采空区的地基处理

第一章 特殊性土的勘察11 什么叫特殊性土?土是覆盖地球表层的物质。自然界的土形形色色，成因类型千差万别。具有特殊的物理、力学、化学性质，并影响丁程地质条件的土称为特殊 性土。它主要包括软土、黄土、膨胀土、液化土、盐渍土、多年冻土等。这些天然形成的特殊性土的地理环境分布有一定的规律性和区域性，因此这 些特殊性土也称为区域特殊性土。我国幅员辽阔，公路工程遍布全国各地，从沿海到内地，从平原到山区，由于各个地区的地理位置、地质成因和地层构造、气象条件以及地基 土的地质特性差异甚大，一些特殊种类的地基土分布在全国各地。这些特殊性土由于具有不同的地质特点，工程性质差别很大。如软土的低强度和高 压缩性，黄土的湿陷性，杂填土的不均匀性，膨胀土的胀缩性以及多年冻土的冻胀变形和融沉性质等。多年来，随着建设事业的发展，对特殊性土地 基的处理，除了一些通用的方法以外，在各个行业都有一套专门的处理方法，形成了各自的设计规范和施工技术规程。改革开放以来，我国公路建设得到突飞猛进的发展。由于公路是一种延伸长度极大的线形建筑物，可能穿越各种不同的特殊性土地区，公路的 稳定性和正常营运常受到各种地质因素的影响，往往地质因素成为决定公路工程成本、工期、施工质量及建筑物使用效果和使用寿命的关键问题。如 何充分利用地质条件，降低处理难度，减少处治耗资，是设计人员、科研人员和施工人员考虑的一个重要问题。所以，研究特殊性土和不良地质对搞 好公路工程有着重要意义。12 什么叫软土?它的成因类型及分布有哪些特点? 软土属了一种特殊性土，它是在静水环境沉积的、高含水量、大孔隙比、高压缩性和低强度的细粒土。但是，在实际工程中，无论是勘察阶段 设计阶段还是施工阶段，由于对软土或是软弱土基本概念的认识不同，导致软土的鉴别标准混乱。所以，有必要统一认识，统一概念。国内各行业对软土的鉴别标准是有所差异的，就是同一部门在不同时期对软土的鉴别标准也是不尽相同的。就以公路行业为例，1985 年颁布的 公路土工试验规程（JTJ051日5）对软土的划分规定了五条标准（含水量、孔隙比、压缩系数、饱和度和快剪内摩擦角），见表1-1。1985年公路土王试验规程关于戟士的划分表戏M含水駅（%）扎謝比压縮託数oin*-1）快呦内呼據闻粘I-.4() 1200.50300.900 300.95“ 一年颁布的新的土丁试昭规程去掉这-划分壷说明这种划分方法在实川中存在一 定问题 W6年颁布的公賂软七地峯路堤设计与施工技术规范下筒称公 软规）关于软土的划分重新作规楚,见表1-2,1喷年规范关于软土的划分鉴别董表1-2(ft)人席JL蹴比十宁板的切艷瞳冃大于谏限* 1到1998年颁布的公路工程地质勘察规范 （JTJ 064-98）（以下简称98公勘规范”）关于软土的标准又有所区别。该文“术语”一章中指出：“软土 Mollisol:滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0,压缩系数大于o. 5MPa1,不排水抗剪强度小于 30kPa 的细粒土。”应当说明，“98公勘规范”中是引用了舛年国家标准岩土工程勘察规范（GB 50021-94）（以下简称94国标”）中的某些指标。向国标靠 拢这一指导思想，是完全正确的。但仔细分析后就会发现，“舛国标”和98公勘规范”中关于软土的标准是有很大的差别。“94国标”关于软土 的第5. 3. 1条指出：“天然孔隙比大于或等于1. 0,且天然含水量大于液限的细粒土应判为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其 压缩系数宜大于0. 5MPa-1不排水抗剪强度宜小于30kPa。在这里用了三项硬指标（含水员、孔隙比、细粒土），另外还用丁两项“软”指标之 所以称其为“软”指标，是因为这里用了“宜”，表示压缩系数和不排水强度两项指标在特殊情况下可以稍有选择和松动。两个标准，一字之差, 表示还是有差别的。根据软土判定标准，不管是老标准，还是新标准，对软土都是既制定了物理指标的标准，又制定了力学指标的标准。这样就构成了两种土，一 种是完全符合软土的物理性质和力学性质的土；另一种是物理指标符合软土指标标准，但力学指标尚有部分达不到软土指标标准。前种土称其为软 土，后一种土只能称其为准软土，一般称软弱土。由于我国幅员辽阔，软弱土在我国还是大量存在的。例如江苏省南通地区有种新近沉积的三角洲相软弱土，该层软弱土在三角洲地区广泛 分布，软弱土呈软塑一流塑状，天然含水量30%45%，孔隙比1. 01. 2。该土粉粒和砂粒含量较大，固结速度快，固结变形主要发生在O 100kPa的荷载下，所以压缩系数a100-200不大，由于该土压缩系数和不排水剪切强度均达不到软土标准，所以只能定为软弱土。实际上该土仍属 于高压缩性土，还需要进行地基处理。在河北省邯郸地区，有一种河湖相沉积的软塑流塑状低液限粘土，由于颗粒较粗，其快剪的内摩擦角可达 20左右，同样达不到软土标准。这种土作为公路地基同样需要进行地基处理以解决其沉降问题。