黄土工程地质课件

黄土其它工程黄土其它工程地质问题（二）地质问题（二）黄土其它工程地质问题（二）一、黄土湿陷典型案例及有关问题黄土是地球上分布广泛、性质特殊的一种沉积物。天然状态下黄土强度较高、压缩性小，但遇水浸湿后将会发生显著下沉，其强度也随之迅速降低 由此引发灾害造成巨大损失。黄土湿陷的早期研究成果多在饱和黄土湿陷理论的传统框架内开展。是对黄土浸水沉陷现象的刻画。而黄土是典型的非饱和土，常见到的湿陷往往发生在沿土层深度达到不同含水量的情况。从饱和角度开展黄土湿陷性的研究只是黄土湿陷的一种特例。一、黄土湿陷典型案例及有关问题黄土是地球上分布广泛、性质特殊受现有仪器对复杂应力状态下黄土湿陷性研究的限制，导致在现行理论和方法的指导下对黄土湿陷性评价与实际值间的差距较大 以位于甘肃永靖县的黑方台为例，历经40余年的灌溉，厚约45的黄土实际湿陷值超过5.96m，而计算值仅为2.8m（孙萍萍，等.2013）。甘肃黑方台甘肃黑方台仅十余平方千米的台面累计损失耕地超过200hm2 水利设施严重破坏，距离灌区近的房屋整体沉陷明显，台面上原来整齐排列的村户，由于黄土的不均匀湿陷被裂得七歪八斜。此外，黄土湿陷造成地基变形、房屋开裂。区内新塬、朱王、陈家、方台4个移民村因黄土湿陷造成房屋开裂损毁，村民每隔几年就需要对房屋进行翻新或者复迁新建，平均每家复迁翻修房屋达2次 多者高达4-5次受现有仪器对复杂应力状态下黄土湿陷性研究的限制，导致在现行理水窖变水塔水窖变水塔水窖为1968 年修建，修建过程中为消除水窖处黄土地基的湿陷性，对其进行了大开挖换土，采用浆砌块石独立基础，在很大程度上避免了由于后期灌溉引起的水窖处的沉陷。与之相比较，水窖周围黄土则随着灌溉时间的增长不断产生沉陷，最终使得位于地下的水窖 长出地表。水窖刚建成时，其进水口与地面相平，历经40 余年的灌溉至2012 年水窖已成了高出地表3.5m 的水塔。记录了灌溉历史内黄土湿陷的结果。区内常年灌溉引起黄土湿陷量之大超出了以往工程实践的经验水窖变水塔水窖为1968 年修建，修建过程中为消除水窖处黄水窖变水塔水窖变水塔水窖变水塔黑方台以农田为主，村庄的建筑物均为 12 层民用建筑，无其它附加荷载，台面沉陷主要来自黄土自重湿陷黄土自重湿陷，在区内选取典型灌区和未灌区分别开挖15m 探井，每隔 1m 采集原状黄土样进行室内测试（表），可知 灌区黄土的自重湿陷系数明显小于非灌区，且灌区与非灌区黄土在地表 15m深度范围内均具有较大的自重湿陷性，特别是灌区黄土，虽然经历了长达 40 余年的灌溉，湿陷性仍未完全消除。黑方台以农田为主，村庄的建筑物均为 12 层民用建筑，无据调查资料，灌区黄土厚约 45m，其中25m埋深以下为饱和黄土，其湿性可忽略。非灌区黄土厚约50m，据湿陷性黄土地区建筑规范GB50025-2004,采用分层总和法分别计算黑方台灌区与非灌区黄土层自重湿陷量。对于陇西地区 土质的修正系数为 1.50，以最不利工况考虑，假定灌溉前50m厚的黄土层均具有湿陷性，计算得出非灌区黄土的自重湿陷量为4.48m，灌区黄土自重湿陷量为1.68m，即经历 44 年的灌溉后，灌区黄土已产生的湿陷为2.8m，该计算值与区内黄土的真实湿陷值间相差近该计算值与区内黄土的真实湿陷值间相差近 50%。