隧道工程中常见的“问题土”

来源： 岩土联盟

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湿陷性黄土地基          

 

一、黄土的特征和分布

黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部特征，不同于同时期的其它沉积物。

黄土具有以下全部特征：  

1.　颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；

2.　颗粒组成以粉粒(0.05-0.005mm)为主，含量一般在60%以上，几乎没有粒径大于0.25mm的颗粒；

3.　孔隙比较大，一般在1.0左右；

4.　富含碳酸钙盐类；

5.　垂直节理发育；

6.　一般有肉眼可见的大孔隙。

当缺少其中一项或几项特征的称黄土状土。

黄土的分类  

黄土按成因分为原生（或典型）黄土和次生黄土。一般认为不具层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过流水冲刷、搬运重新沉积而形成的具有层理含较多砂粒以至细粒的黄土称次生黄土

黄土的分布  

黄土分布很广，面积达1300万平方公里，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。

我国黄土分布面积635280平方公里，占世界黄土分布总面积的4.9%左右，主要分布在北纬33-47度，以34-45度之间最为发育，属于干旱、半干旱气候类型。

我国湿陷性黄土分布面积约占我国黄土分布总面积的60%左右，为27万平方公里，大部分在黄土中游地区，北起长城附近，南达秦岭，西自乌鞘岭，东至太行山，即北纬34-41度，东经102-114度之间。

湿陷性黄土一般都覆盖在下卧的非湿陷性黄土层上，厚度以六盘山以西地区较大，达30米，六盘山以东地区稍薄，如汾渭河谷多为几米至十几米，再向东至河南西部则更少，并且有非湿陷性黄土位于湿陷性黄土层之间。

 

二、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，外因则是水和压力的作用。

1. 毛管假说

Terzaghi指出当潮湿砂土内的不连续水分积聚在颗粒接触点时，相邻颗粒孔隙中水和空气交界处的表面张力，使土粒拉在一起。水浸入土中后，表面张力消失，于是砂土溃散。有的学者曾用这种观点来解释黄土的湿陷，以后遭到反对。J.G.Dudley认为毛细压力是黄土中形成细粉粒粘结和絮凝粘粒粘结的重要因素。黄土中的毛细作用是存在的，但将其作为湿陷的主要原因值得商榷。常宝琦曾用风干的扰动土样制成试件，虽然破坏了毛细管通道，消除了弯液面作用，仍然有很大的的湿陷性。

2. 溶盐假说

黄土中存在大量的可溶盐。当黄土的含水量较少时，易溶盐处于微晶体状态，附着在颗粒表面，起着一定的胶结作用。这种胶结作用是黄土加固内聚力的一部分，受水浸湿后，易溶盐溶解，这部分强度就丧失了，因而产生湿陷。

我国湿陷性黄土中的易溶盐含量都较少，不是组成加固内聚力的主要部分，难溶盐含量虽高，但其溶解很缓慢，因此，较多的观点认为易溶盐的溶解不是产生湿陷的主要原因。

3. 胶体不足说

认为黄土的湿陷性是含有小于0.05mm颗粒含量小于10%的土所固有的性质，这种土缺少胶体部分；如果有显著数量的胶体，则膨胀可防止湿陷的发生。朱海之认为当粘粒含量大于15-20%时黄土不具有湿陷性，但发现兰州西盆地北岸二级阶地上的黄土粘粒含量大于30%，却湿陷性强烈。

4. 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；但是，还不足以解释各种复杂的湿陷现象的（如湿陷性的强弱、自重湿陷与非自重湿陷等）产生。 

5. 欠压密理论

黄土是在干旱或半干旱气候条件下形成的。风成黄土在沉积过程中，表面受大气降水的影响。在干燥少雨的条件下，大气降水浸湿带的厚度常少于蒸发影响带的厚度，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，但由于土层薄，自重压力小，未能得到有效压密。随黄土继续堆积，a-a线提高，在新的a-a线与b-b线之间的土层，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，欠压密程度大，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，东南部弱这一规律。

 

 

三、湿陷性黄土地基的处理

湿陷性黄土地基处理的方法很多，在不同的地区，根据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。

所采用方法的有：

* 重锤表层夯实和强夯

* 土垫层

* 土挤密桩

* 桩基础

* 化学加固法

* 其它加固方法(预浸水法、热加固法、水下爆破法、电火花加固法）

     

膨胀土地基          

 

膨胀土也是一种很重要的地区性特殊土类，按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112--87）（以下简称《膨胀土规范》）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。众所周知，一般粘性土也都有膨胀、收缩特性，但其量不大，对工程没有太大的实际意义；而膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的周期性变形特性非常显著，并常给工程带来危害，因而工程上将其从一般粘性土中区别出来，作为特殊土对待。

膨胀土在我国分布范围很广，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。

 

一、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级

a、影响膨胀土胀缩特性的主要因素

影响膨胀土胀缩性质的内在机制，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，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。

影响膨胀土胀缩性质的最大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。尽管某一种粘土具有潜在的较高的膨胀势，但如果它的含水量保持不变，则不会有体积变化发生；相反，含水量的轻微变化，哪怕只是1%-2%的量值，实践证明就足以引起有害的膨胀。因此，判断膨胀土的胀缩性指标都是反映含水量变化时膨胀土的胀缩量及膨胀力大小的。

b、膨胀土的胀缩性指标

1．自由膨胀率def

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def称为自由膨胀率。

2．膨胀率dep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。

以各级压力下的膨胀率dep为纵坐标，压力p为横坐标，将试验结果绘制成p-dep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。膨胀力在选择基础型式及基底压力时，是个很有用的指标。在设计上如果希望减少膨胀变形，应使基底压力接近于膨胀力。

 

二、膨胀土的判别

根据我国十余年来的实践经验，判别膨胀土的主要依据是工程地质特征与自由膨胀率。因此《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def≥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。

 

三、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

2．合理选择基础埋置深度

3．石灰灌浆加固

4．合理选用基础类型

5．合理选择施工方法

     

冻土          

 

 

一、冻土的定义

冻土是一种温度低于零摄氏度且含有冰的岩土。冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体。冻土中的冰可以冰晶或冰层的形式存在，冰晶可以小到微米甚至纳米级，冰层可厚到米或百米级，从而构成冻土中五花八门、千姿百态的冷生构造。

 

二、冻土的分布

地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我多年冻土主要处于高山多年冻土带和不连续多年冻土带，多年冻土面积约为206.8×104平方公里仅次于原苏（ 1000×104平方公里）和加拿大（ 390×104平方公里）约为美国的1.5倍。我国是世界上第三冻土大国，约占世界多年冻土分布面积的10%，约占我国国土面积的21.5%，同时我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的号称“世界屋脊”的青藏高原上，其它分布在帕米尔、西部高山（祁连山、阿尔金山、天山、西准格尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭以及东部。

 

三、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向冻胀力。

3．选用抗冻胀性基础改变基础断面形状，利用冻胀反力的自锚作用增加基础抗冻拔的能力。