所以说，公路工程的软土地基需要进行处治，公路 工程的软弱土地基同样需要进行处治。处治的方法是由公路工程的标准和构造物的类型决定的。有没有必要把软土和软弱土分成两种土，笔者持否定意见。问题的实质是软土的判定标准应该严一点还是宽一点，应该是一项标准还是数项标 准，建设部的标准值得借鉴，建设部的软土地区工程地质勘察规范 （JryJ 83-91）规定，凡符合以下三条特征即为软土：1）外观以灰色为主的细粒土；2）天然含水量大于或等于液限；3）天然孔隙比大于或等于1. O。第2页第二章 软基处理设计与计算2. 1 什么是堆载预压?什么是欠载预压、等载预压与超载预压? 公路路基堆载预压是利用天然地基土层本身的透水性质，通过一定的堆载预压荷载，使地基土中的孔隙水排出，土层充分固结和压缩，在荷载 长期作用下使地基处于固结状态，以消除主固结沉降，降低次固结沉降，达到减少工后沉降和不均匀沉降的目的。公路路基工程的堆载预压法按荷载的大小可分为欠载预压、等载预压和超载预压三种形式（见图2-1）。 欠载预压高度：路床底面以下的路堤高度+预压期沉降； 等载预压高度二路床底面以下的路堤高度+设计路面结构混合料掘算土柱高+预压期沉降； 超载预压高度二路床底面以下的路堤高度+设计路面结构混合料换算土柱高+预压期沉降+超载部分高度。 欠载预压适用于计算沉降量很小的软土路段或对沉降要求不高的低等级道路，欠载预压的优点是施工相对简单，省去了卸载、挖路槽的工艺， 同时节省了填土土方；等载预压适用于一E!|也:!一闵斷和荻丄沖2-1么:戟航压,等戟预压和趕栽抽压的帧压再度禾意图 韵久戟两压曲）等載fii压北）超載质茂第 52 页般路段；超载预压可作为缩短预压期的措施，用于对工后沉降要求非常严格的桥头路段。22 在软基设计和施工中，怎样计算预压土方与卸载土方? 在软基设计中，一般需要计算预压土方和卸载土方的数量，这里需要搞清三个概念： 预压土方 在等载预压和超载预压的软土路堤中，路床底面以上的土称为预压土，预压上的数量称为预压土方。 预压期沉人土方 在预压阶段，沉人天然地面标高以下的土方称为预压期沉人土方。 卸载土方 当预压期结束后，需要推掉预压土，然后要进行路面的底基层、基层、面层和培路肩的施工。推掉的这部分预压土称为卸载土方 预压沉人土方、预压土方和卸载土方的计算（见图 22）：ft(2-1)圏2乜 顶斥土方与激载土方小慙1割 预压沉人土方：几=(.x H) y. x L预压土方：丛二(E艾甘十nH)八*凤其中 H = h + k, + 肌 + hjAl载土方：旳二Py g式屮；禺预压期沉降un.Al沉降计算确足.n路堤顶宽殊 炉路圾底滤匚L路堤址理氏度H路堤设计高程,叫如设讨路面结构层厚度mh2说计路向站构混合料换算为土柱高的差值耳叽预压期沉降悖度理肛超载部分土方厚度,叫如果没右超载*则取釘=0； 冗边坡坡率。、踽丈腹血第 53 页第三章 软土地基处理方法31 浅层软土地基都有哪些处理方法?浅层软土地基处理方法有换填改善法、加筋法和垫层法三种。(1)换填改善法 换填改善法是采用人工或机械方法挖除地墓中的软弱土层，回填符合要求的当地土、粗粒料等，或者采取掺灰的方法改善软土的性质，并分层 碾压，以获得较好的地基。1) 开挖换填 在小范围发现的厚度较小的软土，可以全部挖除或部分挖除，换填成粗粒料或透水性材料，地下水位以上亦可以换填强度较高的粘性土。全部 挖除换填从根本上改善了地基，不留后患，是最彻底的方法。如果软土底面倾斜时，应注意挖台阶，分层换填。 在开挖换填以前，应注意在路基两侧先挖排水沟，以防地表水流人。2) 抛石挤淤 采用抛石的方法，将淤泥挤出基底范围，以提高地基的强度，这种方法称为抛石挤淤。抛石挤淤适用于常年积水的洼地，表层无硬壳层，软塑-流塑状，抛石可以沉达底部34m厚的软土，对于稍硬一些的软土，可以用挖掘机将 抛石压人软土层。抛石宜使用不易风化的片石，片石粒径一般不宜小于30cm，抛石挤淤在石料丰富的我国南方山区应用较多。抛石挤淤的抛投顺序，应先从路堤中部开始，向前突进后再向两侧扩展，以使淤泥向两旁挤出，抛石宽度一般应大于路堤底宽I2m。当软土 底面横坡陡于 1：10 时，抛石应从高的一侧向低的一侧扩展。并且在低的一侧多抛填一些。抛石出露水面0，5m后，应在顶面铺一层较小的石块，用重型振动压路机或重车反复碾压，使抛石压实，然后在其上铺设反滤层，再行填土。3）浅层拌和 对于层厚较薄的浅层软土可以采取浅层拌和法，即用水泥或石灰等作为拌和剂，掺入表层土中，用人工或机械进行拌和、摊铺、碾压，使地表 位置的地基形成一个人工的硬壳层，以满足路基或构造物对地基强度的要求。这种方法造价低廉、简单易行，实际施工中应用较多。掺灰数量根据试 验确定，一般掺石灰不大于 8，掺水泥不大于 5。（2）加筋法 软土土体是由固体矿物颗粒组成的骨架以及填允其间隙的水和空气组成的三相体，粒间连接微弱，抗拉强度远低于抗压强度，稳定性主要靠颗 粒间的嵌挤和摩擦来维持，所以软土本身强度很低。