三、特殊土
特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土，它的分布一般具有明显的地域性。常见的特殊土包括黄土、膨胀土、软土、冻土、红黏土等。
（一）黄土
1.黄土的基本特征
黄土是第四纪以来在干旱及半干旱地区形成的一种特殊土，在我国西北及华北地区等地广泛发育。其基本特征如下：
（1）颗粒粒度以粉砂为主，占60%～70%，其次为黏土。
（2）易溶盐含量高，碳酸盐类占10%～30%，其次为氯化物和硫化物。
（3）质地均一，结构松散，孔隙大，孔隙率为33%～64%。
（4）垂直节理发育。
（5）具湿陷性。
具以上全部特征的称为黄土，具部分特征的称为黄土质土或黄土状土。一般认为风积成因的黄土不具层理，称为原生黄土。原生黄土经再次搬运而堆积，具有层理，形成黄土质（状）土，称为次生黄土。
2.黄土的成因
黄土按生成过程及特征可划分为风积、坡积、残积、洪积、冲积等成因类型。风积黄土分布在黄土高原平坦的顶部和山坡上，厚度大、质地均、无层理。坡积黄土多分布在山坡坡脚及斜坡上，厚度不均，基岩出露区常夹有基岩碎屑。残积黄土多分布在基岩山地上部，由表层黄土及基岩风化而成。洪积黄土主要分布在山前沟口地带，一般有不规则的层理，厚度不大。冲积黄土主要分布在大河的阶地上，如黄河及其支流的阶地上。阶地越高，黄土厚度越大，有明显层理，常夹有粉砂、黏土、砂卵石等，大河阶地下部常有厚达十几米及数十米的砂卵石层。
3.黄土的湿陷性
黄土的湿陷性是指天然黄土受水浸湿后，在自重压力或附加压力与自重压力共同作用下产生急剧而显著的下沉的特性。
黄土的湿陷性以及湿陷性的强弱程度是黄土地区工程地质条件评价的主要内容。黄土湿陷性的判别与评价可用定量指标衡量。湿陷系数δs，是室内浸水压缩试验测得的黄土在某种规定压力下由于浸水而产生的湿陷量与土样原始高度的比值。黄土的湿陷可分为自重湿陷与非自重湿陷两类。前者是指黄土在没有外荷载的作用下，浸湿后会迅速发生剧烈的湿陷，后者则是指黄土需在一定的外荷载的作用下，浸水后才发生湿陷。土样在与其饱和自重压力相等的压力作用下测得的湿陷系数称为自重湿陷系数δzs。在工程勘查中应按实测或计算自重湿陷量确定建筑场地的湿陷类型。当自重湿陷量小于或等于7cm时，应定为非自重湿陷性黄土场地；当自重湿陷量大于7cm时，应定为自重湿陷性黄土场地。
黄土的湿陷一般总是在一定的压力下才能发生，低于该压力时，黄土浸水不会发生显著湿陷。这个开始出现明显湿陷的压力，称为湿陷起始压力，指湿陷性黄土的湿陷系数达到0.015时的最小湿陷压力。这是一个很有使用价值的指标。在工程设计中，若能控制黄土所受的各种荷载不超过起始压力，则可避免湿陷。黄土湿陷性的强弱与黄土中的黏粒含量多少、天然含水量的高低及密实度的大小有关。
4.湿陷性黄土的危害
湿陷性黄土因具有湿陷变形量大、速率快、变形不均匀等特征，往往使工程设施的地基产生大幅度的沉降或不均匀沉降，从而造成建筑物开裂、倾斜，甚至破坏。
（1）建筑物地基的湿陷灾害。建筑物地基若为湿陷性黄土，在建筑物使用中因地表积水或管道、水池漏水而发生湿陷变形，加之建筑物的荷载作用，会加重黄土的湿陷程度，常表现为湿陷速度快和非均匀性，使建筑物地基产生不均匀沉降，破坏建筑基础的稳定性及上部结构的完整性。
在湿陷黄土分布区，尤其是黄土斜坡地带，经常遇到黄土陷穴。这种陷穴常使工程建筑遭受破坏，如引起房屋下沉开裂、铁路路基下沉等。由于陷穴的存在，可使地表水大量潜入路基和边坡，严重者导致路基坍滑。由于地下陷穴不易被发现，经常在工程建筑物刚刚完工交付使用时便突然发生倒塌事故。在湿陷性黄土区，铁路路基有时因陷穴而引起轨道悬空，造成行车事故。
