西安地区土质分析.docx

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西安地区土质分析

一、西安土质为黄土（沙质），属于湿陷性黄土。

湿陷性黄土的主要特征为黄色为主要色调，含盐量较大，粉土颗粒含量较多，具有大孔性，在天然剖面上有垂直节理。

土质稳定性好，再没有遇到水的情况下，土质坚硬。

受水浸湿容易湿陷，使建筑物大幅度沉降、倾斜而影响其安全和正常使用。

湿陷性黄土是指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。

这种黄土一般来说质地均匀，属大孔隙土，具有中、高压缩性，在天然含水情况下，受荷载作用即产生压缩变形，可自重或非自重湿陷。

自重湿陷性黄土在上覆土层自重应力下受水浸湿后，即发生湿陷；在自重应力下受水浸湿后不发生湿陷，需要在自重应力和由外荷载引起的附加应力共同作用下，受水浸湿才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。

黄土产生湿陷性的原因可以从多个不同的角度分析，先从它的形状和构成来考虑。

湿陷性黄土主要分布在我国的西北地区，而西北地区气候干燥，属于干旱或半干旱地区，在其形成初期，季节性的少量雨水把松散的粉粒粘聚起来，而长期的干旱又使水分不断蒸发。

于是土层中的水分散失。

水中所含的盐类，如碳酸钙，硫酸钙等，在土粒表面上形成一种胶结物质，它和土粒之间由分子引力形成的水膜共同构成一个胶结骨架。

胶结骨架起到了阻止土结构在自重应力作用下压密的作用，从而使土中出现了很多肉眼可见的多孔隙结构。

这种孔隙结构具有明显的强度，在一定条件下具有能保持土的原始基本单元结构而形成不被破坏的能力，由于结构强度的存在，使得湿陷性黄土的应力应变关系和强度特性表现出与其它土类有明显不同的特点。

而且黄土由于胶结物的凝聚和结晶作用被牢固地粘结着，使其结构强度在未被破坏软化时，常表现出压缩性低、强度高等特性。

但是，当这种孔隙结构被水浸湿后。

水又溶解了里面的盐类，也就破坏了胶结骨架的结构性，使土的强度大大降低，这时由于上部荷载或自重的作用，土颗粒被挤进土结构大孔中，便出现了大量湿陷现象。

由于受水浸湿这一特定条件的不确定性，湿陷性黄土地基的湿陷特性对建筑物带来了不同程度的危害性，轻者使工程结构产生裂缝或下沉，重者使结构物大幅度沉降、倾斜以致影响其安全和使用。

对黄土湿陷性的判别用湿陷系数

值来判定。

式中：

-土样的原始高度（m）;

-土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力p的作用下，压缩稳定后的高度（m）;

-对在压力p作用下的土样进行浸水，到达湿陷稳定后的土样高度（m）。

湿陷系数

为单位厚度的土层，由于浸水在规定压力下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。

我国《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）A按照

国内各地的经验采用

=0.015作为湿陷性黄土的界限值，

≥0.015的定为湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。

湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。

一般认为

<0.3为弱湿陷性黄土，0.03<

≤0.07为中等湿陷性黄土，

>0.07为强湿陷性黄土。

黄土的湿陷系数

与试验时所受压力的大小有关，《湿陷性黄土地区建筑规范》根据我国一般建筑物基底土的自重应力和附加应力发生的范围规定，在用上述室内压缩试验确定

时，浸水压力取值作如下规定：

在基础底面下10m以内土层用200kpa;10m一下到非湿陷性黄土层顶面用上覆土层的饱和自重y压力（当大于300kpa时仍用300kpa）;但当基地压力大于300kpa时，宜按实际压力测定。

