主要特殊性岩土的工程性质

主要特殊性岩土的工程性质_土木工程地质

2.4　主要特殊性岩土的工程性质

特殊性岩土是指某些具有特殊物质成分和结构，而工程性质也较特殊的岩土体。这些特殊性岩土都是在特定的生成条件下形成，或是由于目前所处的自然环境逐渐发生变化而形成的。特殊性岩土包括软土、湿陷性黄土、膨胀性岩土、冻土、红土、盐渍岩土、人工回填土、混合土、污染土等，此处仅介绍几种分布广、与工程建设关系密切的特殊性岩土。

2.4.1　软土

软土一般指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限、抗剪强度低、压缩性高、渗透性低、灵敏度高的一种以灰色为主的细粒土。由于它有特殊的工程性质，稍微不慎，会使其上的建筑物和结构物发生问题，甚至破坏。

1）软土的分布及成因类型

我国软土分布：软土在中国沿海地区广泛分布，内陆平原和山区亦有。以滨海相沉积为主的软土层，如湛江、厦门、香港、温州湾、舟山、连云港、天津塘沽、大连湾等地均有此层；泻湖相沉积的软土以温州、宁波地区的软土为代表；溺谷相软土则在福州、泉州一带；三角洲相软土如长江下游的上海地区、珠江下游广州地区；河漫滩相沉积软土如长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等地区；内陆软土主要为湖相沉积，如洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周以及昆明的滇池地区，贵州六盘水地区的洪积扇和煤系地层分布区的山间洼地等。

2）软土的成因类型及特征

软土一般有以下几类。

（1）滨海沉积软土

根据位置和水动力条件的不同，可再细分为滨海相软土、浅海相软土、泻湖相软土、溺谷相软土和三角洲相软土。

①滨海相软土：常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒（粗、中、细砂）相掺杂，在沿岸与垂直岸边方向有较大的变化，土质疏松且具不均匀性，增加了淤泥和淤泥质土的透水性能。

②浅海相软土：多位于海湾区域内较平静的海水中沉积而成，细粒物质来源于入海河流携带的泥砂和浅海中动植物残骸，经海流搬运分选和生物化学作用，形成灰色或灰绿色的软弱淤泥质土和淤泥。

③泻湖相软土：沉积物颗粒细微，分布范围较宽阔，常形成海滨平原。表层为较薄的黏性土，其下为厚层淤泥层，在泻湖边缘常有泥炭堆积。

④溺谷相软土：分布范围狭窄，结构疏松，在其边缘表层常有泥炭堆积。

⑤三角洲相软土：由于河流及海湖复杂交替作用，而使软土层与薄层砂交错沉积，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层，结构疏松，颗粒细。表层为褐黄色黏性土，其下则为厚层的软土或软土夹薄层砂。

（2）湖泊沉积软土

主为湖相软土。是近代盆地的沉积。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理，淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或黑色，表层硬层不规律，时而有泥炭透镜体。

（3）河滩沉积软土

有河漫滩相和牛轭湖相两种。在宽阔河谷地区，河道由于曲折过多、过甚及侧侵蚀的结果，形成河道的迁移现象，而产生弓形的废河道或称牛轭湖，在废河道和牛轭湖中，沉积物主要是富含有机质的黑色黏土、粉质黏土和黏质粉土，有时有薄层透镜状粉砂和砂的夹层，层理近于水平，并形成不连续的带状层理。在远离河床的河漫滩内，沉积作用十分缓慢，沉积物质主要是粉质黏土、黏土与黏质粉土的互层，具水平层理或隐层理。

（4）沼泽沉积软土

分布在水流排泄不畅的低洼地带。在沼泽地带主要进行生物沉积作用，沉积物中含有大量的植物和动物残骸，它们在还原环境中分解，形成丰富的淤泥和泥炭。

3）软土的工程性质

在工程性质方面，软土主要有以下特点。

（1）高含水率和高孔隙比

天然含水率一般在35%以上，孔隙比在1.0以上，且天然含水率等于或大于液限。

（2）高压缩性

软土的压缩系数大，a_1－2＞0.5MPa－1，属高压缩性土，压缩性随液限的增加而增加。

（3）抗剪强度低

不排水的抗剪强度一般在30kPa以下。

（4）弱透水性

渗透系数值在1×10－6～1×10^－8cm／s之间，垂直方向的渗透性较水平方向要小，由于渗透性很弱，在加荷的初期，在土体中常出现较高的孔隙水压力。

（5）结构灵敏性或称触变性

当软土的原状结构一经扰动或破坏，即转变稀释流动状态，目前常用灵敏度S_t来表示结构灵敏性的程度。

（6）流变性

除了固结引起地基变形的因素外，在剪应力作用下的流变性足以使地基处于长期变形过程中。

4）地基承载力和变形

①评定软土地基的承载力和变形，可根据软土的物理力学性质参数，按承载力和变形的理论计算确定，但应重视地区的建筑经验，对重要的一、二级建筑物还应采取综合分析方法，按下列因素取值：

a.软土的物理力学性质及其取试样技术、试验方法等；

b.软土的形成条件、成层特点、均匀性、应力历史、地下水及其变化条件；

c.上部建筑的结构类型、刚度、对不均匀沉降的敏感性、荷载性质、大小和分布特征；

d.基础类型、尺寸、埋深、刚度等；

e.施工方法和程序以及加荷速率对软土性质的影响。

②软土的承载力应按方法之一或多种方法，以变形控制的原则，结合建筑物等级和场地复杂程度，作出综合的评价。

a.利用软土的c、φ值的统计指标，按现行《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关公式计算确定；

b.利用静力触探及其他原位试验资料，并应结合本地区建筑经验确定；

c.根据软土的现场鉴别和物理力学试验的统计指标，参照表2－9数值，并应结合本地区的建筑经验确定；

表2－9　沿海地区淤泥和淤泥质土承载力

d.对于缺乏建筑经验的地区和一级建筑物地基，宜以较大面积压板的载荷试验确定；

e.应用地区建筑经验，采取工程类比法确定。

③软土地基的最终沉降量采用分层总和法乘以经验修正系数求得，或结合地区的建筑经验参照有关公式计算。一级建筑物可采用软土的应力历史（前期固结压力）的沉降计算方法。

④当地基沉降计算深度范围内有软弱下卧层时，应验算下卧层的强度，计算方法按现行《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）的有关规定执行。

⑤应考虑上部结构和地基的共同作用，采取必要的建筑和结构措施，减少地基的不均匀沉降，防止建筑物因过大差异沉降导致严重开裂和损坏。

5）软土地基处理方法

软土地基的承载能力低、沉降大、不均匀沉降也大、且沉降稳定的时期长，需几年到数十年。软土地基是最需要人工处理的地基。目前比较好的地基处理办法有如下几种。

（1）桩基法

目前桩的种类和名称很多，按桩材分有：a.木桩；b.混凝土桩，又可分为预制混凝土桩、就地灌注混凝土桩；c.钢桩；d.组合桩，即一根桩用两种材料组成。

按桩的功能有：a.抗轴向压的桩，又可分摩擦桩、端承摩擦桩；b.抗侧压的桩；c.抗拔桩。

按成桩方法分有：a.打入桩，即将预制的木桩、混凝土桩、钢桩打入土层中；b.灌注桩，又可从成孔工艺分沉管灌注桩、钻孔灌注桩；c.静压桩；d.螺旋桩。

（2）排水固结法

排水固结法的原理是软土地基在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形，同时，随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力增大，地基土的强度逐步增长，根据排水和加压系统的不同，排水固结法可分为下述几种。

①堆载预压法。在建造建筑物之前，通过临时堆载土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土的固结，提高地基的承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。

②砂井法，或袋装砂井、塑料排水板、塑料管等法。在软土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结。砂井法与堆载预压法联合使用效果更好，可总称为砂井堆载预压法。

③真空预压法。与堆载预压法相比，真空预压法就是以真空造成的负压力，来代替临时堆载的荷载。真空预压法与堆载预压法可联合使用，称为真空堆载联合预压法。

④降低地下水位法。降低地下水位能减少孔隙水压力，使有效应力增大，促进地基土的固结。

⑤电渗法。在土中插入金属电极并通以直流电，由于电场的作用，土中的水从阳极流向阴极，这种现象称为电渗。将水从阴极排除，又不让水在阳极得到补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水，以提高地基土的承载力。

