一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列的初步框架*

李清明 唐輝明

( ①深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳 518029)

( ②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 武漢) 武漢 430074)

0 引 言

巖土三相體的復(fù)雜性、巖土地層及其組合類型的復(fù)雜多變性和巖土分類標(biāo)準(zhǔn)的碎片化造成了不同地區(qū)之間，甚至同一地區(qū)內(nèi)同一時(shí)代、同一成因和同一巖土名稱的地層都可能具有不可對(duì)比性，從而制約了巖土地層大數(shù)據(jù)庫的建立。統(tǒng)一巖土分類標(biāo)準(zhǔn)和巖土地層序列是建立一個(gè)地區(qū)、國(guó)家乃至全球巖土地層數(shù)據(jù)庫的重要基礎(chǔ)。

本文的目的旨在探討“巖土地層”的內(nèi)涵，嘗試建立一種標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列的初步框架，為巖土地層大數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。

1 不同規(guī)范體系下巖土分類的差異

我國(guó)曾經(jīng)組織人員進(jìn)行過土的全國(guó)統(tǒng)一分類工作，后來無忌而終。有的規(guī)范將巖、土分開，有的規(guī)范則巖土不分，統(tǒng)一分類( 李廣信，2004) 。

按照《巖土工程勘察規(guī)范( GB50021—2001) 》( 以下簡(jiǎn)稱《勘察規(guī)范》) 和《巖石與巖體鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)( CECS 239:2008) 》( 以下簡(jiǎn)稱《巖石與巖體標(biāo)準(zhǔn)》) ，巖土描述和鑒定要求考慮巖土?xí)r代、成因、巖土含水狀態(tài)、砂土密實(shí)度、黏性土塑性、巖石的堅(jiān)硬程度和風(fēng)化程度、巖土名稱等。歐盟雖然實(shí)行了統(tǒng)一的土類標(biāo)準(zhǔn)，但各國(guó)可根據(jù)本國(guó)特點(diǎn)確定各類巖土參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。我國(guó)從《巖土工程勘察規(guī)范》( GB500021—94) 和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GBJ7—2002) 開始，巖土參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值納入地方標(biāo)準(zhǔn)。

《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)( GB/T50145—2007) 》( 以下簡(jiǎn)稱《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》) 在考慮國(guó)內(nèi)常用粒組界限的基礎(chǔ)上，根據(jù)土顆粒組成及其特征、土的塑性指標(biāo)和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行土的通用分類，是具中國(guó)特色的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)修正版?！犊辈煲?guī)范》采用多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土的分類，如根據(jù)顆分、塑性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)含量劃分碎石土、砂土、粉土、黏性土、無機(jī)土和有機(jī)土，還單獨(dú)劃分出了濕陷性土、紅黏土、軟土、混合土、填土、多年凍土、膨脹巖土、鹽漬巖土、污染土、風(fēng)化巖和殘積土等特殊性巖土。將晚更新世及以前沉積的土定為老沉積土，第四紀(jì)全新世中近期沉積的土定為新近沉積土。根據(jù)地質(zhì)成因可劃分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、淤積土、冰積土和風(fēng)積土等。對(duì)特殊成因和年代的土類應(yīng)結(jié)合其成因和年代特征定名，對(duì)特殊土，應(yīng)結(jié)合顆粒級(jí)配或塑性指數(shù)定名，對(duì)混合土，應(yīng)冠以主要含有的土類定名。歐盟標(biāo)準(zhǔn)《土的分類、鑒定和描述BS EN ISO 14688－1: 2002、2:2004》( 以下簡(jiǎn)稱《歐盟土的分類標(biāo)準(zhǔn)》) 根據(jù)顆分、塑性、有機(jī)質(zhì)含量和成因進(jìn)行土的通用分類，并可根據(jù)土的不排水剪切強(qiáng)度、干密度、黏?；顒?dòng)性、礦物種類、飽和度、滲透性、膨脹性、壓縮系數(shù)和碳酸鹽含量等參數(shù)進(jìn)行土的次一級(jí)分類。