高强度的土工合成材料筋材起加筋作用，所谓“加筋”是指将筋材埋在土体之中，筋材可以分散 土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体的侧向位移，增加土体的强第 82 页度和韧性，从而达到加固地基的目的。目前用于加筋的土工合成材料品种很多，例如土工格栅、高强土工布、土工网格、土工带和土工格室等，在此仅简单介绍土工格栅和高强土工 布。土工格栅或高强土工布属于新型的土工合成材料，一般采用高强聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维等高分子聚合物为原料制成。土工格栅的特点是强 度高、延伸率低，用土工格栅进行加筋，可提高承载能力和减少沉降。与土工格栅相比，土工布同时具有加筋、反滤、排水、隔离等多方面的功能， 特别具有双向拉力、宽幅大，防止翻浆等优势，且价格较低，具有一定竞争力。由于土工合成材料是由高分子聚合物为原材料，所以影响其老化的主要因素是光辐射（紫外线）。上海光学机械研究所的检测表明，在3cm厚的 水泥板屏蔽下，紫外光辐射仅为白天日照的 33 亿分之一，土工合成材料深埋于碾压密实的填土中，紫外线辐照几乎等于零。同时，实验资料还表明 一般酸碱溶液对聚丙烯和聚乙烯无影响，因此，国外将土工格栅的设计寿命定为70年，我国将掺有碳黑屏蔽的土工格栅的设计寿命定为50年。1）土工格栅加筋层数的确定确定土工格栅加筋层数时，应按以下公式进行稳定性计算：式中:r亠一稳定安全乖数；%地基上的抗滑力矩Ms加筋体产生的抗J&力矩:汩滑滑动力月E:(緘I)(3-2)U (匕也+ Q竺听伽咆)R +斗乳花+ 5皿呼)(d声冷r式中；Qi第|条块iStAN/mjG第r茶块上在滑弧上的平均粘聚力,kN/m2;召第集块滑弧上的切线角；A第i条块滑弧获T m;弼第t条炊滑弧面土的内憔拣角化K汨弧半往5土工様栅毎延沐宽的设汁拉力(延伸率为蓟时所对应的拉力h/m);八上丁棒栅的J2数；皆一路堤填上的内摩擦角亠土工播栅与滑弧交点对滑弧岡心的肚平,垂曲力臂小飭取 U.可计算出土工格攝的层数 g2)十,工格栅或土丄布加筋法施工娈点；在铺设卞丄捲栅或七工布之祗场地应压实”整不能有坚硕凸出物扣尖说杂物仔往 (若地衣很轶佩工机械不需亶接徑软峯匕行走时异叮不压实人第 83 页 第四章 黄土的地基处理41 公路工程在黄土地区有哪些工程地质问题?(1)公路工程在乎坦的黄土地区的工程地质问题1) 黄土湿陷性黄土湿陷性是在黄土地区勘察、施工中遇到的最为普遍的工程地质问题。从目前研究资料看，黄土湿陷性主要发生在中更新世晚期(Q22)黄土 上部、晚更新世(Q3)黄土和全新世(Q4)黄土中，在兰州(Q4)黄土最大湿陷量达0. 8m,咸阳机场东线(Q3)黄土最大湿陷量达l, 4m。湿陷性黄土 占我国黄土地区总面积的 60以上，而且又多出现在地表上层，湿陷问题造成公路路基沉降变形、路面开裂和构造物的破坏，严重影响工程质量和 行车安全。2) 黄土中的地裂缝黄土巾发育构造地裂缝主要展布方位是 NE、 NEE 向。在低凹区呈串珠状落水洞，在平面上常呈羽列状展布。给道路带来极大损坏。如西安市 区发育七条 NE、 NEE 向展布地裂缝，横贯全市，致使其穿过的所有建筑物和道路破坏，。就道路而言，最典型的是雁塔路省委门口、翠华路小学门 口等处，使道路路线形成高差达数十厘米的陡坎。(2)黄土斜坡区有以下工程地质问题黄土斜坡区除具有上述病害以外，还具有以下特殊问题：1）黄土滑坡黄土滑坡的发育主要受地形、地貌、介质条件和水文地质条件等因素控制。黄土滑坡主要有以下 3种机理： 滑面位于黄土内滑坡：这往往是沿黄土中构造节理、构造斜节理等软弱结构面滑动，一方面它们的组合提供厂失稳面，另一方面又为降雨、 地表水等人渗提供了通道。故对这种结构面不容忽视。 滑面位于黄土与下伏基岩接触面上：由于黄土是以被覆式构造覆盖于下伏基岩之上，而二者接触面往往是基岩裂隙水、黄土中孔隙水排泄通 道，故当坡脚受到破坏（自然力或人为作用）时，极易产生滑动。 老滑坡重新复活：这类滑坡往往与地下水活动以及老滑坡前缘的破坏有关。老滑坡后缘往往形成滑坡湖，使地表水集聚、下渗，而在前缘溢 山。这样相当于对老滑床润滑，从而使老滑坡前缘复活。2）黄土崩塌 崩塌是黄土斜坡区发牛频率最高的重力地质作用，它常常发生在坡角大于50的斜坡上主要是在重力作用下沿垂直节理、风化节理、卸荷裂隙、构造节理等软弱面坍塌。3）黄土滑塌第 135 页滑塌兼有上述两者性质，发生在坡度大于50,坡高大于30m的斜坡上。大多数情况下是前部具滑动性质，后壁具崩塌性质，设有贯通的滑动 面。42 公路工程湿陷性黄土地基处理的标准与措施。由于高速公路行车对路基路面稳定性、变形的严格要求，所以必须对湿陷性黄土地基进行处理。处理标准与方法如下： 结合各省在湿陷性黄土地区修建高速公路的经验，并参照和借鉴现行建筑和铁路部门的思路，根据构造物、路堤的重要性，结构特点和受水浸 湿后的危害程度和修复难易程度，将公路工程分为以下四类：甲类工程：较高墩台和超静定桥梁；乙类工程：一般桥梁基础，拱涵，高路堤（大于 4m）；丙类工程：般涵洞，倒虹吸，低路堤（小于 4m）；丁类工程：桥涵附属工程。