（3）置换及拌入法

以砂、碎石等材料置换软土地基中部分软土体，形成复合地基，或在软土地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固估，与未加固部分一起形成复合地基，以提高地基承载力，减少沉降量。其方法有如下几种。

①开挖置换法。是将基底下一定深度的软土挖除，然后填较好的土石料，分层夯实作为符合要求的持力层。

②碎石桩法。利用一种能产生水平向振动的管状机械设备，在高压水泵下边振边冲，在软土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石等材料，制成一根根桩体，群桩体和原来的软土一起，构成复合地基。

③高压喷射注浆法。以高压喷射直接冲击，破坏土体，使水泥浆液或其他浆液与土拌和、凝固后，成为拌和桩体。在软土地基中设置这种桩体群，形成复合地基或挡土结构。

④深层搅拌法。利用水泥、石灰或其他材料作为固化剂的主剂，通过深层的搅拌机械，在地基深处将软土与固化剂强制搅拌，产生一系列的物理化学反应后，形成坚硬的拌和桩体，与原来的软土一起，组成复合地基。

⑤石灰桩法。在软土地基中用机械成孔，填入生石灰并加以搅拌或压实，形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用，和土与石灰的离子交换反应、凝硬反应等作用，改善桩体周围土体的物理力学性质。石灰桩和周围被改良的土体一起，形成复合地基。

2.4.2　湿陷性黄土

黄土以粉粒为主，富含碳酸钙，有肉眼可见到的大孔，垂直节理发育，部分浸湿后土体显著沉陷。具有上述全部特征的土即为“典型黄土”，与之相类似但有的特征不明显的土就称为“黄土状土”。典型黄土和黄土状土统称为“黄土类土”，习惯上常简称为“黄土”。湿陷性黄土约占黄土分布总面积的3／4。黄土湿陷性类别的确定及湿陷等级划分应按现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025—2004）执行。

1）黄土的分布

黄土是一种特殊的第四纪大陆松散堆积物，在世界各地分布很广，性质特殊。在我国西北、华北等地区分布很广，总面积达六十多万平方公里。

黄土是第四纪的产物，从早更新世Q₁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，黄土类土可分为三类。

（1）老黄土

老黄土一般没有湿陷性，土的承载力较高。其中Q₁午城黄土主要分布在陕甘高原，覆盖在第三纪红土层或基岩上；而Q₂离石黄土分布较广，厚度也大，形成黄土高原的主体，主要分布在甘肃、陕西、山西、河南西部等地。

（2）新黄土

新黄土广泛覆盖在老黄土之上。在北方各地分布很广，与工程建筑关系密切，一般都具有湿陷性。分布面积约占我国黄土的60%，尤以Q₃马兰黄土分布更广，构成湿陷性黄土的主体。

（3）新近堆积黄土

新近堆积黄土分布在局部地方，是第四纪最近沉积，厚仅数米，但土质松软，压缩性高，湿陷性不一，土的承载力较低。

各地区黄土的总厚度不一，一般说来，高原地区较厚，而以陕甘高原最厚，可达100～200m，而其他高原地区一般只有30～100m。河谷地区的黄土总厚度一般只有几米到三十米，且主要是新黄土，老黄土常缺失。

2）黄土的基本特征

（1）黄土的结构特征

①黄土的粒度。黄土的粒度成分是区别于其他第四纪沉积物的代表性特征之一。黄土以粉土（0.05～0.005）为主，平均含量达50%以上。这一粒级又可分为细砂、粉土和黏粒。中国各地黄土的颗粒组成，在大体相似的前提下，不同时代黄土在垂直方向上有所不同，早期黄土与晚期黄土比较，前者较后者颗粒细；在水平方向上的区域性变化也比较显著，以山西马兰黄土为例，从北往南细砂普遍减少，而黏土含量普遍增加。

②黄土结构中的孔隙。大孔隙：大孔隙基本上是肉眼可见的、直径约0.5～1.0mm的孔道。

细孔隙：细孔隙是架空结构中大颗粒的粒间孔隙，肉眼看不见，可在双目放大镜下观察。

毛细孔隙：毛细孔隙是由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼看不见。

以上三种孔隙形成了黄土的高孔隙度，所以又称黄土为“大孔土”。

黄土的孔隙率变化，有随深度逐渐减小的趋势；在地理分布上则有着自东向西、自南向北孔隙率增大的规律。不同时代的黄土，其孔隙度也有差别。

（2）黄土的变形特征

①黄土的膨胀、收缩与崩解：黄土遇水膨胀，干燥后又收缩，如此多次反复，容易形成裂缝和剥落。由于黄土在堆积过程中，土的自重作用使粉粒在垂直方向的粒间距离变小，所以具有天然湿度的黄土在干燥后，水平方向的收缩量比垂直方向的收缩量大，一般为50%～100%。

各类黄土的崩解性相差很大，新黄土浸入水中后，很快就全部崩解，老黄土则要经过一段时间才全部崩解，红色黄土浸水后基本不崩解。

②黄土的压缩性：黄土的压缩性取决于成因、组成成分及气候环境。黄土的压缩系数约为0.1～1.0MPa^—1，老黄土具有中等偏低或低压缩性，新黄土多为中等偏高压缩性，新近堆积黄土多具有高压缩性；饱和黄土的压缩性变化范围大，其上部多具有高压缩性，下部则多为低到中等压缩性。

③黄土的抗剪强度：黄土的抗剪强度主要取决于土的含水量和密实程度。含水量越低，密实度越高，抗剪强度就越高。天然状态下的黄土，抗剪强度比砂土低，但高于黏土，其内摩擦角约为15°～25°，黏聚力c值约为30～60kPa。由于垂直节理及大孔隙的存在，原状黄土的强度随方向而异，水平方向的强度一般较大，垂直方向最小。但是，冲积、洪积黄土因存在有水平层理，则以水平方向的强度为最低，垂直方向最大。原状黄土抗剪强度的峰值和残值差值较大，是黄土地区多崩塌性滑坡和高速滑坡的重要原因。

3）黄土的湿陷性

黄土的湿陷性是天然黄土受水浸湿后，在自重压力或附加压力与自重压力共同作用下产生急剧而显著下沉的现象。部分黄土具有湿陷性而非全部。湿陷性是黄土特有的工程性质。黄土浸水后会立刻发生湿陷，一般在3～30min内的湿陷量即可达到80%。研究黄土湿陷性的规律及防治措施，是黄土工程地质研究的基本课题之一。黄土的湿陷按其性质可分为两大类，即自重湿陷和非自重湿陷。

（1）自重湿陷

黄土遇水后，在自重作用下产生沉陷的现象称自重湿陷。根据浸水来源的不同，自重湿陷分天然与人工两种。天然自重湿陷形成了黄土区的碟地等微地貌。古代已湿陷过的黄土，现在不再湿陷，是进行建筑比较优良的地区。过去没有湿陷过的黄土，现在具有较高的湿陷性。人为自重湿陷，在渠道、水库的附近最容易发生，可引起地面下沉、开裂，形成阶梯状的边岸。

（2）非自重湿陷

黄土遇水后，在建筑物的附加荷载作用下才产生的湿陷称非自重湿陷。划分自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，对工程建筑具有现实意义。例如，在自重湿陷性黄土地区修筑的渠道，初次放水时会产生地面下沉，两岸出现与渠道平行的裂缝。管道漏水后，由于自重湿陷，会导致管道断裂。路基受水后，由于自重湿陷会发生局部严重坍塌。地基土的自重湿陷往往使建筑物发生很大的裂缝或倾斜，即使建筑物很轻，也会受到破坏。在非自重湿陷性黄土地区，上述现象很少见。在这两种不同湿陷性的黄土地区进行建筑时，采取的措施及施工要求等均有较大区别。