（2）渠道的湿陷变形灾害。黄土分布区一般气候比较干燥，为了进行农田灌溉、城市和工矿企业供水，常修建引水工程。但是，由于某些地区黄土具有显著的自重湿陷性，因此水渠的渗漏常引起渠道的严重湿陷变形，导致渠道破坏。
5.湿陷性黄土的防治措施
在湿陷性黄土地区，虽然因湿陷而引发的灾害较多，但只要能对湿陷变形特征与规律进行正确的分析和评价，采取恰当的处理措施，湿陷便可以避免。
（1）防水措施。水的渗入是黄土湿陷的基本条件，因此，只要能做到严格防水，湿陷事故是可以避免的。防水措施是为防止或减少建筑物地基受水浸湿而采取的措施。这类措施有：①平整场地，以保证地面排水通畅；②做好室内地面防水设施和室外散水、排水沟，特别是开挖基坑时，要注意防止水的渗入；③切实做到上下水道和暖气管道等用水设施不漏水等。
（2）地基处理措施。地基处理是对建筑物基础下一定深度内的湿陷性黄土层进行加固处理或换填非湿陷性土，达到消除湿陷性、减小压缩性和提高承载力的方法。在湿陷性黄土地区，通常采用的地基处理方法有重锤表层夯实法、强夯法、复合地基法、垫层法、挤密法、预浸水法、单液硅法或碱液加固法和桩基等。
（二）膨胀土
1.膨胀土的特征
膨胀土是由强亲水黏土矿物组成的，具有强胀缩性，为膨胀结构，多裂隙性，强度衰减性的高塑性黏土。黏土矿物主要是蒙脱石和伊利石，二者吸水后强烈膨胀，失水后收缩，长期反复多次胀缩，强度衰减，可导致工程建筑物开裂、下沉、失稳破坏。膨胀土在全世界范围内分布广泛，我国是世界上膨胀土分布广、面积大的国家之一，20多个省（自治区、直辖市）都有分布。
膨胀土的基本特征是：①多为灰白、棕黄、棕红及褐色等；②土中黏粒含量高，常达35%以上，且黏粒中大部分为亲水性很强的蒙脱石和伊利石等黏土矿物，常含铁、锰或钙质结核；③土中可溶盐及有机质含量都较低；④天然状态下的膨胀土结构致密；⑤土体具有网纹开裂，有蜡状光泽的挤压面，类似劈理，所以膨胀土又称裂土。
2.影响胀缩性的因素
影响膨胀土胀缩性的主要因素有土的粒度成分和矿物成分、土的天然含水量和结构状态、水溶液介质等。黏粒含量越多，亲水性强的蒙脱石越多，土的膨胀性和收缩性就越大；天然含水量越小，失水收缩越小，但可能的吸水量越大，故膨胀率可能越大。同样成分的土，吸水膨胀率随天然孔隙比的增大而减小，收缩则相反。此外，外部条件和气候变化情况与场地排水条件及地下水位的变化等都直接影响土的胀缩变形。
3.膨胀土的危害
膨胀土的胀缩特性对工程建筑，特别是低荷载建筑物具有很大的破坏性。只要地基中水分发生变化，就能引起膨胀土地基产生胀缩变形，从而导致建筑物变形，甚至破坏。
膨胀土地基的破坏作用主要源于明显而反复的胀缩变化。因此，膨胀土的性质和发育情况是决定膨胀土危害程度的基础条件。膨胀土厚度越大，埋藏越浅，危害越严重。它可使房屋等建筑物的地基发生变形而引起房屋沉陷开裂。有资料表明，在强胀缩土发育区，房屋破坏率可达60%～90%。另外，膨胀土对铁路、公路以及水利工程设施的危害也十分严重，常导致路基和路面变形、铁轨移动、路堑滑坡等，影响运输安全和水利工程的正常运行。
在膨胀土中开挖地下洞室，常见围岩底鼓、内挤、坍塌等变形现象，导致隧道衬砌变形破坏，地面隆起。膨胀土隧道围岩变形常具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治困难等特点。
4.膨胀土危害的防治措施
