砂土和粉土地基的岩土工程评价.docx

1、砂土和粉土地基的岩土工程评价砂土和粉土地基的岩土工程评价第16章 砂土和粉土地基的岩土工程评价16-1 砂土和粉土的基本特征及岩土工程问题砂土粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50，且粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50的土定名为砂土，砂土可按颗粒级配再分为5个亚类。砂 土 分 类土的名称颗 粒 级 配砾砂粒径大于2mm的颗粒质量占总质量25%50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒质量超过总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%注：定名时应根据颗粒级配由大到小

2、以最先符合者确定。粉土粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50，且塑性指数等于或小于10的土定名为粉土。国家标准岩土工程勘察规范（GB500212001）和建筑地基基础设计规范(GB500072002)中并未对粉土的亚类划分作出规定，一些地方标准或行业标准往往将粉土再按黏粒含量分为砂质粉土4、静荷载作用下特性一般砂土和砂质粉土在静荷载作用下，压缩性较小，其压密过程也较快。工程实践表明砂土地基的变形在施工期即可完成7080以上，甚至可以认为已全部完成砂粒愈粗，压缩性愈低，压密愈快。5、砂土和砂质粉土的抗剪强度砂土和砂质粉土的抗剪强度由内摩擦角来决定、由石英组成的内摩擦角最大，云母则最小

3、。矿物成分对于较粗粒组的内摩擦角影响较显著，这种影响随着粒度的变小而递减。砂土和砂质粉土的紧密程度增大时，内摩擦角也增加，这与在剪切带，不仅发生颗粒间的位移，而且还由于颗粒间的咬合作用，发生部分颗粒被破碎有关。在剪切过程中，砂土的体积会发生变化，一般松砂变密，密砂则变松。砂粒的形状及级配对其内摩擦角也有影响，一般浑圆的、均匀的砂粒内摩擦角较小。所以砂类土的抗剪强度仍然是一个比较复杂的问题。6、地基的承载力除了疏松的砂土和砂质粉土之外，一般均可作为各种房屋建筑物和构筑物的良好地基，这类土地基的承载力与土的紧密状态，基础大小、埋深和地下水位有关。但对于饱和的粉、细砂和砂质粉土地基，由于地下水的渗流

4、，易于发生流砂现象，在遭受振动作用时(如地展、机器振动等)，其强度会突然的降低，发生液化现象。由于砂土和砂质粉土具有以上这些特征，故在地基勘察与设计中，要特别注意以下问题：1、砂土和砂质粉土的紧密状态的评定问题砂土和砂质粉的紧密状态是判定其工程性质的重要指标。它综合地反映了这类土的矿物组成、粒度组成、颗粒形状等对其工程性质的影响。但由于这类土很小或无黏聚力，因此要采取保持天然结构的试样是相当因难的，在工程勘察中，除了采用专门的设备和方法来采取保证一定质量的试样外，还发展了现场测定砂土紧密状态的一些特殊测试手段。2、砂土和砂质粉土地基承载力的评定问题由于这类土的勘探取样有较多问题，故在评定其地基

5、承载力时，除了利用规范查表、或用强度公式进行计算外，对于重要工程，主要还要通过现场试验来研究解决。3、砂土和砂质粉土在动荷载作用下发生液化可能性的评定问题由于砂土和砂质粉土在静荷载下压密较小，但在动荷载作用下，易于发生液化，往往使建筑物发生灾害性的破坏，故在工程勘察中，如何来判定砂类土地基发生液化的可能性，往往是对建筑场地评价的关键问题。4、流砂问题在砂土和砂质粉土层中，由于施工不当，在地下水的作用下，往往易于发生流动现象，使地基强度降低并失去稳定性，甚至危及邻近建筑，但如果预先估计到可能发生流砂，在施工中采取适当的施工措施，流砂的危害是完全可以避免的。因此，在工程勘察中，对于什么样的砂土，在