原因原因黄土湿陷量是在饱和黄土湿陷理论的框架内展开的，没有考虑到长期灌溉条件下黄土不同埋深范围内含水量的变化、黄土内部胶结成分的溶解、黄土微观结构的变化、黄土内部应力的重分布等对黄土湿陷性的影响。同时，室内测试多是基于侧限压缩的试验，而完全侧限的压缩湿陷试验无法反映自然条件下不同侧限的实际湿陷变形，多种原因导致应用现行规范推荐公式计算得到的黄土湿陷理论计算值与实际值间尚存在较大差异。据调查资料，灌区黄土厚约 45m，其中25m埋深以下为饱思考：1、为何大厚度自重湿陷性黄土场地的浸水试验结果比计算结果要小？这与刚才的论述事实相反。2、为何有的研究认为大厚度湿陷性黄土在2025m以下后实际上可不考虑黄土的湿陷性，这又与上述的案例有怎样的矛盾和联系，工程中到底该如何处置这类问题思考：二、灌溉型黄土高速高速滑坡机理黑方台焦家崖头 13 号滑坡焦家崖头滑坡位于黑台东南侧，自 20 世纪 80年代以来曾多次发生滑动，主滑方向 105，为典型的高速黄土滑坡。滑坡所处斜坡坡高约130m，坡度整体呈上缓下陡 上部黄土段坡度约为32，下部基岩段坡度约为 43，滑坡主要发育在斜坡上部黄土层内，剪出口位于粉质粘土顶面。二、灌溉型黄土高速滑坡机理黑方台焦家崖头 13 号滑坡焦家崖甘肃省永靖县黑方台原为四周被沟谷深切的孤岛状旱台，天然状况下大气降水是区内地下水唯一的补给来源，自1968年农业灌溉以来，长期沿袭大水漫灌的方式进行农业灌溉，因相对隔水粉质粘土层阻隔，沿其顶面之上的黄土含水层地下水位不断上升，平均升幅达平均升幅达 0.27m/a0.27m/a。甘肃省永靖县黑方台原为四周被沟谷深切的孤岛状旱台，天然状况下斜坡为黄土 粉质粘土 砂砾石与基岩组成的多层结构斜坡 地层由上至下分别为：1、上更新统风成黄土层：厚约 49m，呈淡黄色，砂粒含量高，土质疏松，垂直节理发育；2、中更新统冲积粉质粘土层：厚约 2.2m，棕褐色，硬塑，可见明显波状层理，沿其顶面地下水呈线状渗出，流量约 0.5L/s；3、中更新统冲积砂砾石层：厚约 3.4m，颗粒最大粒径约25cm，泥质含量占 10%左右，分选性和磨圆度均较好，处于密实状态；4、下白垩统河口群：为棕褐色，棕红色砂泥岩互层，岩层产状为 2958斜坡为黄土 粉质粘土 砂砾石与基岩组成的多层结构斜坡 地层由黑方台焦家崖头滑坡于 2011 年 4 月 25 日和 2012 年 2 月 7 日先后发生 2 次滑动。2011 年 4月 25 日 15 时滑动规模约 9000m3。在斜坡坡脚可见堆积体宽约 60m，厚23m，最厚处约4m。堆积量约3000m3，掩埋盐兰公路部分路段，其余滑体冲入黄河八盘峡库区内，滑床上残存少量滑体，滑体多解体为散体粉状，未造成人员伤亡。2012年2月7日16时，再次发生高速滑动，滑动规模约12万m3，滑坡将正在行驶的2车推入黄河八盘峡库区，造成1人死亡，3人失踪。并阻断盐兰公路，大部分滑体高速冲入八盘峡库区，激起高约6m的涌浪，涌浪最远波及至黄河南岸250m处。