湿陷性黄土地区公路工程地基处理的标准与措施见表410公路工程湿謂性黄土地碁处理的标准与揩柿表4-1vpr一水況持正建觀物龙導、遥尊性施?总或按亂可施性我大）爭T性鹹水（或就湿可能性缺小1IIIIIEIV11IV甲mw、6址理湘如沁2-3J Y4-6O S r 1 - 2-1-35IM描施处理眸制曲0,8-1i 7角1佶73O.5-O.80.0- ,21.2-22T措施注！表I 11为采 M 施的加号 H；蕙文dfl下！为墩會基础皋取明挖.沉井或睚基.覺fHhiSn +.恳中f为采用雹尋医或柚孔挤瓶井栗取盼水和结爾鞠曲为采取卓铺舟实我快取井层 沁，斤釆取附加和琳构揩啟； 無为地慕去层夯擁G43 在湿陷性黄土地区，公路工程的地基处治包括哪些内容?高速公路在湿陷性黄土地区怎样确定处理厚度? 湿陷性黄土地基的变形包括压缩变形和湿陷变形两种。压缩变形由公路路基及其构造物的荷载引起，随时间增长而逐渐衰减，并很快趋于稳定， 当基底压力不超过地基土的容许承载力时，地基的压缩变形很小，一般能满足公路及其构造物对沉降变形的要求；湿陷变形是地基被水浸后所引起的 一种附加变形，往往具有局部性和突发性，而且湿陷变形很不均匀，对公路路基及其构造物的危害严重。高速公路对沉降变形和差异沉降均具有较高的要求，因此在湿陷性黄土地区的高速公路的设计中，为确保公路路基及其构造物的安全和正常使 用，对地基容许承载力不足、剩余沉降第 136 页第五章 液化砂土地基处理5.1 砂土液化路段的公路 32 程在地震中路基有什么病害?（1）根据我国唐山大地震震害资料介绍，在 1976 年 7 月 28 日的唐山地震中，唐山地区遭受震害的干线和县级公路共 11 条，总破坏长度 22811，占总长度的 1129。公路路基震害主要表现为：1）桥头路基开裂、下沉、滑移 桥头路基填土较高又直接受到河岸滑移的影响，所以震害比普通路基更严重。震害表现为向河心及两侧滑移，局部下陷，最大下沉 23m。2）路基纵向开裂裂缝宽度一般1030cm ；长度少则几十米，多则千余米；裂缝深度1-2m。3）路基横向开裂严重处横宽贯通路堤，把路基路面截断，缝宽最大达 60em。4）路面下沉下沉深度最大达1m路边人行道的树向内倾斜，路肩向两侧滑塌，路基两侧边沟大量喷水冒砂。5）桥头路基隆起桥头路堤受桥跨推挤，使路面产生隆起。（2）在唐山大地震中，天津市的调查结果也是类似情况，路基震害主要表现在：1）桥头引道沉陷并向河心滑移；2）涵洞处路基路面沉陷、路肩沉陷、高填土路基路面沉陷；3）路基路面的纵向开裂和横向开裂。52 什么是液化指数?液化指数的计算公式是什么?液化指数是建筑抗震设计规范(CB 50011-2001)关于判定液化程度的指标，是判定液化的依据。 按照液化指数，地基土分为轻微、中等、严重三个液化等级。对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表5-1综合划分地基的液化等级：式屮血液化指数；凡在刿别谏度范凰内每一个钻孔标准贯人试验点的总数？第158页jv|Vjvrn-分别为i点标准贯人试验锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应 取临界值的数值；血一i点所代表的土层厚度,m,可采用与该标准贯人试验点相邻的上、下蘭标准贯人试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不低于液化深度；吧一i 土层单位土层厚度的层位影响权函数值.nT,若判别深度为15叫当该层中点深度不大于勺“时应采用10,等于15时应采用零值,5- 15m时应按线性内插法 取值;若判別深度为20m,当该层中点深度不大于5 m时应采用10,等于20时应 采用冬值5 2(加时应按线性内插法取值。荻化等级表5d液化等纸轻VH中等严%刿别探度为15m H寸的液化捕数 v 么w555W15仏15刿别探度为20m时的液化描数018在液化指数的计算式屮，有以下二个未他的概念: 标准覧入试验锤击数临界值N&A；. = AoO.9.O,lU-4)3式中:d,饱和土标准贯人点深度,m;血一地下水位深度,m;Pn饱和土的粘粒含圮百分率，当fi() 3时，取0 = 3：No饱和土液化判别的基准标准贺入锤击数，按表5-2采用。地璀动峰偵加迷度系数仏)，0,150.300.4061016远復812表52液化判别基准标准贯入锤击数恥值(2) 液化点所代表的土层耳度(3) 土层深度的层位影响权函数值(单位为nr1)权函数聊与土层深度益有关,当深度Z,小于或等于5m时, 取权函数附等于10;当深度等于15m时，取权函数必等于0; 当深度Z,介于5-15m之间时.权函数叼在10与0之间按直线 插入取用(见图5-1).S 3什么是液化势？高速公路在可液化地 区液化势的规律性如何？液化是否发生涉及到土质特点、地華液化层的初始应力状态、 地展强度等诸多因素不确定因素校人。预测地犁土在淀条件F浪否发生液化的总的趋势，通常称为液化势液化势实际匕就第 159 页第六章 膨胀土的地基处理6重 用膨胀土作为路基填料有什么规定?