特殊土的工程地质特征

特殊土的工程地质特征_工程地质认识与分

第五节　特殊土的工程地质特征

特殊土是指某些具有特殊物质成分与结构，而且工程地质性质也比较特殊的土，包括黄土、红黏土、淤泥类土、膨胀土、填土等。

一、淤泥类土

淤泥类土是指在静水或水流缓慢的环境中沉积，有微生物参与作用的条件下形成的，含较多有机质，疏松软弱（天然孔隙比大于1，含水率大于液限）的细粒土。其中孔隙比大于1．5的称为淤泥；大于1且小于1．5的称为淤泥质土。

（一）淤泥类土的成因及分布

淤泥类土在我国分布很广，不但在沿海、平原地区广泛分布，而且在山岳、丘陵、高原地区也有分布。按成因和分布情况，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；另一类是内陆和山区湖盆地以及山前谷地沉积的淤泥类土。图2-6是我国几种主要成因类型的淤泥类土的地质概况，其工程地质性质指标见表2-13。

图2-6　我国淤泥类土的几种基本类型

1．淤泥；2．淤泥质粉质黏土；3．淤泥质黏土；4．基岩；5．粉质黏土；6．黏土；7．砂；8．石

我国广大山区沉积有“山地型”淤泥类土，其主要是由当地的泥灰岩、各种页岩、泥岩的风化产物和地面的有机质，经水流搬运沉积在地形低洼处，经长期水泡软化及微生物作用而形成。以坡洪积、湖积和冲积三种成因类型为主。其特点是：分布面积不大，厚度与性质变化较大，且多分布于冲沟、谷地、河流阶地及各种洼地之中。

（二）淤泥类土的成分及结构特征

淤泥类土是在水流不通畅、缺氧和饱水条件下形成的近代沉积物，物质组成和结构具有一定的特点。粒度成分主要为粉粒和黏粒，一般属黏土或粉质黏土、粉土。其矿物成分主要为石英、长石、白云母及大量蒙脱石、伊利石等黏土矿物，并含有少量水溶盐，有机质含量较高，一般为5%～15%，个别可达17%～25%。淤泥类土具有蜂窝状和絮状结构，疏松多孔，具有薄层状构造。厚度不大的淤泥类土常是淤泥质黏土、粉砂土、淤泥、泥炭交互成层，或呈透镜状夹层。

（三）淤泥类土工程地质性质的基本特点

淤泥类土是在特定的环境中形成的，具有某些特殊的成分和结构，工程地质性质也表现出下列一些特点。

（1）高孔隙比，高含水率，含水率大于液限。我国淤泥类土的孔隙比常见值为1．0～2．0，个别可达2．4，液限一般为40%～60%，饱和度一般都超过95%，含水率多为50%～70%或更大。

（2）透水性极弱，渗透系数一般为10^-8～10^-6 cm／s。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，α_{（0．1～0．2）}一般为0．7～1．5MPa^-1，且随含水率的增加而增大。

表2-13　我国不同类型淤泥类土的指标对比表

（4）抗剪强度很低，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，φ角接近零，c值一般小于0．02MPa；直剪试验所得的φ角一般只有2°～5°，c值一般为0．01～0．015MPa；固结不排水剪切试验所得的φ值可达10°～15°，c值为0．02MPa左右。由于这类土饱水而结构疏松，所以在振动等强烈扰动下其强度也会剧烈降低，甚至液化变为悬液，这种现象称为触变性。同时，淤泥类土的蠕变性显著，必须考虑长期强度问题。

淤泥类土的成分和结构是决定其工程地质性质的根本因素。有机物和黏粒含量越多，土的亲水性越强，则压缩性就越高；孔隙比越大，则含水率越高，压缩性就越高；强度越低，灵敏度越大，压缩性越差。

二、黄土

黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物。黄土的颜色主要呈黄色或褐黄色，颗粒成分以粉粒为主，富含碳酸钙，有肉眼可见的大孔隙，天然剖面上垂直节理发育，被水浸湿后土体显著沉陷（湿陷性）。黄土在世界上分布很广，欧洲、北美、中亚均有分布，面积达1300×10⁴ km²。我国黄土分布面积约64×10⁴ km²，主要分布在西北、华北和东北等地。这些地区干旱少雨，具有大陆性气候特点。