根据现场无外荷试坑的浸水试验，我国西北地区的黄土，在兰州地区具有明显或强烈的自重湿陷性，而西安和太原地区的黄土，往往属非自重湿陷性或仅局部地区出现自重湿陷性。

（3）黄土湿陷性的强弱

黄土湿陷性的强弱与其微结构特征、颗粒组成、化学成分等因素有关，在同一地区，土的湿陷性又与其天然孔隙比和天然含水量有关，但浸水程度和压力大小则是主要的外界条件。

黄土湿陷性的判别与评价可用定量指标衡量。湿陷系数δ_s是室内浸水压缩试验测得的黄土在某种规定压力下由于浸水而产生的湿陷量与土试样原始高度的比值。《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025—2004）规定，当黄土的δ_s＜0.015时，应定为非湿陷性黄土；δ_s≥0.015时，则定为湿陷性黄土。在判定为湿陷性黄土后，尚需进一步确定湿陷的类型。黄土的湿陷可分为自重湿陷与非自重湿陷两类。黄土试样在与其饱和自重压力相等的压力作用下测得的湿陷系数称为自重湿陷系数δ_zs。在工程勘察中应按实测或计算自重湿陷量确定建筑场地的湿陷类型。当自重湿陷量≤70mm时，应定为非自重湿陷性黄土场地；当自重湿陷量＞70mm时，应定为自重湿陷性黄土场地。应注意的是，进行自重湿陷量计算时，计算深度内，自重湿陷系数小于0.015的土层不应累计。然后根据湿陷类型、计算自重湿陷量及总湿陷量确定黄土地基的湿陷等级，从轻微到很严重分为Ⅰ～Ⅳ级。

非自重湿陷性黄土的湿陷一般总是在一定的压力下才能发生，低于这个压力时，黄土浸水不会发生显著湿陷。这个开始出现明显湿陷的压力，称为湿陷起始压力。这是一个很有使用价值的指标，在工程设计中，若能控制黄土所受的各种荷载不超过起始压力，则可避免湿陷。黄土湿陷性的强弱与黄土中的黏粒含量多少、天然含水率的高低及密实度的大小有关。

4）黄土地区工程病害与防治

在湿陷性黄土地区，虽然因湿陷而引发的灾害较多，但只要能对湿陷类型、变形特征与规律进行正确分析和评价，在设计、施工和使用过程中采取恰当处理措施，湿陷便可以避免。

黄土地区涉及工业与民用建筑工程、道路与桥梁工程和水利工程的主要病害如下。

①黄土湿陷性和黄土陷穴（黄土经水的冲蚀与溶蚀形成的暗沟、暗洞、暗穴）对路基及路面、结构物等造成的变形、沉陷、开裂等破坏。

②路堑或路堤边坡的变形，有路堑坡面的剥落、冲刷和坡体的滑坍、崩塌、流泥（斜坡上黄土的塑性流动），路堤坡面的冲刷、滑坍，高路堤的下沉等。

产生上述病害的内因是黄土所具有的对工程不利的特性，外因则主要是水。因此，黄土地区工程病害的防治，主要包括以下几方面的内容。

①对湿陷性黄土地基进行工程处理，消除湿陷性的措施，如预先浸水、强夯法加固地基、灰土桩挤密地基等。

②合理的道路横断面设计，包括路堑、路堤边坡的形式、坡度及高度等。

③排水与防水的工程措施，包括沟渠及其加固，特殊工点如垭口、深路堑、高路堤、滑坡、陷穴等地段结合水土保持的综合治理等。

④加强预防措施，在建筑物选址、道路与水利选线时，应注意黄土地貌特征和土的湿陷性。

2.4.3　膨胀岩土

膨胀岩土是一种区域性的特殊岩土，它含有大量亲水黏土矿物，在湿度变化时有较大的体积变化，当其变形受约束时产生较大的内应力的岩土。强亲水性黏土矿物主要是蒙脱石和伊利石。

对膨胀岩缺少系统的研究，工程事故中已发现有的弱－中等胶结的泥质页岩、泥岩和黏土岩具有膨胀性。在中国的云南、广西、甘肃、陕西、新疆、内蒙古、吉林等地均已发现膨胀性泥岩、页岩和风化黏土岩。

对膨胀土的认识已有六十多年，国际上已召开过八次专题讨论会。中国是世界上对膨胀土进行了系统研究，并取得丰富研究成果的国家之一，中国的膨胀土主要分在黄河流域及其以南地区。其中以云南、广西、湖北、安徽、河北、河南等省的膨胀土造成的工程损坏最为严重。研究查明已有二百多个县市、地区有膨胀土损坏的工程实例。

膨胀岩土具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆。在膨胀岩土地区进行工程建筑，如果不采取必要的措施，只要外界条件的改变引起土中水分的增加或减少，就能使膨胀岩土地基产生体积变形，致使基础破坏，建筑物、地坪等开裂，对轻型建筑物的危害更大。膨胀岩土的季节性湿度变化常使道路路基边坡出现塌方、滑坡，路面常大段出现很大幅度的、随季节变化的波浪变形并导致多种破坏。膨胀岩土对水工建筑也有危害，如渠道衬砌上移或开裂，堤岸或路堑强度降低产生滑坡，以及渠系附属建筑物的地基基础发生破坏等。

1）膨胀岩土的分布

膨胀岩土的分布具有一定的区域性，是一种区域性特殊岩土，但又不是成片存在，埋藏深度及厚度也很不一致，与其他岩土相比量少而分散，常呈窝状分布。在世界六大洲四十多个国家均有分布。美国较早发现膨胀土，分布也较多；非洲的膨胀土分布较广，中国在援建项目中发现很多非洲国家都存在因膨胀土造成工程损坏的实例；亚洲的中国、印度、前苏联的中亚地区、欧洲以及澳大利亚等地均有膨胀土存在。

我国是世界上膨胀土分布广、面积大的国家之一，先后发现膨胀土危害的省、市、自治区已达二十余个，尤其在北京—西安—成都一线东南、杭州—广西一线西北这一北东—南西向的广大区域内，膨胀土分布最普遍，也最集中。此外，在东北和西北地区也有零星发现。从地理位置来看，我国膨胀土主要集中分布在珠江、长江中下游，黄河中下游以及淮河、海河流域的广大平原、盆地、河谷阶地、河间地块以及平缓丘陵地带。膨胀土常呈地毯式大面积披覆于地表或地表以下浅层，与道路工程的关系极为密切。

2）膨胀土的成因

我国广泛分布的膨胀土实际上主要为两大成因类型，即风化残积型膨胀土和沉积型膨胀土。前者因母岩矿物化学成分和化学风化程度不同而各异；后者因沉积作用（湖积、洪积、坡积、冲积）和沉积时代（固结程度）的不同而各异。

（1）残积型膨胀土

残积型膨胀土不仅是世界也是中国热带和亚热带地区膨胀土最主要的成因类型，也是膨胀土危害最严重的一类膨胀土类型，它们主要分布在热带、亚热带的准平原、古高原面、山间盆地和低矮丘陵区。在中纬度的暖湿带虽也有分布，但只发育在Q₂晚期古亚热带分布区的准平原和残丘区的中基性火成岩、碳酸盐岩、泥质岩地区的全强风化带。这类膨胀土广泛分布在广西、云南、广东南亚热带中新生代沉积盆地，在湖南、江西、贵州也有不少分布。由于受古地形的影响和古风化壳分带性影响，这类土的分布和工程性质变化常很复杂。

由于热带和亚热带的强烈化学风化作用即红土化作用，在全强风化带形成了很厚的高孔隙性、高含水率、高塑性、强收缩的膨胀土、在半干旱或强烈干湿交替的季风气候区的工程建设中常因地基土不均匀的干燥收缩和水分聚集而造成轻型建筑物和道面强烈破坏。用这类土填筑的路堤因强烈变形而破坏。在广西宁明盆地、百色田阳盆地的下第三系泥页岩残积黏土和云南蒙自、鸡街、曲靖、建水等盆地的上第三系泥灰岩残积黏土所发生的铁路、工业民用建筑物严重破坏均是典型的代表。在贵州的岩溶洼地石灰岩残积红黏土，虽然也很发育，但由于贵州省气候湿润多雨，这类膨胀土灾害并不突出。应当指出，残积类膨胀土的工程性质不仅取决于风化程度，还取决于母岩的成分和性质。因而决定了不同气候带、不同母岩所形成的残积膨胀土类型，及其工程性质的巨大差异。