掺石灰改善膨胀土的机理是什么?试用工程实例说明用掺石灰的方法改善膨胀土。公路路基施工技术规范（JTJ033-95）指出：强膨胀土稳定性差，不应作为路堤填料；中等膨胀土宜经过加工、改良处理后作为填料；弱膨 胀土可根据当地气候、水文情况及道路等级等条件加以利用。使用膨胀土作为路基填料时，为增加其稳定性可采用石灰处治，石灰剂量可通过试验确 定，要求掺灰处理后的膨胀土，其胀缩总率小于 07，土壤强度不低于表6-1 的要求。6.01010项目井捷I賂曲庭面H下裸憧）踣基填方材鄭最小强度和墨丈粒径表 ” ” 取料赧小陡度代册除填料啾大尹注6.0其他等圾佥弼门50“1題:撰艮路塑路床(- jOcici )上踰术上跻堤对中等和弱膨胀土应采取相应的治理措施，其主要的方法是在膨胀土中加入石灰，以稳定膨胀土和减小其膨胀性能，来提高路基的强度。膨胀土加灰后，土与石灰之间发生复杂的化学和物理化学作用，并通过土结构的改变导致工程地质性质的变化。1）离子交换作用石灰与土中水接触后，使孔隙水溶液ca2+离子浓度增加同时置换了粘胶颗粒表面的Mg2+、Na+和K+离子，当膨胀土加灰接触后这种作用立即发生，作用结果使粘胶粒亲水性减弱，产生凝聚或聚沉，并且形成较大的集粒或集聚体。第 171 页2）碳酸化作用石灰吸收空气的CO2形成CaCO3晶体，使粘胶颗粒、矿物单粒及集粒等发生钙质胶结，而CaCO3晶体坚固，水稳性好，从而提高了土的强 度，达到加固的目的。3）灰结作用 膨胀土加灰后，使土呈碱性，在碱性环境中，石灰与土中的氧化铝、氧化硅发生作用，形成含水硅酸钙和铝酸钙。它们是良好的水硬性结合料在水分作用下逐渐硬结，增强加灰混合土的坚固性和强度。4）土结构增加强度和坚固性 化学和物理化学作用使粘胶颗粒凝聚、胶结，并使集聚体表面形成水硬性包膜，使水化能力降低，导致土结构疏松。即使土浸水有一些体积变化，也因土结构疏松而在结构内部消化。因此加灰混合土表现出的胀缩性很小。当化学和物理化学作用较充分，土结构基本稳定，其胀缩性能随之消 失，同时也就增强了土的强度。土的化学、矿物成分的不同，用石灰加固的效果亦不同。就粘土矿物的类型而言，具有扩张型晶格的蒙脱石类粘土矿物，它的离子交换容量大 易于和生石灰的C92离子发生阳离子交换，从而限制了矿物的胀缩性，取得改良效果。综上所述，膨胀土加灰改良后的混合土，经夯实养护，其工程地质性质变化较大，膨胀潜势消失，强度增大，完全可以达到对膨胀土土质改良 的目的。工程实例 江苏省某高速公路位于苏北腹地，基本地貌为黄泛冲积平原区。路线经过处存在的不良地质地段主要有软土及膨胀土等。路基土土场试验指标 见表 6-2，试验资料表明该土属于弱膨胀土。路基土工程地质指标丧表6-2S 上描 号 P液限(%)站限塑措白由 膨胀4s(%)勲數组成(略)mn斥实度玄啪条即下口.070 002立按快的(%)粘结力(kPa)()H-J5.31S.532.85267.524.5452.24口,1-255.318.H567.()26.04212.82.500.36根据路基施工技术规范的要求，进行了膨胀土掺灰改善的试验工作，石灰采用宜兴产的三级钙质消石灰，石灰技术质量指标见表 6-3。掺石灰 比例分别为5：95、6：94和8：92(见表6-4和表6-5)。从表中可以看出，膨胀土通过掺灰处理后，各项指标有了明显的改善，随着掺灰量的增加，同时提高了土的CBR值。自由膨胀率、膨胀量、收 缩系数和吸水量均明显降低，而CBR值明显提高，各项指标有了明显的改善。第 172 页第七章 盐渍土的地基处理71 盐渍土地区公路病害的防治，应采取哪些措施?盐渍土地区公路建设，应在全面掌握盐渍土地区工程地质情况、合理选定公路路线的基础上，分别情况，区别对待，采取综合治理措施，才能 取得良好的防治效益。(1) 合理选定公路路线 盐渍土地区公路选线，要尽可能绕避有可能遭受洪水冲淹的低洼地带，以及潮湿或积水的强盐渍土或盐沼地带。一般情况下，盐渍土地区路基宜采用有适当高度的路堤，而不采用路堑形式。(2) 做好路基排水做好路基排水，形成合理的路基纵、横向排水系统，尽可能减少地表水对路基的浸透。(3) 路基有充足的压实度 室内试验证实，当含水量低于某一限度时，盐胀率趋于零。因此加大压实度，减小压实含水量以达到防治盐胀的效果。(4) 路基设置隔离层 土工合成材料隔断层可以有效地阻断地下水或降低毛细水的上升高度，隔断了水的来源不仅可以降低盐胀，而且可以防止路基土的“次生盐渍化”。(5) 路基要有足够的填土高度，路肩、边坡应采取加固措施。(6) 路面、路基全封闭最有效的防治措施是路面、路基全封闭。达到路面、路肩密封不透水，边沟衬砌不渗水，排水设施通畅不存水，杜绝地下水，保持路基干燥。(7) 强盐渍土、超盐渍土一般不得用于填筑路基。72 盐渍土地区公路工程如何选用水泥? 我国生产的水泥，按主要矿物组成，分为硅酸盐系和铝酸盐系。硅酸盐系主要有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和抗硫酸盐硅酸盐水 泥等，铝酸盐系主要有硫铝酸盐早强水泥、矾土水泥等。