黑方台焦家崖头滑坡于 2011 年 4 月 25 日和 20机理1、长期引水灌溉改变了黄土台塬原有的水文地质条件：、长期引水灌溉改变了黄土台塬原有的水文地质条件：黄土层内地下水位逐年上升，同时，塬边斜坡坡体内地下水位也逐步升高。黄土具有强烈的水敏性，饱水后强度降低，在地下水的作用下，塬边黄土斜坡下部饱水黄土原生结构遭到破坏，骨架排列状态改变，可溶盐溶解，土粒之间的粘结力减小，连接强度降低，地下水作用导致斜坡地下水作用导致斜坡下部形成低强度、饱水黄土软弱层，下部形成低强度、饱水黄土软弱层，流塑流塑-软塑状饱水黄软塑状饱水黄土软弱层的形成是该类黄土滑坡产生的先决条件；土软弱层的形成是该类黄土滑坡产生的先决条件；机理1、长期引水灌溉改变了黄土台塬原有的水文地质条件：黄土2、随地下水位不断抬升及水岩作用对黄土强度劣化作用的逐步加深，塬边斜坡下部饱水黄土的强度显著降低，斜坡下伏饱水黄土软弱层在上覆土体压力作用下不断压缩、挤出变形，并向临空方向塑性流动，此间滑坡前缘伴随有局部变形破坏，同时，由于斜坡下部饱水黄土压缩挤出，上覆土体产生拉裂、不均匀沉降等变形，并在后缘形成拉裂缝和陷落带。斜坡后缘裂缝与下部饱水黄土组合形成一条潜在的滑动面，斜坡整体向临空方向发生蠕动变形。下伏饱水黄土软弱层向临空方向发生流塑态破坏是该类下伏饱水黄土软弱层向临空方向发生流塑态破坏是该类滑坡产生的重要条件滑坡产生的重要条件，也是该类型滑坡塑流，也是该类型滑坡塑流-拉裂机制的重要表现；拉裂机制的重要表现；2、随地下水位不断抬升及水岩作用对黄土强度劣化作用的逐步加深3、随着饱和黄土软弱层塑流的持续发展，已形成的拉裂缝在坡体内部自上而下进一步扩张延伸与斜坡下部软塑状饱和黄土形成一贯通的滑动面，滑坡整体产生触发性失稳破坏。上覆滑体冲击下伏饱和黄土，上覆滑体冲击下伏饱和黄土，强强大的冲击力导致下伏饱和黄土内产生超孔隙水压力并伴有液化大的冲击力导致下伏饱和黄土内产生超孔隙水压力并伴有液化，上覆滑，上覆滑体冲击挤压体冲击挤压几乎完全丧失抗剪强度的饱和黄土几乎完全丧失抗剪强度的饱和黄土，随之产生高速滑动。由，随之产生高速滑动。由于滑坡剪出口位置高，于滑坡剪出口位置高，临空条件好，临空条件好，滑体从剪出口位置高速滑出，滑体从剪出口位置高速滑出，局局部伴随有抛射过程，部伴随有抛射过程，滑坡破坏过程中滑体具有能量大、速度快、运动距离远等特性，为典型的高速远程黄土滑坡。3、随着饱和黄土软弱层塑流的持续发展，已形成的拉裂缝在坡体三、自重湿陷黄土的负摩阻力三、自重湿陷黄土的负摩阻力产生负摩阻力的原因产生负摩阻力的原因自重湿陷性黄土场地桩基负摩阻力特点1、浸水一开始，桩身就有负摩阻力产生，但数值较小，随自重湿陷量增长，负摩擦力逐渐增大；当整个湿陷性土层受水浸透后，负摩擦力达到峰值；时间上一般位于浸水后1020天内，相应于负摩阻力最大值时的自重湿陷量约为总湿陷量的48%55%；2、峰值后，尽管自重湿陷量仍在增大，但负摩阻力却开始减小；（原因：随土层沉陷，水分下渗，土抗剪强度降低，使得其与桩壁之间的摩擦减小，导致负摩阻力下降）但到一定程度后变的稳定；3、停止浸水后，由于土层失水固结，抗剪强度有所增高，桩侧壁悬附能力重新增强，负摩阻力逐渐增强出现二次峰值；二次峰值要高于一次峰值（不多的试验表明高出20%以上）自重湿陷性黄土场地桩基负摩阻力特点1、浸水一开始，桩身就有负负摩擦力对桩基的最大影响不是在浸水期间，而是在发生停水之后。