在膨胀土分布区进行工程建设时，应避免大挖大填，在建筑物四周要加大散水范围，在结构上设置圈梁，铁路、公路施工避免深长路堑，要少填少挖，路堤底部垫砂，路堑设置挡土墙或抗滑桩，边坡植草铺砂。所有工程设施附近都要修建坡面、坡脚排水设施，避免降雨、地表水、城镇废水的冲刷、汇集。对于已受膨胀土破坏的工程设施则视具体情况，采用加固、拆除重建等措施进行治理。
（三）软土
1.软土的分布
软土是在静水或水流缓慢的环境中沉积的，并有微生物参与，含有较多的有机质的疏松软弱的黏性土，在我国主要分布在长江三角洲、珠江三角洲、洞庭湖、洪泽湖、太湖、滇池、牛轭湖等地。软土成因类型主要有：①沿海沉积型（滨海相、潟湖相、溺谷相、三角洲相）；②内陆湖盆沉积型；③河滩沉积型；④沼泽沉积型。
2.软土的工程性质
（1）触变性。软土一旦受到扰动（振动、搅拌、挤压或搓揉等），原有的结构被破坏，土的强度明显降低或很快变成稀释状态，而当扰动停止后，强度又逐渐恢复。
（2）流变性。流变性是指软土在长期荷载作用下，随时间增长发生缓慢而长期的剪切变形，导致土的长期强度小于瞬间强度的性质。
（3）高压缩性。软土的压缩系数大，软土地基的变形特性与其天然固结状态相关，欠固结软土在荷载作用下沉降较大，天然状态下的软土层大多属于正常固结状态。
（4）低强度。软土的天然不排水抗剪强度一般小于20k Pa。
（5）低透水性。软土的渗透系数一般为10-8～10-6 cm/s，在自重或荷载作用下固结速率很慢。同时，在加载初期地基中常出现较高的孔隙水压力，影响地基的强度，延长建筑物沉降时间。
（6）各向异性。因沉降环境的变化，黏性土层中常夹有厚薄不等的黏土层，地层在水平和垂直分布上不均匀，建筑物地基易产生差异沉降。
3.软土的危害
由于软土强度低、压缩性高，故以软土作为建筑物地基所遇到的主要问题是承载力低和地基沉降量过大。软土的容许承载力一般低于100k Pa，有的只有40～60k Pa，上覆荷载稍大就会发生沉陷，甚至出现地基被挤出的现象。
在软土地区修筑路基时，由于软土抗剪强度低，抗滑稳定性差，不但路堤的高度受到限制，而且易产生侧向滑移。在路基两侧常产生地面隆起，形成延伸至坡脚以外的坍滑或沉陷。
4.软土地基的加固措施
在软土地区进行工程建设往往会遇到地基强度和变形不能满足设计要求的问题，特别是在采用桩基、沉井等深基础措施而技术与经济上有困难时，可采取加固措施来改善地基土的性质以增加稳定性。地基处理的方法很多，大致可归结为土质改良、换填土和补强法等。
（1）土质改良法。土质改良法指利用机械、电化学等手段增加地基土的密度或使地基土固结的方法，如用砂井、砂垫层、真空预压、电渗法、强夯法等排除软土地基中的水分以增大软土的密度，或用石灰桩、拌和法、旋喷注浆法等使软土固结以改善土的性质。
（2）换填法。换填法指用强度较高的土换填软土。
（3）补强法。补强法是采用薄膜、绳网、板桩等约束地基土的方法，如铺网法、板桩围截法等。在道路建设中，对软土路基也必须进行加固处理，主要采用砂井砂垫层、生石灰桩、换填土、旋喷注浆、电渗排水、侧向约束和反压护道等方法。
（四）冻土
1.冻土的特征
温度等于或低于零摄氏度并含有冰的土层称为冻土。冻土可分为多年冻土和季节冻土。冻结状态能保持三年或三年以上者，称为多年冻土。冬季冻结，夏季全部融化，逐年周期性冻结、融化的土，称为季节冻土。我国多年冻土按地理分布划分为两种类型：一是兴安岭、阿尔泰等高纬度多年冻土区；二是长白山、天山、阿尔泰山、祁连山、青藏高原、喜马拉雅山等高海拔多年冻土地区，为高原多年冻土。