普通硅酸盐水泥，具有一定的早期强度和密实度，常使用于腐蚀轻微的工程。 矿渣和火山灰质水泥，由于活性化学成分增多，水化过程中大量吸收氢氧化钙，并生成难溶的低钙水化物和液相硫铝酸钙，具有较好的抗蚀性 能。抗硫酸盐硅酸盐水泥，铝酸三钙矿物含量一般低于 3，因此水化物中氢氧化钙和高钙铝酸盐较少，从而缓和了硫酸盐的腐蚀。硫酸盐腐蚀地 区广泛采用这种水泥。硫铝酸盐早强水泥，水化物稳定及早期强度高，抗蚀性能较强。但因初期水化不完全，对第 180 页硬化的部分有膨胀裂缝影响，故目前用于腐蚀工程不多。 矾土水泥，早期强度高且密实性好，抗蚀性能强。但存在后期晶型转化、强度倒缩的严重缺陷，同时生成的铝胶容易碳化，在碱性水介质的作 用下，有明显的溶出性腐蚀。这种水泥不宜用于碱性水介质的工程。73 盐渍土对公路工程构造物的腐蚀分哪些类型? 盐渍土地区公路工程构造物的腐蚀问题比较突出，腐蚀程度随介质的矿化度不同而异，矿化度越高则腐蚀越严重，同时也与介质的酸碱度、气 候环境条件、建筑物选材及施工质量等因素有密切关系。我国盐渍土主要分布在西北和东北部分地区，水质矿化度较高，结合气候干旱、酷热严寒、日温差大，常具有强烈的腐蚀性。常年无水的桥涵 工程受到腐蚀的主要部位位于地面以上 1m 至地下水位之间，地下水位以下，随着距地面深度的增加而减弱。腐蚀类型可按混凝土不同的破坏方式分为结晶性腐蚀、分解性腐蚀及结晶分解复合性腐蚀三类。(1)结晶性腐蚀 水中硫酸根离子含量超过一定限量时，与混凝土中的碱性固态游离石灰和水泥结石中的水化铝酸四钙相化合，生成硫铝酸钙结晶或石膏结晶。这种结晶体体积增大，产生膨胀压力，使混凝土受内应力作用而破坏，称为结晶性腐蚀。依照公路工程地质勘察规范 (JTJ 064-98)的规定，应 按表 7-1 进行评价。刘严在水中的含(L)1奘环噫n娄环境in或 _500 1500测凳0500 1X)0500 XJOO中導腐辿500- 150)】帅 30003Q00 -町 JOIXW-300C)3000 mo5W0 】fflW第晶类腐烛评价椁港表剂汁=：“【號坏堆乐棉黑零地眞，T早侶.或半干早./的寵黠匕战祓秸水-或在冬谬水性右上层的地卜“衣屮，均具右干配或冻曲交替Mo总II类环境就T早汎或半旱贰的混離卜处F弱透水性岩出盤帼区亠帥区的咖七卫接临水出均具口 十隈或滌融交普作用“九|关歼墮岳指评弋报.随中規庭土处丁弱逓朮性右土氏申，国不具和十渥或海建交瞽作川,(2)分解性腐悚低萌化度的出或水中氮离J游离二氧化碳浓度超过一定限量吋，使混凝土表侖眾化层或 風凝丄屮的固态游离仟灰质潘解于水，经潘謔流兀或与游离右嫌质相化合，降低了混凝十-中 的榔灰碱度，导致水泯结石水解破坊，这叫分解性腐蚀。依照C公路丄稈地质勘察规范ffl 舶一9町的规念应按表7-2进行评价刁結屁;稠屋合性腐蚀第 181 页第八章 多年冻土的地基处理81 多年冻土地区有哪些不良地质现象?多年冻土地区常见的不良地质现象主要有冰丘、冰锥、地下冰、热溶湖塘和冻土沼泽等。(1)冰丘、冰锥 在多年冻土地区的河滩、阶地、沼泽地及平缓山坡和山麓地带，常常会看到像坟丘一样的土包，大小不一，有的呈单个分布，有的像占墓群一 样成串成片地分布，这些丘状的土包称为冰丘。一般直径由数米大到12km，其高度可由几米至几十米。在多年冻土地区，冬季表层土由上而下冻结时，使多年冻土层顶部与季节冻层底部的过水断面逐渐减少，促使地下水承压，同时在冻结过程中 水向冻结面转移，形成地下冰层。因为水冻成冰，体积增大，产生很大的膨胀力，随着冻结深度的增加，当冰层的膨胀力和水的压力增加到大于上覆 土层的强度时，地表就发生隆起形成冰丘。冰丘在每年最冷月份开始隆起在夏季融化消失，叫做季节性冰丘。还有一种由冻结层下水补给而形成的多年生冰丘，其规模远比季节性冰丘 大而目终年存在，但这种冰丘并不常见。还有一种冰丘，当斤内承压水很大时可将冰丘鼓破爆炸喷水，形成爆炸性冰丘。当冰丘被鼓破之后，地厂水冲出地面边流边冻形成冰漫，此时就称为冰锥。 在多年冻土地区的山问洼地、河床、河漫滩、阶地及山麓洪积扇边缘地带，有时，很远就可看见一些洁白耀眼的冰体，这就是冰锥。冰锥的大 小、形态很多，有的冰锥直径仅12m，而有的可达I2km ；有的呈丘形、椭圆形，有的呈长条形和喇叭形；有的单个分布，有的则成串分布形成 冰锥群。绝大部分冰锥是一年生的，在东北兴安岭，每年 14月为冰锥的主要发展时期， 4月下旬以后冰锥停止增长，此时冰面上出现裂缝并逐步 破碎直至消失。按照水源补给条件，可将冰锥分为河冰锥和泉冰锥两种。在冬季河水上层结冰以后，过水断面变小河水流动受阻而渐具承压性。上部冰冻得越厚下部流水受压越大。当压力增加到一定程度时水就冲破 上覆冰层外溢，边流边冻形成河冰锥。同样道理地下水受承压水作用溢出地面就形成泉冰锥。冰丘、冰锥虽然都是多年冻土地区特有的一种冰缘现象，但它们之间是有区别的。冰丘只是地表冻胀隆起成丘状，而冰锥是冒水的，边流边冻 形成冰漫。当然冰丘被鼓破之后冒水也会形成冰锥，冰锥不一定地表都隆起，只要地下水冒出地面均可形成冰锥。