（2）沉积型膨胀土

大量调查和理论研究结果表明，富含膨胀性黏土矿物的第四纪黏土沉积物主要分布在中纬度暖湿气候区，而新第三纪的黏土沉积受古气候及古环境的控制，在各气候带都有分布，特别是在广泛分布于黄土高原、内蒙古高原和新疆、青海的各大中新生代沉积盆地中。沉积型膨胀性黏土的工程性质除受形成的古气候和古环境的影响之外，特别是受形成年代即沉积固结的长短所控制，形成的地质年代愈老密度愈高相对含水率越小。中晚更新世至中新世所形成的黏土沉积层通常具有超固结特性，表现在天然密度通常在1.95～2.05g／cm³。在中国东部的暖湿气候区尚分布有早全新世形成的泛滥平原膨胀性黏土沉积层。

3）膨胀土的工程特性

膨胀土除具有一般黏性土的物理化学性质以外，最重要的特殊工程性质是强亲水性、多裂隙性、强胀缩性、强度衰减性、快速崩解性及弱抗风化性。

①膨胀土密度多为2.7～2.8g／cm³，干密度则在1.6～1.8g／cm³之间，天然密度多为1.9～2.1g／cm³；孔隙比多为0.6～0.9。由于膨胀土沉积时代较早，固结状态较好，孔隙比一般较小，干密度较大。干密度愈大，土的膨胀性也愈大。

②膨胀土的天然含水率多为16%～32%；饱和含水率20%～25%，而黏土最大分子持水度为15%～20%，可见天然状态下的膨胀土中常有少量毛细水和自由水。膨胀土塑限多为17%～28%，因此，多数天然状态膨胀土处于塑性状态。天然含水率低的膨胀土，一旦吸水则有较大膨胀；反之，近于饱和的膨胀土则不会再有较大膨胀，但是在干燥时将产生较大收缩。

③膨胀土中的裂隙既有闭合微裂隙型的原生裂隙，也有大量张开可见的次生裂隙。这些裂隙纵横交错，将土体切割成各种块状的不连续体。裂隙中常有灰白、灰黄色次生黏土充填，形成软弱面。这些分割面和软弱面使膨胀土的土体强度大大降低。根据实测资料，黏聚力c一般均小于0.1MPa，个别可达0.3MPa左右；内摩擦角多为15°～20°。而土体抗剪强度要低得多，c值一般小于0.05MPa，不少膨胀土体的c值近似于零；φ值多为几度到十几度，很少超过20°。

④膨胀岩土中新开挖出露的岩土体，在天然含水率的原始结构状态下，其抗剪强度是比较高的。在自然因素作用下，土体长期反复胀缩变形，含水率不断增加，使强度发生衰减。

⑤一般黏性土都有一定的吸水膨胀、失水收缩特性，但膨胀土的胀缩性更为突出。在天然含水率情况下，膨胀土的吸水膨胀量为总体积的2.44%～14.2%，个别高达23%以上。失水收缩量为总体积的14.8%～21.6%。在风干情况下，膨胀土吸水膨胀量一般为20%～30%，最大达50%。

⑥膨胀岩土在水中崩解的速度与土的起始含水率有密切关系。试验表明，烘干试样崩解最快，几分钟内即完全崩解；天然风干试样一般在24h内崩解；保持天然含水率的试样崩解速度极慢，崩解程度也极不完全，若天然含水率较高时，试样不显示崩解性。

4）膨胀岩土地区的工程地质问题

（1）膨胀岩土地区的路基

在膨胀岩土地区修筑铁路、公路，无论是路堑还是路堤，边坡变形和基床变形是极普遍而且严重的灾害。随着车辆的增加和行车密度与速度的提高，膨胀岩土体抗剪强度的衰减及基床岩土承载力的降低，容易造成边坡坍塌、滑坡；路基长期不均匀下沉、翻浆冒泥等灾害更加突出，容易造成路基失稳，影响行车安全。

在膨胀岩土地区修筑铁路、公路，首先必须掌握该地区膨胀岩土的工程地质条件，判定膨胀岩土的膨胀类别。然后根据这些资料进行正确的路基设计，确定其边坡形式、高度及坡度，解决好防水保湿的关键问题，保持土中水分的相对稳定。除路面、路基横断面的设计应满足防水保湿的基本要求外，主要的工程措施还有完善各种路基排水设施（保证其排水功能，铺砌、加固以防冲、防渗）；采用石灰、水泥等无机结合料改良、加固路基；采取必要的施工措施（如对路基压实、用膨胀岩土填筑路基等提出一定的要求）；对路堤及路堑边坡进行防护、加固（如植被防护、路堑坡面快速封闭及其他护坡措施）。

（2）膨胀岩土地区的地基

在膨胀岩土地基上修筑的桥涵及房屋等建筑物，随地基岩土的胀缩变形而发生不均匀变形。因此膨胀土地基问题既有地基承载力问题，又有引起建筑物变形问题。其特殊性在于：地基承载力较低，还要考虑强度衰减，不仅有土的压缩变形，还有湿胀干缩变形。

在膨胀岩土地基上修筑建筑物必须注意建筑物周围的防水排水。建筑场地应尽量选在地形平坦地段，避免挖填方改变岩土层自然埋藏条件。建筑物基础应适当加深，以便相应减小膨胀土的厚度，并增加基础底面以上土的自重，加大基础侧面摩擦力。还可用增加基础附加压力的方法克服土的膨胀。必要时也可以采用换土、土垫层、桩基等。

2.4.4　冻土

冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的非均质、各向异性的多相复合体。一般情况下，把温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土都称作冻土。由于冻土的性质除与影响常规土类性质的颗粒大小、机械成分、密度和含水率有关外，还与导致含冰量发生变化的直接因素——温度密切相关，所以说冻土是一种对温度十分敏感的特殊性土类。由于冻土中冰的存在，使冻土的工程性质与常规土类完全不同，譬如说，它具有相变特性、物质迁移特性、冻胀性、流变性等。自然界中，可根据冻土存在的时间将冻土分为多年冻土（两年或两年以上）、季节冻土（冬季冻结，夏季全部融化）和瞬时冻土（几个小时至数月）。在多年冻土区内，不同成因和面积大小不等的融区制约着多年冻土分布的连续性，因而，多年冻土又有连续分布和不连续分布之分。

我国多年冻土广泛分布在青藏高原、西北高山和东北的北部，季节冻土、瞬时冻土则覆盖大半个中国。冻土的存在和发育制约着寒区经济建设和发展，所以，为了开发冻土区，保证以冻土为地基的工程建筑的稳定性，合理利用自然资源，保护生态环境，冻土研究将具有非常重要的现实意义。

1）我国多年冻土的分布规律及其影响因素

我国多年冻土面积约215万平方公里，占国土总面积的22.4%，主要分布在东北大小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，在季节冻土区内的一些高山上，也零星分布着多年冻土。

东北多年冻土区位于我国最高纬度，以丘陵山地为主。虽然海拔不高，因受西伯利亚高压影响，成为我国最寒冷的自然区。冻土的平面分布及其厚度明显地受到纬度地带性控制，自西北向东南，由大片连续分布变为岛状分布，多年冻土厚度也由厚变薄。

我国西部高山地区，如祁连山、天山、阿尔泰等山地的多年冻土分布，具有明显的垂直分带性。青藏高原冻土区是世界上低纬度地带，海拔最高，面积最大的多年冻土地区，其范围北起昆仑山，南至喜马拉雅山。由于海拔高，冷期较长，该区有大面积的冻土存在。

我国季节性冻土分布相当广泛，分布于长江流域以北十余个省份。季节性冻土层厚度变化的总趋势是服从于纬度分布规律，从北向南逐渐减薄。然而，在东北及西部山区，更主要是受着多年冻土以及现代冰川、积雪的影响。

2）冻土的力学性质

（1）抗压强度

冻土强度主要取决于冻土温度，温度愈低，抗压强度愈高。加荷时间长短，对冻土强度影响也很大：加荷时间愈短，抗压强度愈高；反之，愈低。如瞬间加荷，抗压强度可高达30～40MPa；若长期加荷，其抗压强度要小到1／15～1／10。

（2）冻结力

土中水冻结时，产生胶结力，将土与建筑物基础胶结在一起，这种胶结力称为冻结力。

冻结力只有在外荷载作用时才表现出来，且其作用方向总是与外荷载的作用方向相反，类似于摩擦力，如图2－18所示。在冬季季节冻融层冻胀时，冻结力对建筑物基础起锚固作用；在暖季季节冻融层融化时，冻结力对建筑物基础起承载力的作用。