6、何种条件下易于发生流砂的分析研究也是一个重要问题。在本章内，我们将对上述四个问题，分别进行讨论。16-2 砂土和粉土紧密状态的评定问题砂土和粉土的紧密状态是判定其工程性质的重要指标。在静荷载作用下，密砂具有较高的强度，结构稳定，压缩性小；而疏松的砂则强度低，稳定性差，压缩性大。粉土，尤其是砂质粉土也有如上相应的变化。因此在工程勘察时，首先要对砂土和粉土的紧密程度作出判断。原地基规范(TJ7-74)根据北京、江苏、黑龙江、山东等地的砂土的实际资料的统计，认为砂土的容许承载力，不论其颗粒组成的粗细，均随着天然孔隙比e的减少而显著地增大。因此提出采用天然孔隙比体为砂土紧密状态的分类指示，具体划分标准

7、见表16-2。岩土工程勘察规范规定，粉土的密实度按天然孔隙比e可由如下标准确定： 密实 e0.75 中密 0.9e0.75稍密 e0.9根据天然孔隙比判定砂土和粉土的紧密状态看起来似乎简便，但实际上为要测定其天然孔隙比，则要采取原状土样，这在工程勘察中是比较困难的，特别是对于地下水位以下的砂层和砂质粉土层困难更多。国内有些单位在这方面做过不少工作，井已取得比较成功的经验。对于位于地下水位以上的砂土和砂质粉土，可用环刀法、或灌砂法(或注水法)测定其天然容重，即可求出天然孔隙比。环刀法适用于地下水以上的湿砂和砂质粉土。这个方法是先挖一坑至欲取样的标高处，在坑底切一个直径较环刀内径略大的土柱，然后将

8、环刀压入；或先将环刀压人土中，边压边仔细切削环刀试样。对环刀规格，根据河北冶金勘察公司的经验，以采用2500cm3容量环刀较好。例如，用2500 cm3环刀测定密实度为中密或密实状态，而用1000 cm3环刀测定为疏松。足见用1000 cm3环刀对砂土和砂质粉土结构扰动较大。当地下水位以上的砂为干砂时，环刀法也不适用，则可用灌砂法（或注水法）。这个方法（见图16-3）是先在选定取样位置整平地面，在整平地面上铺置灌砂器底盘，于底盘中部为一直径1215cm圆孔，在圆孔内向下挖一小圆坑，将挖出的砂全部称重得g1，在灌砂器先盛以足够数量的标准砂，称重得g2。使灌砂器漏斗对准底盘因孔边缘。打开开关，即可

9、向小圆坑内灌砂，待灌砂停止流动关闭开关，称灌砂器连同余下砂粒重g3，则（16-1）式中：g0灌砂器底盘圆孔和灌砂器倒漏斗中标准砂的重量； s 标准砂（0.50.25mm粒径）模拟灌砂条件的堆积密度(标准砂用河砂风干后过筛面得)。也可用塑性薄膜注水代替灌砂以测定小圆坑的容积，但坑口水平面观测往往带来较大的人为误差。对于地下水位以下的砂土和砂质粉土，特别粉细砂，要采取原状试祥是存在因难的，面且必须于钻孔内取样。钻探至地下水位以下，到一定深度会出现涌砂现象，而且钻杆起拔也有问题，易发生埋钻。砂层愈厚，涌砂愈严重。此时可用对开管，采用锤击、重锤少击法取土，用取土简中间偏下部的土样供土工试验用，于现场测

10、定和，再送室内测定颗粒比重G及粒度组成百分比。不然，土样在送室内的途中，水分就流失，变成废土。另外，把这种取土简内的土样取出及制各试样时，结构扰动较大，故进行力学性质的测定仍有问题。原江苏省水利工程总队勘测队通过实践探索，发展了一种新型的取土器反旋活阀分节取土器(图16-4)。该取土器外径较小，仅为92mm。使用较小管径，可充分发挥砂的摩擦力，防止掉样。取土器安放八节试样环，内径73mm，高50mm。取土器上端用反丝扣，当取土器压人土中后，顺时针旋转钻杆，就可使气门密闭。取土器提升地面后，取出分节试样环，用钢丝锯切断，试样环两端盖好，就可在现场称重测定天然容重和含水量，再装入可密封的简内，送室

11、内作其他试验。也可直接用试样环内试样在现场作剪切试验和固结试验；把试样环套上有刻度的透明有机玻璃管，即可于现场进行渗透试验，这种分节取土器的最大优点在于避免了运送、保管、切土制备试样等环节对试样的扰动，对于饱和软黏土，同样结构的取土器也是适用的。使用这种反旋活阀分节取土器效率在95以上，一般基本上都能取上保证一定质量的试样。个别情况，砂土实在太硫松，取不上样时，可把取土器压下去后，等0.51h比让土样稍胀一胀，就可取上试样。在砂土和砂质粉土中钻进，钻至地下水位以下易发生涌砂及坍孔现象，有时可突然上涌35m，影响钻进进度，发生埋钻卡钻事故。而且越清越涌，严重影响地基强度。发生涌砂的原因有：钻进清