湿陷性黄土地基湿陷系数类型的划分，《湿陷性黄土地区建筑规范》用计算自重湿陷量

来划分这两种湿陷类型的地基，

（cm）按下式计算：

式中：

-根据我国建筑经验，因各地区土质而异的修正系数；

-第i层地基土样在压力值等于上覆土的饱和自重应力时，试验测定的自重湿陷系数；

-地基中第i层土的厚度；

n-计算总厚度内的土层数。

当

>7cm时为自重湿陷性黄土地基，

≤7cm时为非自重湿陷性黄土地基。

湿陷性黄土地基湿陷等级的判别

《湿陷性黄土地区建筑规范》对地基总湿陷量

用下式计算：

式中：

-第i层土的湿陷系数；

-第i层土的厚度；

-考虑地基土浸水机率、侧向挤出条件等因素的修正系数。

从桩基设计的角度看，湿陷性黄土地层具有如下的工程特点：

（1）大孔隙

湿陷性黄土往往具有肉眼可见的大孔隙，其孔隙比一般在1.0左右。

黄土在自重或一定荷载作用下受水浸湿，土体结构破坏而发生附加下沉，导致桩身受到负摩阻力。

（2）含水率变化对承载力的影响

黄土地层中的天然含水率状态及其在工程竣工后可能出现的含水率状态是评价黄土特性特别是地基的抗震性的非常重要的依据。

（3）振陷与湿陷特性

已有研究成果表明，黄土可以在两种情况下发生类似液化的现象。

一种是饱和黄土在静压力较低、动荷载较大，由动荷引起黄土结构的迅速破坏导致孔压的迅速上升，或者由剩余湿陷变形的迅速发展而发生液化现象。

另一种是干燥黄土，当受较大动应力的剪揉作用而发生快速的结构破坏时，因黄土的含水率低，粉颗粒彼此散开，并向大孔隙落入。

此时，由于孔隙中的空气来不及排出，致使在份粒悬落过程的瞬间，土的强度丧失，发生液化流动。

（4）负摩阻力特性。

因为湿陷性黄土浸水后，桩侧不但正摩阻力完全消失，还会由于湿陷过大沉降产生负摩阻力，该摩阻力将有桩尖土承担。

已有的试验表明，中性点的位置在浸水过程中经历由浅变深，然后随着地层的沉降稳定而趋于稳定的过程。

从地基处理技术出发，湿陷性黄土地基处理的目的是改善土的性质和结构，减少土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生，部分或全部消除它的湿陷性。

常用的处理湿陷性黄土地基的方法有灰土垫层、重锤夯实、强夯、石灰桩、素土桩挤密法、浸水处理，可根据地基湿陷类型、等级、结构物要求等条件选用。

二、锡林郭勒以草原荒漠化沙地为主。

常年风速很大，风蚀作用很大。

对已修建的公路，风力作用于迎风面路基，经过风力的不断侵蚀，路肩松散的沙土流失，导致路基坍塌和下落。

昼夜温差大，路基路面日夜间温差的剧烈变化，加速了路面的老化，缩短了路面的寿命。

这地区夏季降水多，冬季寒冷。

冬季沙地容易发生冻胀。

发生冻胀的地区地下水位埋深在2m以内，冬季冻土深一般为1.4-2.0之间。

沙区公路，冬季发生冻胀，路面龟裂，次年春季因路面吸收阳光多，融化快，而路基深部未消融，引起热传导不均，中间积水无法迅速下渗而翻浆，因而每年的冻胀对公路造成极大损害。

衡量冻胀的指标为冻胀系数。

衡量冻胀的指标——冻胀系数（或冻胀率）平均冻胀（在横断面方向，路面全宽内的平均冻胀值）值，h与相应的冻结深度z的比值，称为冻胀系数kf，kf值为综合反映冻胀性强弱的指标。