我国黄土早更新世开始堆积，经历了整个第四纪，直到目前还没有结束。按地层时代及其基本特征，黄土可分为三类，各类黄土的主要特征见表2-14。形成于早更新世的午城黄土和中更新世的离石黄土称为老黄土。午城黄土主要分布在陕甘高原，覆盖在古近纪、新近纪红土层或基岩上。离石黄土分布广，厚度大，构成黄土高原的主体。老黄土一般无湿陷性，承载力较高。晚更新世的马兰黄土及全新世早期的黄土称为新黄土。新黄土广泛覆盖于老黄土之上，在北方各地分布较广，其分布面积约占我国黄土分布面积的60%，尤以马兰黄土分布最广，一般都具有湿陷性。近几百年至近几十年形成的黄土称新近堆积黄土。新近堆积黄土分布于局部地方，厚度仅数米，土质松散，压缩性高，湿陷性不一，承载力较低。

表2-14　不同黄土主要特征

（一）黄土的成分和结构特征

黄土基本由小于0．25mm的颗粒组成，尤以0．01～0．1mm的颗粒占主要地位。粉粒含量超过50%，且其中主要是粗粉粒。砂粒含量较少，一般小于20%，并以粉砂粒为主。黏粒含量变化较大，为5%～35%，一般为15%～25%。

黄土中含有60多种矿物。碎屑矿物占3／4以上，主要为石英、长石、碳酸盐类矿物，还有少量云母类矿物和重矿物。黄土中含10%～25%的黏土矿物，大多数为伊利石，并有少量蒙脱石和高岭石。易溶盐、中溶盐及有机物的含量较少，一般不超过2%。

黄土的结构为非均质的骨架式架空结构（图2-7）。由石英、长石及少量云母、重矿物和碳酸钙组成的极细砂粒和粉粒构成基本骨架，其中砂粒相互基本不接触，浮于粗粉粒构成的架空结构中，由石英和碳酸钙等组成的细粉粒为填料，聚集在较粗颗粒接触点之间；以伊利石或高岭石为主（还含有少量的腐殖质和其他胶体）的黏粒、吸附的水膜以及部分水溶盐为胶结物质，依附在上述各种颗粒的周围，并将粗颗粒胶结起来，形成大孔和多孔的结构形式。

图2-7　黄土结构示意图

（二）黄土的一般工程地质性质

天然状态下的黄土一般具有如下一些特点。

（1）密度小，孔隙率大。黄土的干密度较小，一般为1．3～1．5g／cm³。孔隙较大，孔隙率高，常为45%～55%（孔隙比为0．8～1．1）。

（2）含水较少。含水率一般在10%～25%之间，常处于半固态或硬塑状态，饱和度一般为30%～70%。

（3）塑性较弱。黄土的液限一般为23%～33%，塑限常在15%～20%之间，塑性指数在8～13之间。

（4）透水性较强。由于大孔隙和垂直节理发育，黄土的透水性比粒度成分相类似的一般细粒土要强得多，渗透系数可达1m／d以上，且各向异性明显，铅直方向比水平方向要强得多，渗透系数大数倍甚至数十倍。

（5）抗水性弱。黄土遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩较明显，遇水湿陷较明显。

（6）压缩性中等，抗剪强度较高。天然状态下的黄土，压缩系数一般介于0．2～0．5MPa^-1之间，φ值一般为15°～25°，c值一般为0．03～0．06MPa。随含水量增加，黄土的压缩性急剧增大，抗剪强度显著降低。新近堆积的黄土，土质松软，强度低，压缩性高。

（三）黄土的湿陷性

黄土在一定压力作用下受水浸湿后，结构迅速破坏而产生显著附加沉陷的性质，称为湿陷性，它是黄土特有的工程地质性质。黄土的湿陷性又分为自重湿陷和非自重湿陷两种类型。前者指黄土遇水后，在其本身的自重作用下产生沉陷的现象；后者指黄土浸水后，在附加荷载作用下所产生的附加沉陷。划分自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，对工程建筑具有较大的实际意义。在这两种不同湿陷性黄土地区进行建筑时，采用的各项措施及施工要求均有较大差别。野外无荷载试坑浸水试验资料表明，我国兰州地区的黄土具有明显或强烈的自重湿陷性，而西安和太原地区的黄土，往往是非自重湿陷性黄土或仅局部地区是自重湿陷性黄土。

（四）黄土湿陷性的评价

评价黄土湿陷性的方法很多，但归纳起来有间接方法和直接方法两种。

1．间接方法

间接方法是根据黄土的物质成分及物理力学指标，大致说明黄土湿陷的可能性。塑性指数小于12、含水率与塑限之比小于1．2、孔隙比大于0．8、干密度小于1．5g／cm³的黄土，具有湿陷性。尤其是含水率与塑限之比小于1．0、孔隙比大于1．0的黄土，其湿陷性最明显。而含水率与塑限之比大于1．2、孔隙比小于0．8、干密度大于1．5g／cm³的黄土，其湿陷性微弱或无湿陷性。总之，低塑性、低含水量、低密度的黄土，常具有湿陷性。