在多年冻土地区，冰丘、冰锥对结构物危害很大，常见的有以下几种。 由于冰丘的隆起可将低路堤一同抬起，靠近桥墩的冰丘可使桥墩产生倾斜。 对于那些较大的冰锥可造成冰漫路基或堵塞桥孔，或使涵洞产生冰塞。有时冰锥还能冲入房屋的地下室。在工程施工：卜还町人为造成冰锥, 如开挖路堑、筑堤取土、开凿隧道等，由于地下水的涌出造成的冰锥，危害较大，处理起来十分困难。第 187 页(2)地下冰在多年冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰，其厚度不一，由几厘米至几米。这种层状冰多为地表水下渗转移到冻结层面上逐渐形成的。 至于埋藏较深的地下冰，其成因在学术界尚有争议，总之这种地下冰的存在对工程影响很大，常见的地下冰有楔形冰和层状冰两种。楔形冰 由于地温的不均匀变化，导致多年冻土中发生上大下小的裂隙，裂隙中聚水后冻结形成楔形冰。楔形冰多存在于泥炭或泥炭质淤泥冻层中。 层状冰(纯冰层)厚几厘米至几米，水平行地面呈层状存在的冰层称为层状冰，多存在于泥炭、粘土、亚粘土层中。层状冰一般分布在河谷冲积阶地、洪积阶地 及山坡坡脚附近。(3)热溶湖塘在多年冻土地区，因地表下陷而形成的凹地，称为热溶沉陷。当凹地积水成湖 (塘)时，称为热溶湖塘。热溶沉陷和热溶湖塘主要分布在高平原 有厚层地下冰分布的平台上，热溶沉陷和热溶湖塘容易导致路基发生不均匀沉陷。(4)冻土沼泽 在大小兴安岭多年冻土地区，巾于多年冻土广泛、降水集中、植被茂密、气温很低，地表水不易下渗，因而在沟谷洼地、河流阶地、洪积阶地、 缓山坡上以及分水岭垭口处发育有许多的冻土沼泽。沼泽类型因所在泥炭厚薄、沼底土层性质等地质条件和沼泽位置的不同而不同。在沼泽分布地带， 巾于草墩及泥炭层覆盖，多年冻土上限很浅，容易产生不均匀冻胀和热溶沉陷。82 公路路基工程在多年冻土地区有哪些病害?公路路基工程在多年冻土地区的病害主要有融沉、冻胀和冰害。(1)融沉 融沉是多年冻土地区路基主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段，当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰 层时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，多年冻土层局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造 成路基的严重变形。这种变形表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡溜坍等。热融下沉一般有以下特点：1) 突发大量的沉陷 在以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大量的沉陷，并使两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于过饱和状态，其承载力几乎为零，加之路堤两侧融化深度不一致，使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。在车辆振动荷载作用下，过饱和的粘性土顺着冻结 面挤出，路堤瞬间产生大幅度的沉陷，通常称为突陷。这样的突然沉陷，严重危及行车安全。2) 周期性的持续下沉第 188 页第九章 采空区的地基处理91 什么是采空区?采空区怎样进行分类?随着中国高速公路的迅速发展，很多地区的高速公路常常不可避免地布设于煤矿或其他矿床采空区的地表。由于煤矿采空区地表过去或现在所 发生的变形、裂缝或塌陷，对通过高速公路路基、路面或构造物的强度及稳定性造成不同程度的影响和破坏。为此，必须对公路通过的非稳定采空区 进行治理。因而，治理煤矿采空区的勘察、设计与施工的任务就愈来愈重，技术管理上的问题也越来越多。地下煤层开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区，统称采空 区。采空区分为现在采空区和过去采空区两大类。现在采空区是指现在开采矿区的和现采区的采空区。过去采空区是指已停采矿区和已停开采区的 采空区（或指现在采空区以前的采空区）。92 怎样进行采空区的“三带”划分?地下矿产被采空后，上覆岩层失去了支撑，覆岩在重力和构造应力作用下产生位移、开裂、破碎垮落，移动稳定后的岩层按其破坏程度，可划 分为三个不同的采动影响带，即为垮落带（冒落带）、裂隙带和弯曲带（整体移动带），见图 9-1。裂2图9-1釆空展的兀带划分示意圈（1）垮落帯釆空区顷板断裂破碎成块而垮落的岩J3称为垮落带，垮落带度约为采厚的2 - 1侣垮落带为采空区的主要破坏带。垮落带肓如下特点：第 198 页1）垮落带岩块脱离母岩大小不一，无规则地堆积在采空区内；2）垮落岩块间隙较大，连通比较好；3）垮落岩块具有可压缩性；4）由于压实程度不同，垮落带在横向、纵向都有较大的差异性。（2）断裂带 采空区上覆岩层中产生裂缝、离层和断裂，但仍保持层状结构，未脱离母岩的岩层称为断裂带。