《勘察規(guī)范》根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度劃分5 個(gè)巖石堅(jiān)硬程度等級(jí)，并應(yīng)鑒定巖石的地質(zhì)名稱和風(fēng)化程度，描述巖石的地質(zhì)時(shí)代、地質(zhì)名稱、風(fēng)化程度、顏色、主要礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD等。巖石名稱數(shù)量龐大，且可詳可略，如花崗巖、砂巖、石灰?guī)r等均可細(xì)分出一個(gè)龐大的家族?！稁r石與巖體標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度劃分8 個(gè)巖石堅(jiān)硬程度等級(jí)，還明確了巖石、結(jié)構(gòu)面、巖體結(jié)構(gòu)體和巖體的鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)，單獨(dú)劃分出了具有特殊工程性質(zhì)的劣質(zhì)巖。歐盟標(biāo)準(zhǔn)《巖石鑒定和分類BSiENiISOi14689—1: 2003》( 以下簡(jiǎn)稱《歐盟巖石分類標(biāo)準(zhǔn)》) 根據(jù)巖石的成因、礦物成分組合、結(jié)構(gòu)和礦物顆粒大小提供了一個(gè)巖石類型簡(jiǎn)表，并根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度劃分7 個(gè)巖石堅(jiān)硬程度等級(jí)。巖石的堅(jiān)硬程度等級(jí)也是在不斷演變的，我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代的2 級(jí)增加到現(xiàn)在的5～8 級(jí)( 表1) 。

從表1可見，《巖石與巖體標(biāo)準(zhǔn)》更側(cè)重于巖土分類的系統(tǒng)性、完整性及與國(guó)際規(guī)范的接軌性，《勘察規(guī)范》更側(cè)重于我國(guó)常見巖土情況下的實(shí)用性和歷史傳承性。各規(guī)范對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的劃分等級(jí)及界限值、巖石風(fēng)化程度的劃分指標(biāo)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)、土的分類體系、土的粒組及粒徑界限值、土的密實(shí)程度指標(biāo)等均存在差異。如《勘察規(guī)范》、《巖石與巖體標(biāo)準(zhǔn)》和《歐盟巖石分類標(biāo)準(zhǔn)》分別采用飽和單軸、天然濕度單軸和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度劃分巖石的堅(jiān)硬程度。《勘察規(guī)范》列出了10 種單獨(dú)定義的特殊巖土，《巖石與巖體標(biāo)準(zhǔn)》列出了9 種劣質(zhì)巖?！锻恋姆诸悩?biāo)準(zhǔn)》定義黏粒為直徑＜0.005 mm 的顆粒，《歐盟土的分類標(biāo)準(zhǔn)》定義黏粒為直徑＜0.002 mm 的顆粒，增加了大漂石粒組，并將粉粒分為粗、中、細(xì)3 級(jí)( 表2) 。歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土的通用分類方案考慮土的顆粒級(jí)配、塑性、有機(jī)質(zhì)含量、土的成因等因素，劃分兩種人工填土，對(duì)成分為天然土的填土要求執(zhí)行土的分類標(biāo)準(zhǔn)。《勘察規(guī)范》僅按IP分類細(xì)粒土，而以WL和IP綜合反映細(xì)粒土特性的塑性圖遠(yuǎn)較單按IP分類優(yōu)越( 王鐘琦，1981) ，應(yīng)用塑性圖對(duì)陜西黃土、三趾馬紅土、膨脹土的判別能較好地反映其工程地質(zhì)特性( 馬桂芝，1995) ，《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》和歐盟標(biāo)準(zhǔn)均采用塑性圖對(duì)細(xì)粒土進(jìn)行分類。各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均根據(jù)巖石的飽和、天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度或野外鑒定特征提供了巖石堅(jiān)硬程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和巖石風(fēng)化程度的分類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度劃分巖石堅(jiān)硬程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standards of hardness degree of rock according to uniaxial compressive strength

因此，當(dāng)采用不同規(guī)范來定義同一巖土?xí)r，其名稱可能不同，或者由不同規(guī)范得到的同一巖土名稱也可能具有較大的工程性質(zhì)差異。

2 巖土的一種通用分類方法

任何一種巖土均是由固相、液相和氣相3 種形態(tài)的物質(zhì)組成，因此，巖土的統(tǒng)一分類宜基于巖土的基本物質(zhì)，即固體、液體和氣體，一般巖土工程情況下，可替換為巖土顆粒、孔隙和水。巖土通用分類指標(biāo)應(yīng)適用于各類巖土，僅適合某些巖土的指標(biāo)可作為次一級(jí)的分類指標(biāo)。

表2 粒組的不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Different classification standards of fraction