12、孔时，土的结构被破坏，局部处于流动状态；上提钻具时，孔内水位下降，孔外水位高，造成水位差，由于水的渗流使砂处于悬浮状态；由于上提钻具时的真空活塞作用而造成涌砂。当遇涌砂时，不要急于盲目清孔，而应分别不同情况具体对待。如由于孔内外水位差造成涌砂，可将套管加长，或是提升钻具时往孔内灌注清水边轻提边加水，以减少水头差。如由于真空活塞作用成涌砂，则可改用较小直径钻头清孔，提升钻具时，可转动钻杆使钻具紧靠一侧，以便于另一侧留较大间隙，所使用的取土器诽水孔必短保持畅通。如由于动水压力发生涌砂，则可在孔内注入浓泥浆，效果也很好。另外，在砂土和砂质粉土中钻进过程不能间歇，要求不停顿地连续钻进，至完成一孔为止，

13、这也是很重要的经验。目前，不少勘察单位，广泛使用冲水法或泥浆法钻进，用分节取土器采样，于现场就地制定砂土和砂质粉土的天然容重和天然含水量，换算后即得天然孔隙比，效果还是比较好的。我国几十年来，还进行过测定砂土天然孔隙比的其他方法的试验研究，例如，-射线法，即利用-射线被土吸收与土的密度有关的原理间接地测定出一定范围内砂土的平均天然重度(图16-5)；也可以利用-射线进入土中后，发生散射的原理，土的密度愈大，散射越厉害，因此根据记录下来的散射的-射线可以相当准确地判定直径为5080cm范围内砂土的平均天然重度(见图16-6)。这种方法的缺点是试验精度受仪器及探测器影响很大。特别是放射源的运输、储

14、藏都比较麻烦，须有较好的安全防护措施。同时还必须再测定天然含水量，才能推算出砂土的天然孔隙比。此外，还有冻结法，将整体砂土冻结或将取土器底部冻结后再取样。但设备较复杂。对于直接采用天然孔隙比作为砂土紧密状态的分类指标，国内有些勘察单位认为缺乏概括性。因为砂土的密实度还与砂粒的形状、粒径级配等有关，有时硫松的级配良好的砂土的孔隙比，比紧密的颗粒均匀的砂土的孔隙比小。因此参照国内外现有资料分析，认为用相对密度D较有代表性。（16-2）式中：emax砂土在最松散状态时的孔隙比，即最大孔隙比(测定方法是将疏松的风干砂样，通过长颈漏斗轻轻地倒人容器，求其最小重度)；emin砂土在最密实状态时的孔隙比，即

15、最小孔隙比(例定方法是将疏松的风干砂样分几次装入金属容器，并加以振动或锤击夯实，直至密度不变为止，求其最大重度)； e砂土的天然孔隙比。冶金部编制的工程地质规范采用下表，用D作为砂土紧密状态的分类指标（见表16-3）从理论上说，相对密度D是一个比较完善的紧密状态的指标，它综合地反映了砂土的各个有关特征(如颗粒形状、颗粒级配等)，但在实际应用中仍有不少困难：要确定相对密度，仍然要测定砂土的天然孔隙比，而这(在上面己讨论)是比较困难的；另外还要测定emax和emin，由于测定的方法的不同，emax和emin的测定值往往有人为因素的影响，有时会出现D1或D1的不合理现象；当emax和emin相差不大

16、时，计算D值误差往往很大。因此要用D来作为砂类土紧密状态的指标，要对测定emax和emin的方法进行研究并统一标准。目前的研究结果表明，按土工试验方法标准(GBJl23-88)规定，采用漏斗测定砂土的emax；采用击实法测定emin，结果比较可靠。无论是按天然孔隙比e还是按相对密度D来评定砂土的紧密状态，都要采取原状砂样，经过土工试验测定砂土天然孔隙比。目前，国内外，已广泛使用标准贯入或静力触探试验于现场评定砂土的紧密状态。详见本教材第9章。还有一种意见，认为砂土的紧密程度，集中反映在荷载试验的p-S曲线上，即反映在砂土的力学性质上。见图16-7。这种状态分类法，反映了决定砂土承载力诸因素的综