在高地下水位地段，使用强冻胀性土的路基，冻胀系数可达0.15～0.20。

冻胀与翻浆是季节性冻土与多年冻土地区所特有的公路病害，因而也是路基路面设计施工中必须着重考虑的问题。

先谈风积沙。

风积沙的比表面很大，但无粘性（内聚力基本为零），颗粒表面活性低，松散性强，级配差，保水性差，但水稳性好。

风积沙组成主要为细沙、土质细沙或含土细沙，主要表现为天然状态松散、无黏性、毛细现象不发达等特点。

用风积砂作为路基填料具有整体稳定性好、沉降量小、水稳定性好等优点

。

风积沙中的化学成份以

、

，和CaO为主，其它成份较少。

此外，沙中易溶盐含量很少，属非盐渍土类，pH值呈微碱性。

风积沙击实规律表现为随着含水量增大，击实干密度先下降，再上升（呈凹曲线），最大干密度出现在含水量接近零处或接近饱和处。

）风积沙的沉降变形一般在15S以内即完成，且不产生徐变，总沉降量很小，属低压缩性土，风积沙沉降量随荷载的增加而呈指数形式变化。

风积沙的空隙比随沉降率增加呈线型变化。

）查有关研究资料表明，风积沙共振频率在25～55Hz之间，其值与沙的压实度、含水量和厚度等有关；在其它条件变化不大时，共振频率随压实度提高而提高；在压实度差别不大时，不同沙层厚度的共振动频率差异不大；在较小的压实度条件下，共振频率随含水量增加而有增大的趋势，但在含水量达到13％以后，反而略有下降。

松散的风积沙，无论含水量大小，均在35～45Hz的激振频率处下沉量最大但最大沉降量一般出现在干沙及含水量饱和时。

且动载大小直接影响到压实效果，动载大，则压实效果好；反之，动载小，则压实效果略差。

风积沙的压实，在有关物理指标相近的条件下，取决于风积沙的含水量和施工工艺的选择与控制，在含水量相对确定的条件下，施工工艺更是影响压实度的重要因素。

为了使风积沙工程具有足够的强度和稳定性，必须对其进行击实试验以获得材料的最大干密度和最佳含水量，以此来作为考察风积沙性能的重要指标。

因此，有必要对风积沙的击实特性进行研究分析。

用干振法和饱水振动法确定风积沙最大干密度。

风积沙在西部地区路用性能很可观。

取沙时以路基沿线两侧就近取弃为原则，取沙以沙丘为主，弃沙以沙窝为主。

取沙宽度控制在路基两侧20m范围内,并与平整度施工相结合,取沙量较大时，宽度不超过路基两侧50m的范围。

路线两侧取沙深度与边坡的防护相结合，当沙坑深度小于1m时,可将路堤边坡延伸至取沙坑底一并防护;深度大于1m时,在路堤坡脚与取沙坑之间设置宽度大于3m的护坡道,其外侧边坡修成缓坡。

对填方高度小于1m的流动沙丘路段，需先将厚沙丘推平,并进行填前碾压,确保地表面以下30cm范围内沙层的压实度达到94％的要求。

风积沙填筑路堤时，各分层中夹杂的黏土、树根等要及时清除。

对于同时用风积沙和土作填料时，

应避免将风积沙和土在同一层中混合填筑;确需分层间隔填筑时，用土填料累计压实厚度要大于50cm。

这样可以针对不同的填料性质，采取不同的最大干密度标准以便控制工程质量.填挖方作业时，尽量以挖作填，减少弃方。

对因施工作业及取弃沙等造成原地表植被破坏的部分，路基成型且边坡整理后，

采取柴草网格障蔽或黏土压盖措施，对新出露的沙面及时防护，并撒播草籽，恢复植被。

此地区又属于季节性冻土地区，因此从秋季开始会有冻胀与翻浆现象。

冻胀与翻浆是季节性冻土特有的公路病害，因而也是路基路面设计施工中必须着重考虑的问题。

使用冻胀性土的路段，当有水分供给时，在冬季负气温作用下，水分连续向上聚流，在路基上部形成冰夹层、冰透镜体，导致路面不均匀隆起，使柔性路面开裂、刚性路面错缝或折断的现象，称为冻胀。

