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 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 颗 粒 级 配 粒径大于2mm的颗粒质量占总质量25%～50% 粒径大于0.5mm的颗粒质量超过总质量50% 粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量50% 粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量85% 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》（GB50021—2001）和《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)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

和黏质粉土。

砂质粉土——黏粒含量小于或等于全重10％； 黏质粉土——黏粒台量超过全重10％。

粉土中黏粒含量少，粉粒含量高，在与水作用及在外力作用下，由于毛细压力和孔隙水压力增大的影确，塑限ωP和液限ωL等塑性试验指标不论在测定方法与标准方面，还是形成机理方面，均不符合塑性界限含水量的基本概念，故不适用于粉土。因此，塑性指数Ip和液性指数IL均不适用于评价粉土的性状。

粉土的工程性质与中等塑性的黏性土比较，其渗透性和抗剪强度明显增大，压缩性则显著降低，标准贯人击数和静探比贯入阻力一般增高2倍以上(如图16-1)。在粉土中钻探、取原状土样或打桩均较困难，施工开挖时容易产生流砂涌土现象。其中，砂质粉土(旧称亚砂土)的一系列工程性质更接近粉砂，原一些地方和部门规范或规程曾将其列为砂土类。

砂土及砂质粉土具有与黏性土绝然不同的以下一些基本特征： 1、砂土的矿物成分

主要是大量石英，其次为长石、云母及少量其他矿物、砂质粉土中含极少量黏土矿物。石英是稳定矿物，长石、云母等则抗风化稳定性较差，而且不同矿物成分颗粒的形状和坚硬程度不同，并由于砂土组成颗粒较粗。所以矿物成分对其物理力学性质的影响是很大的。这

里引用由不同矿物成分各种粒径组成的砂土的孔隙比资料说明，见表16-1。

从表16-1，可以看出以下的规律性变化：

(1)当颗粒大小相同时，由不同矿物成分组成的同一紧密程度的孔隙比变化为：云母>>长石>棱角石英>浑圆石英，前后相差10倍左右。这显然与云母呈片状有关。

(2)由云母组成的砂，在同一紧密状态下，砂的孔隙比随着颗粒的变细而减小；而由长石、石英(棱角及浑圆)组成的砂则反之，砂的孔隙比随着颗粒的变细而增大。

因此，在自然界，云母的含量对砂土的孔隙比及其一系列物理力学性质的影响是很大的。例如，均匀的棱角砂，在无云母颗粒的情况下，孔隙度n＝47％(e=0.89)；当云母含量增加时，其孔隙度与云母含量呈曲线的增长关系，如图16-2所示。

2、砂土和砂质粉土的颗粒组成

砂土和砂质粉土的颗粒组成中，以各种大小的砂粒和粉粒占绝对优势，黏粒含量极少，因此与水的结合能力小。当砂粒变细及粉粒为主要成分时，毛细作用渐显著。当含水量不大时，由于毛细水的存在，使砂土和砂质粉土表现出一定的毛细黏聚力，但当饱水时，毛细黏聚力就消失，则呈现很小或无黏聚力的散粒体，不具有塑性或微有塑性，因此也可称之为无黏聚性土。

3、砂土和砂质粉土的透水性较好

砂粒愈粗、愈均匀、愈浑圆时，透水性愈高。

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70％～80％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。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，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，在何种条件下易于发生流砂的分析研究也是一个重要问

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。

R?R表?mB(B?7)?0?mD(D?1.5)?DCP（16-4）

式中：?0——地基持力层天然重度（地下水位以下取浮重度），kN／m3；

?DCP——基础底面以上土的加权平均重度(地下位水以下取浮容

重)，kN／m3；

B——基础宽度，m（B<7m则按7m计）；

D——从室外设计地坪起算的基础埋置深度，m。当D<1.5m,按

1.5m计算；具有地下室的建筑物以DCP代替D；

DCP?D?D1(D1为地下室地坪至基础底面深度（m）) 2mB，mD为修正系数，根据φ之而定，查表16-6。

地基规范GBJ7-89对于基础宽度B≤3m，埋置深度D≤0.5m时粉土地基的承载力基本值按表16-7确定。

2、强度公式

根据强度指标用强度公式进行承载力计算，一般所用强度公式为：

R?C?Nc?B?NB??0?D?ND??DCP（16-5）

式中：Nc，NB，ND——承载力系数，由φ值而定；见表16-8。

在应用式16-5时，应注意公式的基本假定条件与现场条件是否符合：

(1)地层是均一的； (2)地表面为一水平平面； (3)地基的反力是均匀分布；

(4)基础底面是粗造的，基础底面不发生水平位移。

使用式16-5强度公式时，要求提供久c，φ，γ三个指标。对于砂土和砂质粉土，一般c≈0或仅有微弱的c值，往往略去不计，这样计算所得的承载力是偏于安全的。

由表16-8可知，φ值的变动，对砂和砂质粉土承载力的影响很大，φ值的极小测定误差，将导致承载力发生很大的误差。而测定这类土的φ值，在生产实践中，尚是一个有待研究解决的问题。因为在室内用直剪仪测定这类土的内摩擦角，不仅是取样及试样制备难于保持天然孔隙比，而且试样在剪切过程，不能控制排水，以致往往得出偏高的φ值，要用三轴剪力仪来测定，试样制各也存在问题。因此还必须通过其他途径来提供这类土的强度指标φ值。

根据我国己有资料的统计整理，发现砂土的φ值变动范围并不很大，因此，如无试验资料，可参考表16-9，结合地区经验选用，往往还可以解决问题。

地基规范汇集了一些勘察单位的经验(见表16-10)，φ值基本上与表16-9相—致。

对砂土和粉土，也可直接根据标准贯入和静力触探来确定φ值。详见第9章。

土的内摩擦角不仅与孔隙比有关，还与颗粒级配，及自重压力等

因素有关，图16-9、图9-57、图9-58(见第9章)等即考虑到不均匀系数、自重压力的统计资料的例子。图16-9表明对于不均匀系数U=d60/d10一定的砂土，lgtgφ-lge成直线关系。

3、根据原位测试方法

目前国内外的趋势是通过现场测试方法来确定地基承载力。在砂土和粉土地基中用得比较广泛的是标准贯入试验和静力触探。

(1)用标准贯入击数N

国内在这方面已有不少勘察单位建立了N-[R](容许承载力)的经验关系，先将有代表性者示于图16-l0中，并附部分国外资料，以资比较。

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