17、合指标(包括地质年代、成围、矿物成分、颗粒形状和级配等)。16-3 砂土和粉土地基在静载作用下的承载力砂土和粉土地基与黏性土地基一样，地基承载力既与地基土本身的特性有关，还与基础和上部建筑的特性以及施工特点有关。本节着重讨论砂土和粉土地基的特殊性问题。一、影响砂土和粉土地基承载力的因素根据国内(北京、上海、天津、江苏、黑龙江、山东等地)的工程实践的勘察资料，影响砂土和粉土承载力的因素，可以归纳出以下几点初步认识：1、密实度和颗粒级配对砂土和粉土承载力有重大影响的是其紧密状态和颗粒级配的好坏。在其他条件相同情况下，砂土和粉土越密实，级配越好，承载力越高。2、颗粒粗细在相同密实度和级配条件下，砾砂

18、和粗、中砂在外力作用下，其粒间摩阻力和咬合阻力大，且透水性好、故其承载力一般均大于细、粉砂和粉土，并很少受地下水和饱和度因素的影响。3、地基沉降一般认为砂土和粉土地基的承载力是由强度控制的。因为除了松散、稍密的以外，其沉降量是不大的，而且在施工期结束时，即完成7080以上的沉降，甚至已全部完成。但也有的认为其中砂土地基实际上很少发生强度破坏，砂土的极限荷载是很高的，故还是应当由变形控制承载力。砂土地基的沉降量随着基础宽度的增大而增大，见图16-8。砂土地基的沉降值可以通过载荷试验来计算：（16-3）式中：S130cm*30cm正方承压板在荷物(kPa)作用下的沉降量，(cm)； S同一荷载p(

19、kPa)作用下，基础宽度为B的基础的沉降量，(cm)。对于基础宽度B一定的条件下，基础沉降量还随D/B的增加而减少(D为基础埋深)。反之，如果建筑物基础的允许沉陷值已确定，也可用式(16-3)来反算S1，然后根据p-S曲线，求出相应于S1的压力，即为容许承载力。4、施工方法施工方法对饱和粉、细砂和粉土地基的承载力，在一定的意义上起着控制的作用。如采用大面积井点降水进行开挖基坑，地基承载力可以充分发挥，均能满足一般工程要求，但是如果排水不当或没有排水措施，则易于发生流砂涌砂现象，使砂土和粉土的天然结构遭到破坏，其力学性质就变得很差。这是一条很重要的经验。二、砂土和粉土地基承载力的确定方法砂土和粉

20、土地基承载力可根据下述方法评定：1、根据物理指标查规范有关表格根据砂土和粉土的物理指标查规范有关表格确定一般建筑物地基的承载力。其主要依据是颗粒组成。紧密状态(相对密度D或天然孔隙比e)、含水量以及与地下水的关系。在冶金建设工程地质勘察技术规范中，对于基础宽度B3m，埋置深度D=0.51.5m的一般建筑物的砂土和砂质粉土地基的容许承载力及分别按表16-4和表16-5确定。于冶金勘察规范中，当基础宽度B大于3m小于7m时，对砂土可按表16-4中数值采用，但须同时进行变形验算。当基础宽度B大于7m，基础埋深大于1.5m时，按下式修正，并进行变形验算。（16-4）式中：地基持力层天然重度（地下水位以

21、下取浮重度），kNm3；基础底面以上土的加权平均重度(地下位水以下取浮容重)，kNm3； 基础宽度，m（B7m则按7m计）；从室外设计地坪起算的基础埋置深度，m。当D1.2m，对于任意B值：式中：B 基础短边长度（m）。梅耶霍夫(1965)根据对标准贯人和经典静力触探之间的比较资料认为：静力、动力和标准贯入试验的贯人阻力随深度增加显示出同样的变化，而对于中密到松散的细砂或粉砂，其关系可表示为：（16-12）式中：qc 静探锥尖阻力（t/ft2）； N 标难贯人击数，对地下水位以下的细粉砂，式中N须作修正。式(16-11)即将式(16-12)代人式(16-10)(当建筑物的总沉降小于2.54cm