　使用冻胀性土的路段，在冬季负气温作用下，水分连续向上聚流、冻结成冰，导致春融期间。

土基含水过多，强度急剧降低，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象，称为翻浆。

基上部迁移的数量，使冻胀减弱，使翻浆的程度变小。

其形成过程是这样的：

秋季，是路基水的积聚时期。

由于降水或灌溉的影响，地面水下渗，地下水位升高，使路基水分增多。

冬季气温下降，路基上层的土开始冻结，路基下部土温仍较高。

水分在土体内，由温度较高处向温度较低处移动，使路基上层水分增多，并冻结成冰，使路面冻裂或隆起，发生冻胀。

春季或夏季，气温逐渐回升，路基上层土首先融化，土基强度很快降低，承载能力降低，在行车作用下形成翻浆。

以后天气渐暖，蒸发量增大，冻层解冻，路基上层水分下渗，土变干，土基强度逐渐恢复，这就是翻浆发展的全过程。

冻胀与翻浆都是在夏、秋季地面水下渗或地下水位升高的基础上，在冬季负气温的影响下，发生水分迁移，使路基上层水分增多，并冻结成冰而形成。

冻胀发生在冬季，是路基上层显著聚冰的直接反映；翻浆虽发生在春季，也是在冬季路基上层聚冰的基础上，化冰时土基水分过多，强度急剧下降，并经行车作用而形成。

一般情况下，冻胀大的路段，土基聚冰多。

春融期水分多，则翻浆较重；反之，冻胀小路段，土基聚冰少，春融期水分就少，则旧不易翻浆。

但有时冻胀大的路段并不翻浆，这可能是聚冰层位于位于土基下部或路面较厚等缘故：

有时冻胀小的路段反而翻浆，其原因可能是聚冰层虽薄但位于土基上部、聚冰下挤没有表现为冻胀、路面过薄或结构不合理

。

公路冻胀与翻浆是多种因素综合作用的结果。

土质、水、温度与路面是影响冻胀的四个主要因素，翻浆除这四个因素影响外，还受行车荷载因素的影响。

在上述诸因素中，土质、温度和水是形成冻胀和翻浆的三个基本条件。

1）土质

粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆。

这种土的毛细水上升较高祈且快，在负温度作用下水分易于迁移，如水源供给充足可形成特别严重的冻胀，在春融时承载能力急剧下降易于形成翻浆。

粘性土的毛细水上升虽高，但速度慢，只在水源供给充足且冻结速度缓慢的情况下，才能形成比较严重的冻胀和翻浆。

粉性土和粘性土含有较多的腐植质和易溶盐时，则更易形成冻胀和翻浆。

粗粒土在一般情况下不易引起冻胀和翻浆，因其毛细水上升高度小、聚冰少，且在饱水情况下也能保持一定的强度；但当粗粒土中粉粘粒含量超过一定量以后，冻胀性明显增加，也能形成冻胀和翻浆。