2．直接方法

直接方法是利用湿陷性指标，直接判断黄土的湿陷性。常用的湿陷性指标有湿陷系数、自重湿陷系数、计算自重湿陷量、总湿陷量和湿陷起始压力等。下面简要叙述湿陷系数指标，直接判断黄土的湿陷性。

黄土试样在某压力（P）作用下稳定的湿陷变形值与试样原始高度的比值，称湿陷系数，即：

式中：h _P——保持天然的湿度和结构的土样，施加一定压力时，压缩稳定后的高度，cm；

　h^′_P——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；

　h₀——土样的原始高度，cm。

　δ_s值越大，说明黄土的湿陷性越强烈，但在不同压力下，黄土的δ_s是不一样的。测定湿陷系数的压力，应自基础底面（初步勘察时，自地面下1．5m）算起，10m之内的土层应用200k Pa，10m以下至非湿陷性土层顶面，应用其上覆土的饱和自重压力（当其大于300kPa时，仍应用300kPa）。根据湿陷系数，判定黄土湿陷性的标准是：δ_s＜0．015，为非湿陷性黄土；δ_s≥0．015，为湿陷性黄土。

三、膨胀土

膨胀土又称胀缩土，是指随含水量的增加而膨胀，随含水量的减少而收缩，具有明显膨胀和收缩特性的细粒土。

膨胀土在世界上分布很广，如印度、以色列、美国、加拿大、南非、加纳、澳大利亚、西班牙、英国等国均有广泛分布。在我国，膨胀土也分布很广，如云南、广西、贵州、湖北、湖南、河北、河南、山东、山西、四川、陕西、安徽等省区不同程度地都有分布，其中尤以云南、广西、贵州及湖北等省区分布较多，具有代表性。

膨胀土一般分布在二级及二级以上的阶地上或盆地的边缘，大多数是晚更新世及其以前的残坡积、冲积、洪积物，也有新近纪至第四纪的湖相沉积物及其风化层。

（一）膨胀土的成分、结构特征

膨胀土中黏粒含量较高，常达35%以上。矿物成分以蒙脱石和伊利石为主，高岭石含量较少。

膨胀土一般呈红、黄、褐、灰白等色，具斑状结构，常含铁、锰或钙质结核。土体常具有网状裂隙，裂隙面比较光滑。土体表层常出现各种纵横交错的裂隙和龟裂现象，使土体的完整性破坏，强度降低。

（二）膨胀土的一般工程地质特征

（1）在天然状态下，膨胀土具有较大的天然密度和干密度，含水率和孔隙比较小。膨胀土的孔隙比一般小于0．8，含水率多为17%～36%，一般在20%左右，但其饱和度较大，一般在80%以上。

（2）膨胀土的液限和塑性指数都较大，塑限一般为17%～35%，液限一般为40%～68%，塑性指数一般为18～33。

（3）膨胀土一般为超压密的细粒土，其压缩性小，属中—低压缩性土，抗剪强度一般都比较高，但遇水后强度显著降低。

（4）膨胀土地区易产生边坡开裂、崩塌和滑动。

土方开挖工程中遇雨易发生坑底隆起和坑壁侧胀开裂，地下洞室周围易产生高地压和洞室周边土体大变形现象；地裂缝发育，对道路、渠道等易造成危害；其反复的吸水膨胀和失水收缩会造成围墙、室内地面以及轻型建、构筑物的破坏，甚至种植在建筑物周围的阔叶树木生长（吸水）都会对建筑物的安全构成影响。

四、红黏土

红黏土是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性黏土。它广泛分布在我国云贵高原、四川东部、两湖和两广北部一些地区，是一种区域性的特殊土。红黏土是红土的一种主要类型。

红黏土主要为残积土、坡积土类型，一般分布在山坡、山麓、盆地或洼地中。其变化厚度很大，且与原始地形和下伏基岩面的起伏变化密切相关。分布在盆地或洼地时，其厚度变化大体上是边缘较薄，向中间逐渐增厚。当下伏基岩中溶沟、溶槽、石芽较发育时，上覆红黏土的厚度变化极大。就地区而论，贵州的红黏土厚度为3～6m，超过10m者较少；云南地区一般为7～8m，个别地段可达10～20m；湘西、鄂西、广西等地一般在10m左右。

（一）成分和结构特征

红黏土的颗粒细而均匀，黏粒含量很高，尤以小于0．002mm的细黏粒为主。矿物成分以黏土矿物为主，碎屑矿物较少，水溶盐和有机质含量都很少。黏土矿物以高岭石和伊利石为主，含少量绿泥石、蒙脱石等，倍半氧化物中Fe₂ O₃多于Al₂ O₃，碎屑矿物主要是石英。