如图2－19所示，在0℃～－10℃范围内，冻结力随土的温度降低而增大。

图2－19　粉质黏土的冻结力与温度的关系

图2－18　冻结力的锚固作用和承载力作用

P—荷重；G—基础自重；R—基础承载力；δ_t—切向冻胀力；f—摩擦力；τ_i—冻结力

如图2－20所示，冻结力随土的含水量增加而增大，达到一个最大值时土孔隙被冰晶充满，胶结面积亦最大。超过最大值后，含水量继续增加，会使土粒与基础之间冰层加厚，胶结强度变小，直至接近于纯冰的冻结力为止。

图2－20　粉质黏土的冻结力与含水量的关系

冻结力的大小，除与土的温度和含水量有关外，还与基础材料表面的粗糙度有关，粗糙度越高，冻结力越大。

图2－21　各种冻胀力

δ_＋—法向冻胀力；τ—切向冻胀力；δ_－—基侧法向冻胀力

（3）冻胀力

冻胀是多年冻土地区的建筑物基础最常遇到的问题之一。

土中水冻结时，体积膨胀。若土粒之间尚有足够的孔隙供冰晶自由生长，则没有冻胀力的反映。一直到含水量大到某一程度后，土中水的冻结才造成土的冻胀。

作用于建筑物上的冻胀力可分为三种（见图2－21）。

①基底法向冻胀力（δ_＋）：—般都很大，可达零点几至一点几兆帕，甚至更大。并非一般建筑物的自重所能克服，只能采取措施，不使其产生。

②基侧法向冻胀力（δ_－）：在热流方向与基础侧面相交时产生，它使建筑物外墙基础产生凹曲变形。

③切向冻胀力（τ）：由冰的体积膨胀而产生，通过冻结力作用于基侧。

④融沉：冻土融化下沉是多年冻土地区建筑物基础最常遇到的问题之一。

冻土融化过程中在无外荷作用的情况下，所产生的沉降称为融化下沉。用相对融陷量——融沉系数表示。冻土融化后，在外荷作用下所产生的压缩变形称为融化压缩。用单位荷载下的相对变形量——融化压缩系数表示。

3）冻土的工程性质

冻土作为构造物地基，在冻结状态时，具有较高的强度和较低的压缩性。但冻土融化后则承载力大为降低，压缩性急剧增高，使地基产生融陷；相反，在冻结过程中又产生冻胀，对地基均为不利。冻土的冻胀和融陷与土的颗粒大小及含水量有关，一般土粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷愈小；反之则愈大。可以根据土质、天然含水量和冻结期间地下水低于冻深的最小距离等对冻土的冻胀性进行分类。

4）冻土的工程地质问题

（1）冻胀及冻胀丘

冻胀是指土在冻结过程中，土中水分冻胀成冰，并形成冰层、冰透镜体及多晶体冰晶等形式的冰侵入体，引起土粒间的相对位移，使土体体积膨胀的现象。冻胀的表现是土表层不均匀地升高，常形成冻胀丘及隆岗等。

含有粉黏粒的湿土，在其冻结前后，土体内水分产生重分布的现象。土体内水分重分布情况与冻结时有无地下水补给有关。一种是无地下水补给情况通常称为封闭体系。在封闭体系条件下，冻结过程中水分仅在冻土内产生重分布现象，冻结峰面自上而下地移动，土中水分便向冻结峰面迁移。由于冻结时水分向上部迁移，下部含水率就明显减少。另一种情况，有地下水补给时，通常称为开敞体系。在开敞体系条件下，下卧土体的水分向冻结峰面迁移时，可以得到地下水源补给，整个土体冻结后的含水率比冻结前都有较大幅度地增加。土体中水分向冻结峰面迁移的结果，发生聚冰作用，使土粒和冰分异，形成冰夹层、冰透镜体等而引起土体强烈膨胀。

冻胀丘是指土体由于冻胀隆起而形成的鼓丘。一般是每年的最冷月份隆起，夏季融化时消失，所以叫做季节性冻胀丘。其形成是由于冬季土层由上而下冻结时，缩小了地下潜水的过水断面，使地下水承压。在冻结过程中水向冻结峰面迁移，形成地下冰层。随着冻结深度的增大，当冰层的膨胀力和水的承压力增加到大于上覆土层的强度时，地表发生隆起，因而形成冻胀丘。

（2）热融滑坍

由于自然营力作用（如河流冲刷坡脚）或人为活动影响（挖方取土）破坏了斜坡上地下冰层的热平衡状态，使冰层融化，融化后的土体在重力作用下沿着融冻界面而滑塌的现象称为热融滑坍。热融滑坍按发展阶段和对工程的危害程度，可分为活动的和稳定的两类。稳定的热融滑坍是那些由于自埋作用（即坍落物质掩盖了坡脚及其暴露的冰层）或人为作用。使滑坍范围不再扩大的热融滑坍。活动的热融滑坍，是因融化土体滑坍使其上方又有新的地下冰暴露，地下冰再次融化产生新的滑坍，其边缘发展到厚层地下冰分布范围的边缘时，也将形成稳定的热融滑坍。

热融滑坍可能使建筑物基底或路基边坡失去稳定性，也可能使建筑物有滑坍物堵塞和掩埋。由于热融滑坍呈牵引式缓慢发展，不致造成整个滑坍体同时失去稳定；且滑坍以向上发展为主，侧向发展很小；滑坍的厚度不大，一般为1.5～2.5m，稍大于该地区季节融化层厚度。因而对工程建筑物的危害往往不是恶性的，防治也不太难。

（3）热融沉陷和热融湖

因气候转暖或人为因素，改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，导致地下冰或多年冻土层发生局部融化，上部土层在自重和外部压力作用下产生沉陷，这一现象称为热融沉陷。当沉陷面积较大，且有积水时，称为热融湖。热融湖大多数分布在高平原区，地面坡度小于3℃的地方。如在楚玛尔湖高平原及多玛河高平原地区，热融湖分布星罗棋布。

热融沉陷与人类工程活动有着十分密切的关系。在多年冻土地区如铁路、公路、房屋、桥涵等工程的修建，都可能因处理不当而引起热融沉陷。例如，房屋采暖散热使多年冻土融化，在房屋基础下形成融化盘，在融化盘范围内，地基土将会产生较大的不均匀沉陷。在路基工程中，由于开挖，除了原来的天然覆盖层或建成后，路堤上方积水、路堤下渗水都能造成地下冰逐年不断融化，致使路基连年大幅度沉陷以至突陷。若路堤下为饱水黏性土，融化后处于软塑至流动状态，承载力很低，在车辆振动荷载作用下，路堤在瞬时内产生大幅度的沉陷，可造成机车掉道等严重事故。

2.4.5　红土

红土是岩石在热带、亚热带特定的湿热气候条件下，经历了不同程度的红土化作用而形成的一种含较多黏粒，富含铁铝氧化物胶结的红色黏性土、粉土。红土具有较特殊的工程特性，虽然孔隙比较大，含水较多，但却常有偏低的压缩性和较高的强度，是一种区域性特殊土。

1）红土的形成

①红土化作用的三个阶段。

第一阶段，碎屑化和黏土化阶段。红土化之前，岩石破碎，矿物大量分解，盐基成分淋失，硅、铝显著分离，出现大量硅铝酸体氧化物，形成一些黏土矿物，铁、铝有所积累，含一定量易溶解的二价铁，风化产物为残积黏性土，呈灰、黄、白色而不是红色，这阶段是红土化作用的准备阶段。

第二阶段，红土化阶段。此阶段除石英外，几乎所有矿物都遭彻底分解，盐基成分基本淋失，形成大量以高岭石为主的黏土矿物，铁、铝大量富集，形成大量红色三价氧化铁和部分三水铝石，风化产物以红色黏性土为主，部分为红、白、黄相间成网纹状。

第三阶段，铝土矿物阶段。红土化后期，黏土矿物继续分解，部分含水氧化物脱水，形成含铝质矿物、铁质矿物和少量高岭石黏土的铝土矿。

②红土分布地域。

红土分布在北纬35°到南纬35°之间。中国主要分布在北纬32°以南，即长江流域以南地区。红土一般发育在高原夷平面、台地、丘陵、低山斜坡及洼地，厚度多在5～15m，有的达到20～30m，其发育与下述因素有关。