裂隙带厚度约为采厚的 9-28 倍。裂隙带为采 空区的次要破坏带。裂隙带有如下特点：1）裂隙带内岩层产生较大的弯曲变形及破坏；2）裂隙带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂隙或断裂，而且产生顺层面的离层裂隙；3）下部地层大都断开，但仍保持其原有层次，裂隙渗水严重，上部岩层裂缝一般不错开，连续性较好。（3）弯曲带 裂隙带以上至地表的岩层在重力作用下所受应力尚未超过岩层本身的强度，变形较小，整体性未遭破坏，也未产生断裂，仅出现连续平缓的弯 曲变形，称为弯曲带。弯曲带为采空区的缓冲带。弯曲带有如下特点：1）压实程度好；2）弯曲带内岩层的移动连续有规律，并保持其整体性和层状结构；3）不存在或极少存在离层裂隙；4）在垂直面内各部分的移动值相差很小。 由于顶板处理方法、采空区大小、开采厚度和深度等因素的不同，覆岩中上述三带不一定同时存在。93 采空区是怎样形成的?采空区对地面建筑和公路工程的稳定性有什么影响? 随着我国建设事业的发展，地下的矿产资源正在被大量开采，如金属矿、煤矿等。任何地下矿产在被开采之后，都要对矿区自然环境带来一些 变化和影响。我国煤矿成煤年代多为石炭纪、二叠纪和株罗纪。煤系地层以砂岩、页岩为主：地下煤层埋深差别很大。开采深度浅者不及30m，深 者达600m，其中50-300m者居多。开采厚度一般1. 04. 0m,最厚者为16、20m。煤层的开采方式可分为巷道式开采、壁式开采和煤柱支撑式开采三大类。在煤层开采时，对顶板的处理法有垮落法、煤柱支撑法和外来砂料充 填法三种，其中采用全部顶板垮落（陷落、冒落、落顶）法的最多。在缓倾斜煤层中，长壁式开采法又分为走向长壁法和倾向长壁法。走向长壁法，即沿矿层走向进行开采，其开采工作面 （回采工作面）通常长度 约10002000m。走向短壁法的开采工作面通常的长度约5001000m。从采矿的观点看，对顶板采取主动措施，使之有计划地全部第199 页工成网第十章 观测工作和资料分析10. 1 公路工程进行沉降观测的目的是什么?公路 212 程地表沉降观测使用的仪器设施 有哪些?水准点的设定有什么要求?（1）沉降观测是在路堤的天然地面或一定深度位置埋设沉降仪器进行高程测量，以确定路 基或构造物在一定时间内的沉降量。公路工程进行沉降观测的目的一般有以下几点：1）调整填土速率，预测沉降趋势，以保证路堤的稳定；2）确定预压卸载时间和路面施工时间；3）提供施工期间沉降土方量的计量依据。（2）公路工程地表的沉降观测设施由沉降板、水准点和水准仪三部分组成。 沉降板位于路中心及左右路肩的基底。沉降板由沉降底版、沉降杆、保护套管和套管帽等部件组成（见图10-1）。水准点应设在不受垂直向和水平向变形影响的坚固的地基上或永久建筑物上，其位置应尽 量满足观测时不转点的要求，每三个月用路线测设中设置的水准点作为基准点校正一次。为保证观测数据的准确性，要求每个月校正一次水准仪。对于有特殊要求的工程还要进行深层沉降观测，目前国产的观测仪器有磁环式深层沉降仪 等。10. 2 什么是深层沉降观测?它采用什么仪器?是怎样埋设和观测的?以确定地基土的有效压缩层厚度及各成层土的变形特仙：为日的的观测称为深层沉降观 测。深层沉降观测的方法有多种，常用的有CFC-1型分层沉降仪或波纹状塑料管钻孔沉降仪。CFC-1 型分层沉降仪由导管、磁环、测头和信号指示系统。波纹状塑料管钻孔沉降仪的导管为 波纹状塑料管，磁环直接套于管外，其他与 CFC-1 型相同。仪器的埋设过程为：1）确定观测孔位，钻孔并下套管，至设计深度后提出钻杆。2）下放塑料导管，接长至插入孔底2030em,上提套管3040cra,用送环器将磁环 送至预埋位置，并轻轻压人土中。3）上提套管至另一预埋位置3040cm，回填相应土层的土至预埋位置。再按同样方法 没下一磁环依次埋设完所有的磁环。4）在地面设置护管以保护导管，并在导管顶设漏斗，以便测头顺利下放。糊管随着填土的 进行而不断接长，且护管顶要加盖。第 216 页观测时先取掉护盖，测定管口标高。然后将测头沿导管徐徐下放，当接近磁环时，指示器开始有信号发山，此时减小下放速度，当信号消失的瞬间停 止下放。由钢尺读得测头至管口的距离。再继续下放测头，指示器再次发出信号随后便立即消失。当过一定距离后指示器又开始发出信号，表示进入 下一个磁环，减小下放速度，至信号消失的瞬间停止下放，读得测头至管门的距离。如此方法测完所有的磁环。根据测得的距离与管门的标高算出各 个磁环的标高。各个磁环相邻两次标高之差即为磁环沉降量的大小。对于分层沉降量的观测频率应同沉降观测一样，随着沉降的观测而同时进行。为了保证观测精度，需进行两次平行观测，同一磁环测值误差不 大于 2mm。103 公路工程进行稳定观测的目的是什么?稳定观测的仪器设施有哪些?采用什么观测方法? 公路工程进行稳定观测的目的，是监测地表水平位移及隆起状况，确保路堤施工的稳定。稳定观测可用布设位移观测的方法进行，位移观测点（位移木桩）布设在路堤两侧的坡脚第 217 页