2.1 巖土顆粒的通用分類

巖土的固相部分主要由占地殼總重量99%的20～30 種主要造巖礦物組成，其中，石英、長(zhǎng)石、白云母等淺色長(zhǎng)英質(zhì)礦物和輝石、角閃石、橄欖石、黑云母等富鐵鎂質(zhì)深色礦物占地殼總重量大于85%，其他常見的造巖礦物有方解石、白云石和各種黏土礦物。巖土形成過程中存在自然分選，任何一種巖土地層均是某類礦物的集合體，含或不含有機(jī)質(zhì)。如碎屑沉積巖的巖屑礦物主要為石英、長(zhǎng)石、黏土礦物、碳酸鹽等?；瘜W(xué)或有機(jī)沉積巖的礦物成分主要為鹽類、碳酸鹽類、硅質(zhì)、炭質(zhì)。中酸性巖漿巖的礦物主要為石英、長(zhǎng)石、云母、暗色礦物，基性巖漿巖的礦物主要為長(zhǎng)石、暗色礦物，超基性巖漿巖的礦物主要為暗色礦物，火山碎屑巖至少含50%火山巖成分。變質(zhì)巖是由巖漿巖、沉積巖和淺變質(zhì)巖變質(zhì)過來的，因此，是原巖礦物和變質(zhì)過程中新生礦物的集合體。碎石土顆粒的礦物成分取決于母巖的巖石類型及后期的風(fēng)化程度，砂土的礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母和黏土礦物，黏性土的礦物成分主要為黏土礦物。

2.1.1 巖土顆粒的定義

巖土顆粒是構(gòu)成巖土的“骨架”部分，當(dāng)承受外力時(shí)，是變形較小、相對(duì)穩(wěn)定和不活躍的部分。構(gòu)成巖土“骨架”的某些成分，如以蒙脫石族為代表的片狀黏土礦物、碳酸鹽、易( 中) 溶鹽、有機(jī)質(zhì)等，具有特殊的巖土工程性質(zhì)，宜單獨(dú)進(jìn)行分類。巖土中的沸石水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水構(gòu)成巖土固相的一部分，但氣態(tài)水、重力水、毛細(xì)水或結(jié)合水不應(yīng)視為巖土顆粒的一部分( Colten-Bradley，1987; 周公度，2002; 孫強(qiáng)等，2013) 。

巖土顆?？煞譃榈V物顆粒和表觀顆粒。巖土礦物顆粒定義為巖土體中單一的( 非晶質(zhì)) 礦物顆粒，巖土表觀顆粒定義為完全被真空、氣體、重力水、毛細(xì)水或結(jié)合水分割的一種或多種( 非晶質(zhì)) 礦物集合體。

從巖土表觀顆粒的定義可知，巖土表觀顆粒的空間形態(tài)可能非常復(fù)雜，常見的有包含部分真空、氣體、重力水、毛細(xì)水或結(jié)合水的球狀、塊狀、板狀、片狀、柱狀、棒狀、蜂窩狀、絮凝狀、海綿狀、泡沫狀等。

2.1.2 巖土顆粒的通用分類

可從巖土顆粒大小、組成和特殊組分進(jìn)行巖土顆粒的通用分類。

巖土顆粒一般是指礦物顆粒，對(duì)松散－密實(shí)類的粗粒、巨粒巖土，巖土顆粒一般是指表觀顆粒。巖土顆粒，如土顆粒、沉積巖碎屑、巖漿巖的礦物晶粒、蒸發(fā)巖和非蒸發(fā)巖的礦物晶粒等的粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)不一樣，建議統(tǒng)一巖土顆粒粒級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)( 表3) ，當(dāng)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行說明。一種巖土往往由多個(gè)粒組成分組成，巖土顆粒組成的不均勻性宜納入次一級(jí)分類，其名稱宜簡(jiǎn)化，如采用累計(jì)含量首次大于50%的粒組名稱，粒徑＞5 mm 的含量＞50%者可命名為中礫( 巖) ，粒徑＞0.075 mm 的含量＞50%者可命名為細(xì)砂( 巖) ，粒徑＜0.002 mm 的含量＞50%者可命名為黏土( 巖) 。

巖土中的某些特殊組分，如高蒙脫石巖土具強(qiáng)膨脹性，高易溶鹽巖土具強(qiáng)鹽脹性，有機(jī)質(zhì)含量的大小對(duì)巖土物理力學(xué)性質(zhì)影響較大，碳酸鹽因其復(fù)雜多變的孔隙結(jié)構(gòu)類型、膠結(jié)性和某些特殊屬性，亦納入巖土特殊組分。根據(jù)特殊組分的含量進(jìn)一步分級(jí)( 表4) ，普通礦物可不分級(jí)。