2）水

冻胀与翻浆的过程，实质上就是水在路基中迁移，相变的过程。

路基附近的地表积水及浅的地下水，能提供充足的水源，是形成冻胀和翻浆的重要条件。

秋雨及灌溉会使路基的含水量增加，使地下水位升高，从而促成冻胀与翻浆的形成。

3）温度

没有一定的冻结深度或冰冻指数（冬季各月每日负气温的总和）是难以形成冻胀和翻浆的，没有更大的冻结深度或冰冻指数是难以形成严重冻胀和翻浆的。

而在同样冻结深度或冰冻指数的条件下，冻结速度和负温作用的特点对冻胀和翻浆的形成有很大影响。

例如，在初冬时气温较高或冷暖交替变化，温度在

0℃~3℃~-5℃之间停留时间较长，冻结线长时间停留在土基上部，就会使大量水分聚流到距地面很近的地方，形成严重的冻胀和翻浆。

反之，冬季一开始就很冷，冻结线下降很快，水分来不及向上迁移，土基上部聚冰少，那么冻胀和翻浆就较轻或不出现。

另外，春融期间的气温变化及化冻速度对翻浆也有影响。

如春季开始化冻时，天气聚暖，土基急剧融化，则会加重翻浆。

如春融期间冷暖交替并伴有雨、雪，也会使翻浆加重。

4）路面

冻胀与翻浆都是通过路面变形破坏而表现出来的。

因此，冻胀与翻浆和路面是密切相关的。

路面类型对冻胀与翻浆有影响。

如在比较潮湿的土基上铺筑沥青路面后，由于沥青路面透气性较差，路基中的水分不能通畅地从表面蒸发，可能导致聚冰增加，冻胀量增大，以致出现翻浆。

路面厚度对冻胀与翻浆也有影响，路面厚度大时可减轻冻胀，可减轻或避免翻浆。

5）行车荷载

公路翻浆是通过行车荷载的作用最后形成和暴露出来的。

虽然路基有聚水、有冻胀，春融时含水过多，但无行车荷载作用，是不可能产生翻浆的。

当其它条件相同时，在翻浆季节，交通量愈大，车辆愈重，则翻浆也会愈多、愈严重。

冻胀率是岩土冻结前后体积之差与之差与冻结前体积之比。

以百分数表示。

一般以土试样冻结前后的高度差（Ah）与冻结前试样高度（h）之比表示。

防治冻胀与翻浆的工程措施　　　　

1.做好路基排水

重视排水沟渠的设计，使排水沟渠与桥涵组成一个完整通畅的排水系统。

为降低路基附近的地下水位，可采用有管渗沟：

为拦截并排除流向路基的地下水，可采用截水渗沟。

2提高路基填土高度　　

提高路基填土高度，增大了路基边缘至地下水或地面水水位间的距离，从而减少了冻结过程中水分向路其目的在于防止水分进入路基上部，从而起到防治冻胀与翻浆的作用。

按使用材料将隔离层分为两类：

　　1）　透水性隔离层　　是用碎石、砾石或粗砂等做成，厚度一般为10～20cm，高出地面水20cm以上；为防止淤塞，应在隔离层上面和下面设置防淤层。

　　2）不透水性隔离层　又可分为不封闭式（隔断毛细水）和封闭式（隔断毛细水和横向渗水）两种。

不透水隔离层所用材料为沥青土、沥青砂、直接喷洒沥青或柏油、油毡纸、不透水土工布、塑料薄膜等不透水材料。

3换土　　

采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部，可以提高土基的强度和稳定性。

换土层厚度可根据地区情况、公路等级、行车要求以及换填土材料等因素确定，一般路基上部换填60～80cm厚的粗粒土，路基可基本稳定。

4注意路槽排水　　

通常采用砂垫层和横向盲沟等措施。

砂垫层的作用为：

融期可起蓄水、排水作用：

能隔断毛细水上升；融期可防止路基泥浆上挤污染路面结构层；冬季对路基冻胀可起到缓冲作用，从而减轻路面冻胀。

砂垫层的经验厚度根据路基潮湿类型一般取15～30cm。

路槽下设横向盲沟可及时排出透水层内的纵向水流和春融期土基化冻时的多余水分。

但盲沟往往容易淤塞，使用时应注意。

5加强路面结构　　

在冻胀与翻浆路段，常使用整体性好的石灰土、煤渣石灰士、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构层。

6　加设防冻层　　如按强度计算的路面厚度小于路面防冻最小总厚度时，需用冰冻稳定性良好的材料加设防冻层补足。

路面防冻最小总厚度hfp=（fa-fD）Ec／fa。

　　式中fa——路面实际冻胀值，cm；　　fp——路面允许冻胀值，cm；　　Ec——临界冻结深度，cm。

　　防冻层材料应选用冰冻稳定性良好的砂砾、粗砂、矿渣等粒料，也可采用水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土等。

7铺设隔温层　　

在重冻区，有条件时也可采用铺设高效隔温层的方法，减少土基冻结深度，以防冻胀及翻浆。

隔温层采用导稳性能差的材料铺在土基内或路面结构层内。

隔温材料一般采用煤渣、压实锯木屑、泡沫塑料等。

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