土中水分因温度降低而结冰或由于温度升高而融化，土的工程性质都将受到不利的影响。土冻结时，由于水分结冰膨胀，土的体积随之增大，地基隆起，称为冻胀；融化时，土体积缩小，地基沉降，称为融沉。冻胀和融沉都会给建筑物带来危害。因此，冻胀和融沉是冻土的两个重要特征。
2.冻土的危害
土体在冻结时体积膨胀，地面出现隆起，而冻土融化时体积缩小，地面又发生沉陷。同时，土体在冻结、融化时，还可能产生裂缝、热融滑塌、寒冻石流和融冻泥流等灾害。因此，土体的频繁冻融直接影响和危害人类经济活动和工程建设。就危害程度而言，多年冻土的融化作用危害较大，而季节性冻土的冻结作用危害更大。
3.冻土危害的防治措施
冻土危害的防治原则是根据自然条件和建筑设计、使用条件尽可能保持一种状态，即要么长期保持其冻结状态，要么使其经常处于消融状态。首先，必须做到合理地选址和选线，制定正确的建筑原则，尽量避免或最大限度地减轻冻害的发生。在不可能避免时，采取必要的地基处理措施，消除或减弱冻土危害。
（1）换填法。换填法是目前应用最多的一种防治冻土灾害的措施。实践证明，这种方法既简单实用，治理效果又好，具体做法是用粗砂或砂砾石等置换天然地基的冻胀性土。
（2）排水隔水法。排水隔水法有抽采地下水以降低水位、隔断地下水的侧向补给来源、排除地表水等，通过这些措施来减少季节冻融层土体中的含水量，减弱或消除地基土的冻胀。
（3）设置隔热层保温法。隔热层是一层低导热率材料，如聚氨基甲酸酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、玻璃纤维、木屑等。在建筑物基础底部或周围设置隔热层可增大热阻，减少地基土中的水分迁移，达到减轻冻害的目的。路基工程中常用草皮、泥炭、炉渣等作为隔热材料。
（4）物理化学法。物理化学法是在土体中加入特定物质，改变土粒与水分之间的相互作用，使土体中水的冰点和水分迁移速率发生改变，从而削弱土体冻胀的一种方法。如加入无机盐类使冻胀土变成人工盐渍土，降低冻结温度，在土中掺入厌水性物质或表面活性剂等使土粒之间牢固结合，削弱土粒与水之间的相互作用，减弱或消除水的运动。
（五）红黏土
红黏土是指碳酸盐类岩石（如石灰岩、白云岩等）在湿热气候条件下，经强烈风化作用而形成的棕红、褐红、黄褐色的高塑性黏土。红黏土广泛分布在我国云贵高原、四川东部、两湖和两广北部的一些地区。红黏土天然含水量高，孔隙比e较大，常大于1.0，但仍较坚硬，强度较高，这种特殊的性质是由其物质成分及堆积条件决定的。红黏土具有高分散性、颗粒细而均匀，黏粒含量很高，黏土矿物以高岭石或伊利石为主，碎屑矿物主要是石英，另一种主要矿物是绿泥石。
红黏土常呈蜂窝状和海绵状结构，颗粒之间具有牢固的铁质和铝质胶结。红黏土中常有很多裂隙、结核和土洞存在。红黏土一般存在于盆地洼地、山麓山坡、谷地或丘陵地区，其厚度变化很大，且与原始地形和下伏基岩面的起伏变化密切相关。其成因以残积、坡积为主，也有冲、洪积成因的。若红黏土颗粒被流水带到低洼处重新堆积成新的土层，则颜色浅于未经搬运者，常含粗颗粒，但仍保留红黏土的基本特性。
在一般情况下，红黏土的表层压缩性低、强度较高、水稳定性好，属良好的地基土层，但在接近下伏基岩面的下部，随着含水量的增大，土体成软塑或流塑状态，强度明显变低，作为地基时条件较差。因此在红黏土地区的工程建设中，要注意场地及边坡的稳定性、地基土厚度的不均匀性、地基土的裂隙性和胀缩性、岩溶和土洞现象以及高含水量红黏土的强度软化特性及其流变性。