红黏土由于黏粒含量较高，常呈蜂窝状和棉絮状结构，颗粒之间具有较牢固的铁质或铝质胶结。红黏土中常有很多裂隙、结核和土洞存在，从而影响土体的均一性。

（二）工程地质性质的基本特点

红黏土的物理力学性质指标的经验值见表2-15。从表2-15中可以看出，红黏土的特点是：高塑性和分散性，含水率高、密实度低，强度较高、压缩性较低，具有明显的收缩性，膨胀性轻微。

表2-15　南方各省红黏土物理力学性质指标汇总

红黏土具有强度高、压缩性小的特点，是较好的地基土。但是，在红黏土地区进行建筑时也常出现一些问题，应加以注意。一是红黏土有胀缩性，有的红黏土膨胀收缩较明显，膨胀力可达180k Pa。二是红黏土受所处的位置和形成条件等因素影响，其性质与厚度变化较大。沿深度方向上，红黏土的含水率、孔隙比、压缩系数随深度的增加都有较大的增高，软硬程度由坚硬、硬塑变为可塑、软塑，强度大幅度降低。在水平方向上，地势较高处红黏土的含水率和压缩性较低，强度较高，而地势低洼处则相反。在岩溶发育的石灰岩地区，红黏土厚度变化往往很大，易造成地基的不均匀沉陷。因此，不能将红黏土视作为均质体，应按其稠度状态和成分不同，将其划分为不同的土质单元，然后分别予以评价。三是强烈的失水收缩使红黏土表层裂隙很发育，破坏了土体的完整性，降低了土体的强度，增强了透水性，这对于浅埋基础或边坡的稳定性都有影响。四是红黏土中常有“土洞”存在（与下伏碳酸盐类岩石的岩溶关系密切），对建筑物地基稳定性极为不利。

上述各问题在场地勘察时应予以查明。

五、填土

填土是一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。由于我国幅员广大，历史悠久，因此在我国大多数古老城市的地表面，广泛覆盖着各种类别的填土层。

（一）主要类型

填土分为素填土、杂填土、冲填土三类。

素填土是由碎石、砂、粉土、黏性土等一种或几种土通过人工堆填方式而形成的土，其中经过分层压实后的称为压实填土，未经压实处理的称为虚填土。即使是压实填土，由于其形成的时间极短，所以结构性能一般很差。虚填土俗称“活土”，极其疏松，在工程中遇到时必须进行换填压实处理。

杂填土是指大量的建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等人工堆填物，其中建筑垃圾和工业废料一般均质性差，尤以建筑垃圾为甚；生活垃圾物质成分复杂，且含有大量的污染物，不能作为地基材料，当建筑场地为生活垃圾所覆盖时，必须予以挖除。由建筑垃圾和工业废料堆成的杂填土也常常需要进行人工处理后方可作为地基。

冲填土是借助水力冲填泥砂而形成的土，一般压缩性大、含水量大、强度低。

（二）主要工程地质性质

填土一般具有不均匀性、湿陷性、自重压密性、强度低和压缩性高等工程特性。

（1）素填土。素填土的工程性质主要受其均匀性和密实度影响。在堆积过程中，未经人工压密实者，则密实度较差；随着堆积时间的增加，由于土的自重压密作用，可使土达到一定密实度。

（2）杂填土。由于杂填土的堆积条件、堆积时间、堆积物质来源和组成成分的复杂和差异，使杂填土的性质很不均匀，密度变化大，分布范围和厚度的变化均缺乏规律性，具有极大的人为随意性。杂填土一般为欠压密土，堆积时间短、结构疏松，具有较高的压缩性和很低的强度，同时浸水后往往湿陷变性。由于杂填土组成物质的复杂多样性，其孔隙大且渗透性不均匀。

（3）冲填土。冲填土的颗粒组成有砂粒、黏粒和粉粒，在冲填过程中随泥砂来源的变化，冲填土在纵横方向上具不均匀性，土层多呈透镜体状或薄层状出现。冲填土的含水量一般大于液限，呈软塑或流塑状态，其透水性弱、排水固结差。

复习思考题

1．什么叫做土的粒度成分？它是怎样影响土的工程性质的？

2．组成土的矿物有哪些类型？对土的工程性质有什么影响？

3．土中结合水、毛细水和重力水的性质是什么？对土的工程性质有什么影响？

4．什么叫做土的结构？不同土的结构有什么特征？

5．土的基本物理性质指标的定义及其换算关系是什么？

6．为什么说无黏性土的密实度、黏性土的塑性指数与液性指数是综合反映它们各自工程性质特征的指标？

7．土的压缩性和抗剪强度指标的含义及计算式是什么？

8．土根据其成因可以分为哪几种类型？各有什么特征？

9．软土、湿陷性黄土、红黏土、膨胀土和填土的特征和工程性质是什么？