第一，热带、亚热带季风气候区的高温、多雨、潮湿、干湿季节是红土形成的必备条件，水温高，循环明显，矿化度低，为地下水对岩体的淋滤、水合、水解等化学作用提供了良好的条件。

第二，母岩类型不同，红土的发育程度和速度也不同，其快慢顺序为碳酸盐类岩、基性岩、中酸性岩、碎屑沉积岩和第四纪沉积物。

第三，地形、地貌和新构造运动影响着红土的发育厚度，在地形平缓的台地、低丘陵区等比较稳定的地区，红土难于保存；在地壳下降地区，红土发育不完整。

③红土层次。

我国红土完整的剖面，自上而下包括三个层次。

第一层次，均质红土和网纹红土。黏土矿物以高岭石为主，含针铁矿、赤铁矿和三水铝石，表面红土化程度最高，以红色为主，称为均质红土；下段为红、白、黄相间的网纹状红土。此层即一般典型红土，俗称“红层”。

第二层次，杂色黏性土。黏土矿物以高岭石和伊利石为主，两者含量接近，含部分针铁矿，一般不含三水铝石，颜色浅，以黄色为主，掺夹部分红色土，红土化程度很低，俗称“黄层”。

第三层次，一般残积土。黏土矿物以伊利石、蒙脱石为主，为黏粒含量较少的黏性土或砂砾质土。

2）红土的分类

按物质来源不同，有两类红土：一类是各种岩石的残积物（局部坡积物），经红土化作用而形成的残积红土。另一类是非残积成因的堆积物（冲积、洪积、冰积）经红土化作用而形成的网纹红土。残积红土的特性与母岩关系密切，是各类岩石长期风化残积的产物，其中有一种粒度较细，石英含量较少，塑性较强，有一定的胀缩性，如碳酸盐岩类、玄武岩类、泥质岩类形成的红黏土，以及经再搬运形成的次生红黏土；另一种粒度较粗，石英含量多，塑性较弱，有弱胀缩性，如碎屑沉积岩、花岗岩类形成的含砂砾红土。网纹红土因具有明显的网纹状结构而得名，由于形成年代不同，其工程特性差别较大，中更新世及其以前形成的网纹红土，胶结好，强度高，是最常见的典型网纹红土；晚更新世及其以后形成的网纹红土，胶结弱，红土化程度微弱，其特性与一般土接近，不应属于特殊土。

综合成因、年代、母岩特征等因素，红土分为以下五种。

①碳酸盐岩形成的典型红黏土。这类红黏土是指覆盖于碳酸盐岩类基岩上的棕红、褐黄等色的高塑性黏土，其液限一般大于50%。经流水再搬运后仍保留红黏土的基本特征，液限大于45%的土称为次生红黏土，在相同物理指标的情况下，其力学性能低于红黏土。红黏土及次生红黏土广泛地分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、丘陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段，其分布范围达108万平方公里。

云贵高原的三分之二以上地区分布着红黏土。红黏土的厚度变化与原始地形和下伏基岩面的起伏密度相关。分布在台地和山坡的厚度较薄，在山麓则厚度较厚；当下伏基岩的溶沟、石芽等较发育时，上覆红黏土的厚度变化相差较大，咫尺之间相差可达数米甚至十多米。红黏土的厚度一般在5～15m，最厚达30m。

②玄武岩形成的红黏土：玄武岩出露区的红黏土分布在广东雷州半岛和海南岛北部（简称琼雷地区），系第四纪中—晚更新世期间形成。多期大面积喷发的橄榄玄武岩，在热带湿热气候条件下，经强烈的风化作用而形成厚薄不等的风化壳，其表层是经红土化作用的红色黏性土，就是一般所说的玄武岩风化残积红黏土，其分布面积近5000平方公里。云南东部、中部分布着二叠纪玄武岩，南方其他地方也零星分布着玄武岩，其表层也形成风化残积红黏土。风化残积红土经再搬运后，仍保留着红土基本特征的红色黏土，称为次生红黏土。琼雷地区的分布厚度为2～20m。云南玄武岩分布区的风化壳可达二十余米，但红土层下为红土化程度较低的棕黄色黏性土。湖南益阳的玄武岩风化壳可达50m，棕红、紫红色残积红黏土层厚10～30m。

③花岗岩形成的红土：花岗岩广泛分布于我国南方各地，约占赣、湘、桂、浙、闽、粤、琼诸省面积的1／6，滇、皖也有少量分布。南方花岗岩以燕山期中—粗粒黑云母花岗岩为主，也有部分中—细二长花岗岩和花岗闪长岩，在热带、亚热带的湿热气候条件下，遭受了长期而强烈的风化作用，形成巨厚的红色风化壳表层，称为花岗岩残积红土。它主要形成于上更新世至晚更新世期间，尤以中更新世的作用最为强烈，全新世以来直至目前仍继续进行着红土化作用。残积红土主要分布于丘陵和台地，一般厚2～20m，尤以广东沿海的厚度最大。

④红层出露区红土：在中国南方浙、赣、闽、粤、桂等地，零星分布着白垩纪至下第三纪的中生代红层，受构造体系控制，形成一系列沿北东方向为主的串珠状断陷盆地，沉积物是以湖相、河流相、滨海相为主的陆相红色碎屑岩建造，产状平缓，倾角10°～25°，岩相受局部沉积环境的影响，变化很大，岩性有砾岩和砂砾岩、砂岩、粉砂岩、黏土岩等，胶结物包括硅质、钙质、泥质等，混杂着游离的红色氧化铁。红层形成以后，尤其是第四纪更新世期间，遭受了强烈的化学风化作用（包括红土化作用），形成厚度变化大，粒度各异，性质多样的残积红土。江西红土厚1～10m，广州红土一般厚1～15m，个别可达20m。

⑤中更新世网纹红土：网纹红土是第四纪沉积物在高温、湿润气候条件下，受特殊的地球化学改造作用（红土化作用）而形成的红色黏性土，具有红、白、黄色相间的网纹状结构。

网纹红土主要分布于湘、赣、鄂南、皖南等长江流域中下游地区，浙、闽、粤等地局部沿河流也有零星分布，主要形成于中更新世。河流冲积相网纹红土与其下伏的砂砾石层组成双层构造，一般沿河流高阶地分布，厚度为6～15m，常形成红土缓丘或相对高差为数米的小波状平原，在洞庭湖区的局部因新构造运动下降而处于埋藏状态。某些坡积、洪积相网纹红土混杂有砾石，分布于山麓地带。某些洼地可能有局部再搬运的次生红土分布。

3）红土的工程性质

（1）一般红土的基本特性

①液限较高，含水较多，饱和度常大于80%，土常处于硬塑至可塑状态。

②孔隙率变化范围大，一般孔隙比较大，尤其是残积红土，孔隙比常超过0.9，甚至达2.0。先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，黏聚力一般为10～60kPa，内摩擦角为10°～30°或更大。

④膨胀性极弱，但某些土具有一定的收缩性，这与红土的粒度、矿物、胶结物等情况有关，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浸水后强度一般会降低；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，具中等压缩性，强度较高的红黏土，具有一定的收缩性。

（2）其他特征

其他类型的红土，除具有一般红土的基本特性外，各有一些特征。玄武岩残积红黏土的粒度很细，黏粒含量较多（一般为30%～70%），但团聚结构明显，团粒很多，具有明显的“假粉性”，外观似粉质土；其抗水性差，经水浸泡后力学强度急剧降低。花岗岩区红土中含较多粗粒土，当砾粒含量大于20%时为砾质黏性土，砾粒含量小于20%时为砂质黏性土，不含砾粒时为黏性土；宏观结构以团块状和斑状结构为主，裂隙较少，无分选性，层理不清，微观结构以凝块状和团粒状结构为主；土的压实性能较差。红层残积红土的颗粒组成变化幅度随母岩不同而有明显差别，除石英颗粒及部分岩屑外，大部分物质已完全风化成红土，表层裂隙较密集，破坏土体的完整性，地下水位以上的红土以硬塑和可塑状态为主，地下水位以下1～2m的部分红土或残积土可能处于软塑状态；砂岩、砾岩形成的红土颗粒粗、塑性低，孔隙比小，内摩擦角较大，无胀缩性，但可能有湿化性；泥岩、粉砂岩形成的红土粒细、黏粒多、塑性高、内摩擦角小、强度低、压缩性较高，有些可能具有弱到中等胀缩性。中更新世网纹状红土的土质紧密，抗水能力强，浅层常有风化裂隙，深层有时有平直密闭的裂隙；在垂直剖面上，自上而下红土化强度一般由强转弱，红色减少，黄、白色增多，大致可分为红层、红白层、黄白层、黄层逐渐过渡，但界限不很清晰；颗粒组成反映了河流沉积的特点，上部为黏土，下部为粉质黏土，近砂砾层处粒度变粗，塑性低。