22、时)换算而来。4、根据载荷试验在砂土和粉土上进行载荷试验，其设备与软黏土用的无多大差别，(见第9章)。但加荷等级则有所不同，一般砂土和粉土较松散时，取较小加荷等级，2025kPa；对中密砂土、粉土层可取50kPa；对紧密土层取100kPa。由于这类土沉降较快趋于稳定，故沉降稳定标准可取连续三个半小时沉降小于0.030.05mm即可认为已稳定。载荷试验资料整理与黏性土相同，如用相对沉降法确定承载力，Sb可采用0.02。通过荷载试验，也可提供变形模量E0，根据我国工程实践，有以下资料可供参考。北京冲积粉砂(300个土样)统计资料为：（16-13）式中：e0天然孔隙比； emin最小孔隙比。16.4

23、 砂土和粉土在动荷裁作用下的液化问题及其评价液化是饱和砂土或饱和粉土在动荷载(地震或爆炸、设备基础振动及打桩等)作用下，超孔隙水压力剧烈增大，使土体抗剪强度突然降低或消失的现象。液化砂土或粉土由于强度极低，又处于往复震动作用下，往往有很大的活动性，致使土体发生数米甚至千余米的移动，并伴随广生大规模的地面变形、地裂与喷水冒砂，给工程建筑、道路及水利工程等造成灾害性的破坏。例如1964年6月16日日本新泄地震，由于砂土液化，地基丧失承载力，使工程建筑物遭到广泛的破坏，许多构筑物下沉大于1m，并有一公寓倾斜达80，液化时，有地下水从地表裂缝冒出，同时，汽车、房屋和其他物体下沉到液化的砂中，而有的地下

24、构筑物则被浮托到地面，港口设施等也遇到严重破坏。1964年阿拉斯加地震，由于细砂层发生液化，有的房层横移了18m。荷兰西兰海边，18611947年间先后发生过229次砂土液化事件，总面积达250万平方米，移动砂体的体积达2500万立方米，海岸原来地面坡度为1015，液化后地面坡度坍塌为34。在国内，如新疆菜水库，坝高3.57.1m，1959年建成，1961年4月发生9度以上的地震，1962年10月又发生第二次地震，使坝基下厚仅数十厘米的砂质粉土发生液化，从坝下挤出，导致坝基毁坏。又如1975年和1978年海城和唐山地震影响下，烈度为7，8，9度的营口地区、北京通县及天津古河道区的粉细砂和粉土均

25、普遍发生由地裂缝喷出、房屋大幅皮下沉及河岸场滑等现象。广州某工厂厂房则由于砂基受振液化而发生倒塌。因此，近卅年来砂土和粉土液化问题的研究已引起国内外广泛重视。我国水利、铁路、建工等部门于本世纪50年代初开始相继开展了砂土及粉土液化研究。通过大量的现场调查、观测以及室内试验研究，对砂土及粉土液化发生的条件已有比较全面的认识，探索了一些判别液化可能性的方法。下面着重讨论两个问题：影响砂土、粉土液化的因素；判别砂土、粉土液化可能性的方法。一、影响砂土和粉土液化的因素从砂土液化的本质而言，人们开始的认识是密砂不容易液化，而松砂则容易液化。因此认为砂土的密度是关键问题。对不同密度的砂剪切时的变化进行了研

26、究，发现松砂在剪切时体积会发生收缩，而密砂在剪切时会发生膨胀(剪胀性)，于是提出临界孔隙比的概念，即当孔隙比e等于临界孔隙比时，砂受剪时，体积既不发生收缩也不发生膨胀。当砂土的孔隙比低于临界孔隙比时，就不会发生液化；只有当砂土的孔隙比高于临界孔隙比时，受振时发生收缩，孔隙水压力上升，粒间有效应力减小，使砂土的强度降低甚至丧失，则会发生液化。对砂土液化进行大量的试验研究后，发现仅按“临界孔隙比”评价是片面的，孔隙比小于临界孔隙比的砂，在某些条件下也会发生液化。因此孔隙比大小不是液化的唯一因素。砂土、粉土液化的发生既与其土质特性(内因)有关，也与液化前该土体所处的应力条件以及使之发生液化的动力作用特性等外部因