负摩擦力对桩基的最大影响不是在浸水期间，而是在发生停水之后。负摩擦力对桩基的最大影响不是在浸水期间，而是在发生停水之后。负摩阻力的影响因素1、桩的类型的影响、桩的类型的影响 预制桩比灌注桩高80%左右！爆扩桩也比灌注桩大。主要原因：预制桩打入时挤密桩周土所致。2、自重湿陷量的影响、自重湿陷量的影响 一般情况下，土的自重湿陷量越大，负摩阻力越大，但两者不成正比关系。负摩阻力的影响因素1、桩的类型的影响3、负摩阻力产生的湿陷界限值、负摩阻力产生的湿陷界限值 一般认为，桩的负摩阻力只产生在自重湿陷性黄土场地，而非自重湿陷性黄土场地则无需考虑。现场试验表明，即使自重湿陷量较小的场地（非自重湿陷场地），浸水后仍会产生负摩阻力，已有数据表明，当自重湿陷为14mm时，负摩阻力可达4KPa，自重湿陷量为10mm时，负摩阻力可达10KPa.中性点问题 自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷，桩在荷载作用下也产生下沉。在上部，桩周土下沉量大于桩身，产生负摩擦力；下部，桩周土下沉量小于桩身，产生正摩擦力。两者之间必有一个“0”点，即桩的位于等于土的位于，称之为“中性点”。计算负摩阻力时应只计算中性点以上部分计算负摩阻力时应只计算中性点以上部分。3、负摩阻力产生的湿陷界限值中性点问题 自重湿陷性黄土浸水后 在自重湿陷性黄土场地采用桩基时，要求将桩端置于基岩、密实的卵桩端置于基岩、密实的卵石或液性指数小于石或液性指数小于0 0的坚硬土层的坚硬土层上，故桩的性质以端承力为主（或摩擦端承桩）。因而在湿陷性黄土层内都有负摩阻力，往往测不出中性点，可近似认为中性点是湿陷性土与非湿陷性土的交界点。负摩擦力的计算负摩擦力的计算深度应等于桩在湿陷性黄土层内的全部桩长。深度应等于桩在湿陷性黄土层内的全部桩长。现行规范规定 1、在非自重湿陷性黄土场地，当计算自重湿陷量小于50mm时，除不计负摩阻力，还要计饱和状态下的正摩阻力；2 2、负摩阻力的考虑、负摩阻力的考虑 在自重湿陷性黄土场地采用桩基时，要求将桩端置于基岩、密实的减小负摩阻力的措施1、在自重湿陷性黄土层中，桩的负摩擦力试验资料表明，在同一类土中，挤土桩的负摩擦力大于非挤土桩的负摩擦力，因此，应尽量采用非挤土桩如钻、挖孔灌注桩，以减小桩侧负摩擦力；2、对位于中性点以上的桩侧表面进行处理，如在中性点以上的桩身上进行涂层（如沥青或聚氨酯等高分子化合物等），以减小负摩擦力的产生；3、桩基施工前，可采用强夯、挤密土桩等进行处理，消除上部或全部土层的自重湿陷性；4、对于灌注桩，可在桩身与土之间灌入膨润土浆等以减小负摩擦力；5、采取其他有效而合理的措施。减小负摩阻力的措施1、在自重湿陷性黄土层中，桩的负摩擦力试验四、黄土中古土壤的工程意义1、在地基和地基处理中的意义2、在边坡和洞室中的工程意义3、在地裂缝工程中的意义四、黄土中古土壤的工程意义1、在地基和地基处理中的意义