4）红土地区工程建设注意事项

红土一般强度较高、压缩性较低、工程性能较好，许多情况下可以直接作为路堤及其他一些结构物的天然地基。但红土也有一些工程地质特性会影响地基的整体均匀性、强度和稳定性，这些影响因素主要有红土层在水平和垂直方向的厚度及物理力学指标的变化，土层中的石芽、溶洞、土洞、裂隙及土的胀缩性，浸水软化特性，压实特性等。由于这些因素会给道路及其他工程建筑的勘察、设计工作造成困难，因此需加以注意：①根据红土层在深度方向及水平方向物理力学性质的变化划分为不同的土质单元，以确定地基承载力及基础埋置深度；②进行变形（尤其是不均匀沉降）及稳定性（尤其是填方或挖方边坡的稳定性）验算；③采取保温、保湿措施防止土的收缩，采取防护措施（如坡面防护、设置支挡或分级放坡等）控制裂隙的发生和发展；④红土用作填筑材料时，采取对填筑土体的压实控制和防止表面失水（覆盖保护）等措施。

2.4.6　盐渍土

盐渍土是当地下水沿土层的毛细管升高至地表或接近地表时，经蒸发作用水中盐分分离出来聚集于地表或地表下土层中。当土层中易溶盐的含量大于0.3%时，这种土称为盐渍土。

盐渍土易于识别，土层表面残留着薄薄的白色盐层，地面常常没有植物覆盖，或仅生长着特殊的盐区植物，在探井壁上可见到盐的白色结晶，从探井剖面看，土层表面含易溶盐最多，其下为盐化潜水。地面以下深1～2m的潜水，盐渍作用最强，通常盐渍土中潜水成分与盐土中所含盐类的成分保持着一定的关系。

1）盐渍土的分布

盐渍土在中国分布较广，西北地区的青海、新疆、宁夏等省区和东北地区的吉林省白城地区，由于气候干燥、内陆湖泊较多，在盆地到高山区段往往形成盐渍土。滨海地区，由于海水侵袭也常形成盐渍土。在平原地带，由于河床淤积或灌溉等原因也常使土壤盐渍化形成盐渍土。

盐渍土的厚度一般不大。平原及滨海地区通常分布在地表以下2.0～4.0m，其厚度与地下水埋深、土的毛细作用上升高度及蒸发作用影响深度（蒸发强度）有关。内陆盆地的盐渍土厚度有的可达几十米，如柴达木盆地中盐湖区的盐渍土厚度达三十米以上。

2）盐渍土的分类

（1）按形成条件分类

盐渍土按形成条件分类可分为盐土、碱土和胶碱土等类型。

①盐土：以含有氯盐及硫酸盐为主的盐渍土称为盐土。盐土通常是在矿化了的地下水位很高的低地内形成的，盐分由于毛细管作用，经过蒸发而聚集在土的表层。在海滨，由于海水浸渍也可以形成盐土。盐土也在草原和荒漠中的洼地内形成，由于带有盐分的地表水流入洼地，经过蒸发而形成盐土。干旱季节时，盐土表面常有盐霜或盐壳出现。

②碱土：碱土的特点是在表土层中含有较多的碳酸钠和重碳酸钠，不含或仅含有微量的其他易溶盐类，黏土胶体部分地为吸附性钠离子所饱和。碱土通常具有明显的层次，表层为层状结构的淋溶层，下层为柱状结构的淀积层。在深度40～60cm的土层内含易溶盐最多，同时也聚积有碳酸钙和石膏。碱土可由盐土因地下水位降低而形成，或由于地表水的渗入多于土中水的蒸发而形成。碱土在水中的溶液具有碱性反应，碱土与盐土常常共生和相互交替。盐碱土多分布在草原和河流或湖泊的阶地上以及平原的小盆地中。我国的黄河中下游阶地，以盐碱土分布广而闻名。盐碱土表层的植物生长很稀疏，常生长着黑艾蒿等特种草类，与周围的草完全不同，是识别盐碱土的一种标志。

③胶碱土：胶碱土又称龟裂黏土，生成于荒漠或半荒漠的地形低洼处，大部分是黏性土或粉性土，表面平坦，不长植物。干燥时非常坚硬，干裂成多角形。潮湿时立即膨胀，裂缝挤紧，成为不透水层，非常泥泞。胶碱土的整个剖面内，易溶盐的含量均较少，盐类被淋溶至0.5m以下的地层内，而表层往往含有吸附性的钠离子。

（2）按含盐成分划分

盐渍土的分类如表2－10所示。

表2－10　盐渍土按含盐成分分类表

注：离子的含量以100g干土内的毫克当量计。

（3）按土层中所含盐量划分

当土中含盐量超过一定值时，土的工程性质就有一定影响，所以按含盐量（%）来分类是对按含盐性质分类的补充，分类标准如表2－11所示。

表2－11　盐渍土按盐渍化程度分类表

3）盐渍土的工程性质

①盐结晶的膨胀性（盐胀性）：硫酸盐沉淀结晶时，体积增大，脱水时体积缩小。干旱地区日温差较大，由于温度的变化，硫酸盐的体积时缩时胀，致使土体结构疏松。在冬季温度下降幅度较大，便产生大量的结晶，使土体剧烈膨胀。一般认为含量在2%以内时，膨胀带来的危害性较小，高于这个含量则膨胀量迅速增加。

碳酸盐含大量的吸附性阳离子，遇水便与胶体颗粒相作用，在胶体颗粒和黏土颗粒周围形成结合水薄膜，不仅使土颗粒间的内聚力减小，而且引起土体膨胀。如Na₂CO₃的含量超过0.5%时，其膨胀量即显著增大。

②盐渍土的力学性质：在一定含水量的条件下，因土粒中含有盐分，使土粒间的距离增大，而内聚力及内摩擦角则随之减小，土体的强度降低。因此，土在潮湿状态时，土中的含盐量愈大，则其强度愈低。当含盐量增加到某一程度后，盐分能起胶结作用时，或土中含水量减小，盐分开始结晶，晶体充填于土孔隙中起骨架作用时，则土的内聚力及内摩擦角增大，其强度反而比不含盐的同类土的强度高。因此盐渍土的强度与土的含水量关系密切，含水量较低且含盐量较高时，土的强度就较高，反之较低。

③盐渍土的溶陷性和水稳性：盐渍土不仅遇水发生膨胀，易溶盐遇水还会发生溶解，造成地基在土自重压力作用下产生沉陷。溶陷性指标的测定，可按湿陷性土的湿陷试验方法进行。

水对盐渍土的稳定性影响很大，在潮湿的情况下，一般均表现为吸湿软化，使稳定性降低。

④盐渍土的压实性：当土中含盐量增大时，其最大密度逐渐减小，当含盐量超过一定限度时，就不易达到规定的标准密度。如果需要以含盐量较高的土作为填料，就需要加大夯实能量。硫酸盐渍土的含盐量增加到接近2%、碳酸盐渍土的含盐量超过0.5%时，土的密度显著降低。氯盐渍土中的盐类晶体填充在土的孔隙中，能使土的密度增大，但当土湿化后，盐类溶解，土的密度就降低。

⑤盐渍土中的有害毛细水作用：盐渍土中的有害毛细水上升能直接引起地基土的浸湿软化和次生盐渍化，进而使土的强度降低，产生盐胀、冻胀等病害。影响毛细水上升高度和上升速度的因素，主要是土的粒度成分、土的矿物成分、土颗粒的排列和孔隙的大小，以及水溶液的成分、浓度、温度等。土的粒度成分对毛细水上升高度的影响最为显著，一般来说，颗粒愈细上升高度愈高。盐分含量对毛细水上升高度也有影响，主要因素是盐的含量和盐的类型，盐分对毛细水上升高度有着正反两个方面的影响：一方面，水中含盐量可以提高其表面张力，毛细水上升高度随着表面张力增大而增大；另一方面，水中盐分又使其溶液的相对密度增大，并使颗粒表面的分子水膜厚度增大，从而增加了毛细水上升的阻力，使毛细水的上升值减小。当矿化度较低时，前种情况占优势，反之则后一种影响占优势。

