,塑性指数为l0一25),孔隙比大(0.7一1.1),常处硬塑状态,胀缩性弱;压缩性中等,超固结比很大(2一13),,内摩擦角大(20 35),强度较高。 (2)玄武岩残积红土:粒度很细,粘粒含量较多(4070),主要矿物为高岭石类、三水铝石、针铁矿或赤铁矿等。硅铝比很小,亲水性较弱,游离氧化物很多(11 20),红土化程度高。塑性强(液限
22、为35 85,塑性指数为1535),孔隙比很大(多数大于l,最大可达2),中等收缩性;由于含水情况不同,强度参数变化很大,值一般为1030 ;C值为10 60kPa。 (3)碳酸盐岩残积红土:红粘土分散度高(粘粒含量为40 80),液、塑限大(液限为45 120,塑限为20 60)。碎屑矿物主要为石英、褐铁矿,粘土矿物为高岭石、绿泥石、伊利石等,有时合少量蒙脱石。,硅铝比最大,活性较高,含游离氧化物为4一10,低密实度(孔隙比为0.92.2)。天然含水率高,近饱和状态,稠度状态,贮层硬下层软,具有一定收缩性。裂隙发育,土体呈碎块状,中等压缩性,强度相对不低(值一般为10一20,C值为20一50
23、kPa)。具有一定的结构强度,超固结比较大(2一l0)。由于母岩性质、地形地貌、气候条件的不同,各地红粘土的工程特性有差别(表610)。 (4)红层残积红土:砂岩残积红土,粒度较粗,粘粒较少,而泥质岩残积红土,粒度较细,粘粒较多。碎屑矿物为石英、长石,粘土矿物主要为高岭石和伊利石,一般粘粒含量为20一50。塑性中等(液限为30一60,塑性指数为1129)。孔隙比较低,含水较少,常处可塑和,硬塑状态,中等压缩性。砂岩残积红土,内摩擦角较大,内聚力小,一般无胀缩性,其特性接近花岗岩残积红土,而泥质岩残积红土,内摩擦角较小,内聚力稍大些,有弱膨胀性,其特性接近泥质灰岩残积红土。 (5)冲积网纹红土:
24、湖南、江西等地的网纹红土(Q2al)是一种典型的老粘性土,自下而上逐渐由粗变细,粘粒含量一般为20一60,下部常为粉质亚粘土,处可塑状态;上部为粉质粘土,含水较少,为硬塑或坚硬状态。网纹红土胶结较好,抗水性较强,孔隙比较小,较密实,中等偏低压缩性,强度较高(C、值都较大),前期固结压力很大,超固结比可达8或更大。 综合成因和工程特性,可将红土分为残坡积和非残坡,积(冲洪积)两大类。 残坡积红土的性质与其粒度、矿物成分密切相关,一种是粒度粗,石英含量多,塑性较弱,以亚粘土为主,强度较高,极弱胀缩性,如花岗岩残积红土、砂砾岩等碎屑岩残积红土;一种是粒度细,石英含量少,塑性较强,以粘土为主,强度稍低
25、,具有弱中等胀缩性,部分应划入膨胀土范畴,如碳酸盐岩残积红土、玄武岩残积红土、凝灰岩残积红土及泥质岩残积红土。非残坡积红土的性质与其形成年代、胶结物及粒度关系密切,一种是年代较老的红土,如Q2一Q 3时期形成的网纹红土,胶结力强,强度高,无胀缩性,其性质接近典型老粘性土;一种是年代较新的红土,如Q4时期形成的红土化程度较低的冲洪积土及经过改造再沉积的次生红土,胶结力弱,连结差,强度,较低,可能有一定的胀缩性,其性质更接近一般粘性土。不能将红土土体视作均质体。应根据其所处的地形地貌单元、土的物质组成和土体结构,所处稠度状态及与下伏基岩的关系等,划分不同的土质单元。对不同土质单元采用不同指标进行评
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