2.4.7　填土

填土是指在一定的社会历史条件下，由于人类活动而形成的土。由于我国幅员广阔，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。这种填土层无论是从堆填方式、组成成分，还是从分布特征及其工程性质等方面，均表现出一定的复杂性。

1）填土的分类

对填土主要是根据其组成物质和堆填方式形成的工程性质的差异，划分为素填土、杂填土和冲填土三类。经分层压实的，称为压实填土。

（1）素填土

主要由碎石、砂土、粉土或黏性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或杂质很少。按其组成物质可分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土和黏性素填土。

（2）杂填土

杂填土为含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征可分为以下几种。

建筑垃圾土：主要为碎砖、瓦砾、朽木等建筑垃圾夹土石组成，有机质含量较少。碎砖、石、砂等含量愈多，土质愈松散。

工业废料土：由现代工业生产的废渣、废料，诸如矿渣、煤渣、电石渣等以及其他工业废料夹少数土类组成。

生活垃圾土：由大量从居民生活中抛弃的废物，诸如炉灰、菜皮、陶瓷片等杂物夹土类组成。一般含有机质和未分解的腐殖质较多，组成物质混杂、松散。

（3）冲填土

冲填土（亦称吹填土）系由水力冲填泥砂形成的沉积土，它是我国沿海一带常见的人工填土之一，主要是由于在整理和疏通江河航道，有计划地用挖泥船，通过泥浆泵将泥砂夹大量水分，吹送至江河两岸而形成一种填土。在我国长江、上海黄浦江、广州珠江等河流两岸及滨海地段，都分布有不同性质的冲填土。

（4）压实填土

经分层压实的填土称为压实填土。

2）填土的工程特性及工程地质问题

填土的性质与天然沉积土比较起来有很大不同。由于填土的埋积条件、堆填时间、特别是物质来源和组成成分的复杂和差异，造成填土的性质很不均匀，分布和厚度变化上缺乏规律性，带有极大的人为偶然性。一般是任意堆填，未经充分压实，故土质松散，空洞、孔隙极多。因此，填土的最基本特点是不均匀性、低密实度、高压缩性和低强度，有时具有湿陷性。现对以上各种填土的工程特性及工程地质问题分别叙述如下。

（1）素填土

素填土的工程性质取决于它的密实度和均匀性，在堆填过程中，未经人工压实者，一般密实度较差，但堆积时间较长，由于土的自重压密作用，也能达到一定密实度。如堆填时间超过10年的黏性土，超过5年的粉土，超过2年的砂土，均具有一定的密实度和强度，可以作为一般建筑物的天然地基。

素填土地基的不均匀性，反映在同一建筑场地内，填土的各指标（干重度、强度、压缩模量等）一般均具有较大的分散性，因而防止建筑物不均匀沉降问题是利用填土地基的关键。

（2）杂填土

杂填土颗粒成分复杂，有天然土的颗粒、有碎砖、瓦片、石块以及人类生产、生活所抛弃的各种垃圾。从化学性质来说，某些杂填土颗粒是稳定的，如其中的天然土颗粒；而另一些成分则是不稳定的，如某些岩石碎块的风化，或炉渣的崩解以及有机质的腐烂等。从土颗粒的物理力学性质来说，一般天然土颗粒强度大于土的结构强度很多倍，地基承载力受土的结构强度控制，土颗粒不致遭受破坏，即使个别颗粒破坏，其土的孔隙比的改变率比由于土颗粒破坏所产生的影响大得多，因此对一般天然地基土不考虑颗粒变形问题，而对杂填土则应考虑颗粒本身强度，如炉渣之类工业垃圾，颗粒本身多孔质轻，在不很高的压力下即可能破碎；而含大量瓦片的杂填土，除瓦片间空隙很大，可压密外，当压力达到一定程度时，往往由于瓦片的破坏而引起建筑物的沉陷。

由于杂填土颗粒成分复杂，排列又无规律，造成杂填土密实程度的不均匀性。而瓦砾、石块、炉渣间常有较大空隙，且充填程度不一，这更加剧了杂填土密实程度的不均一。

杂填土的分布和厚度变化，不像自然沉积土有一定规律性，且往往变化悬殊，但杂填土的分布和厚度变化一般与填积前的原始地形密切相关。

就其变形特点而言，杂填土往往是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性。对部分新的杂填土，除正常荷载作用下的沉降外，还存在自重压力下沉降及湿陷变形的特点，杂填土在自重下的沉降稳定速度决定于很多因素，如杂填土的颗粒大小、级配、填土厚度、降雨及地下水情况以及外部荷载情况等；对生活垃圾土还存在因进一步分解腐殖质而引起的变形。干或稍湿的杂填土一般具有浸水湿陷性，杂填土形成时间短，结构松散，这是引起浸水湿陷和变形大的主要原因。其次当杂填土中含可溶盐较多，对杂填土浸水湿陷也有一定影响。

杂填土的物质成分异常复杂，不同物质成分直接影响土的工程性质。当建筑垃圾土的组成物以砖块为主时，则优于以瓦片为主的土。建筑垃圾土和工业废料土，在一般情况下优于生活垃圾土。因生活垃圾土物质成分杂乱，含大量有机质和未分解腐殖质，各种有机质的腐化速度彼此不同，加以埋藏条件不同，地下水情况各异，难以确定其中的复杂过程，但是当填土中腐殖质主要部分是半分解或未分解的植物遗体，且仅仅经过了短时间的腐化，或当杂填土中腐殖量过大时，不仅影响沉降稳定的时间，而且具有很大的压缩性和很低的强度。

（3）冲填土

冲填土的颗粒组成随泥砂来源而变化，有砂粒也有黏粒和粉粒。在吹填的出口外，沉积的颗粒较粗，甚至有石块，顺着出口向外围则逐渐变细。在冲填过程中由于泥砂来源的变化，则会造成在纵横方向上的不均匀性，土层多呈透镜体状或薄层状构造。并常形成1／1000左右的坡度，砂性较重的土，坡度亦较大。

冲填土的含水率大，当为黏性土或粉土时，一般大于液限，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态。特别是当黏粒含量较多时，水分不易排出，土体形成初期呈流塑状态，后来土层表面虽经蒸发干缩龟裂，但下面土层由于水分不易排出，仍处于流塑状态，稍加扰动即发生触变现象。因此冲填土多属未完成自重固结的高压缩性软土，土的结构需要有一定时间进行再组合，土的有效应力要在排水固结条件下才能提高。

土的排水固结条件，也决定于原始地面的形态。如原地面高低不平或局部低洼，冲填后土内水分不易排出，长时间仍处于饱和状态，如冲填于易排水地段或采取排水措施时，则固结进程加快。

冲填土一般比同类自然沉积饱和土的强度低，压缩性高。冲填土的工程性质与其颗粒组成、均匀性、排水固结条件以及冲填形成的时间均有密切关系。

（4）压实填土

压实填土的工程性质，取决于填土的均匀性，压实时的含水率和密度，以及压实时质量检验情况等。利用压实填土作地基时，不得使用淤泥、耕土、冻土、膨胀性土以及有机物含量大于5%的土作为填料，当填料内含有碎石土时，其粒径一般不大于200mm。若填料的主要成分为易风化的碎石土时，应加强地面排水和表面覆盖等措施。

【思考题】

2－1　冲积物与洪积物的异同点，残积物与坡积物的异同点。

2－2　风积土的类型和主要工程性质。

2－3　试述土的分类原则和土的工程分类。

2－4　土的孔隙度和孔隙比有何区别和联系，在工程应用中有何意义？

2－5　试说明土的液限和塑限的意义。

2－6　土的基本物理性质指标的定义及其相互换算关系。

2－7　土的压缩性和抗剪强度指标的含义及计算式。

2－8　试说明无黏性土和黏性土在抗剪强度指标上的区别。

2－9　我国特殊性岩土的主要类型及其各自的典型特征。