2.2 巖土孔隙的通用分類

巖土中的孔隙是巖土地層中最薄弱的組成部分，如填土、軟土、黃土、紅黏土、膨脹性巖土、鹽漬化巖土、殘積土、軟巖或劣質(zhì)巖等特殊性巖土一般都是高孔隙率的巖土。

巖土孔隙率與巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系已有大量的研究成果資料。如黃土的濕陷性可采用孔隙比分級(jí)( 劉祖典，1994) 。當(dāng)孔隙率n∈( 2，35)時(shí)，部分白云巖、花崗巖和蝕變巖的單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙率存在指數(shù)關(guān)系( 楊根蘭等，2006; 吳文等，2010; 魏偉等，2012; 劉泉，2014) 等。

表3 按顆粒大小及其含量的巖土顆粒統(tǒng)一分類建議標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Suggested classification standard of fraction

表4 巖土特殊組分分級(jí)Table 4 Classification of special components of rock ＆ soil

評(píng)價(jià)巖土礦物顆粒間緊密程度的思路有3 種:( 1) 巖土顆粒間的相對(duì)緊密程度，( 2) 巖土顆粒間的絕對(duì)緊密程度，( 3) 具有某些特定物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)。目前，有許多概念和參數(shù)，如碎石土、砂土和粉土采用密實(shí)度，黏性土采用液性指數(shù)或稠度指數(shù)，巖石采用風(fēng)化程度或軟硬程度來衡量巖土顆粒間的緊密程度。當(dāng)采用密實(shí)度、液性指數(shù)、稠度指數(shù)、含水比、風(fēng)化程度等參數(shù)來衡量礦物顆粒間的緊密程度時(shí)，由于是與“自身”的最密( 硬) 狀態(tài)和最松( 軟) 狀態(tài)進(jìn)行比較，而每一類巖土均可無限細(xì)分出次一級(jí)巖土，因此，這個(gè)“自身”存在無窮多個(gè)變化，會(huì)導(dǎo)致這類參數(shù)的界限值不斷演變，各地區(qū)之間也會(huì)存在差異。標(biāo)貫擊數(shù)、( 超) 重型動(dòng)力觸探擊數(shù)、比貫入阻力、單軸抗壓強(qiáng)度等反映巖土強(qiáng)度的參數(shù)和試驗(yàn)方法難以覆蓋整個(gè)巖土地層系列。表征碎石土、砂土和粉土密實(shí)度的參數(shù)有相對(duì)密度、標(biāo)貫擊數(shù)、( 超) 重型動(dòng)力觸探擊數(shù)、比貫入阻力、孔隙比等。黏性土和巖石一般采用軟硬程度來表征礦物顆粒間的緊密程度，黏性土采用液性指數(shù)、稠度指數(shù)、含水比，標(biāo)貫擊數(shù)，重型動(dòng)力觸探擊數(shù)、比貫入阻力等表征其軟硬程度，巖石采用單軸抗壓強(qiáng)度或風(fēng)化程度進(jìn)行堅(jiān)硬程度分級(jí)。

2.2.1 巖土孔隙的定義

巖土孔隙定義為巖土礦物顆粒內(nèi)部及礦物顆粒之間被真空、氣體、重力水、毛細(xì)水或結(jié)合水充填的空間部分。

2.2.2 巖土孔隙的類型

一切多晶體材料均具有孔隙，巖石是多晶體材料中缺陷最多的一類物質(zhì)，巖石除孔隙外，還發(fā)育有各種成因的裂隙，各類巖土均有其孔隙結(jié)構(gòu)特征。如火山巖孔隙類型有裂隙和孔洞兩種類型，裂隙有次生的風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂縫、節(jié)理縫等，孔洞有原生的礫( 粒) 間孔、氣孔、結(jié)晶作用形成的晶間孔、溶解作用形成的次生溶蝕孔( 粒間溶孔、基質(zhì)溶孔、晶間溶孔、鑄?？住⑷芪g氣孔、沿縫溶孔) ( 于英太，1988) 。碳酸鹽的孔隙結(jié)構(gòu)特征較復(fù)雜，按大小可分為隱孔、顯孔和晶孔; 按孔隙形成時(shí)間可分為原生孔隙: 粒間孔隙、遮蔽孔、粒內(nèi)孔、生物骨架孔隙、生物鉆孔孔隙、鳥眼孔隙和次生孔隙: 粒內(nèi)溶孔、鑄?？?、粒間溶孔、晶間溶孔、溶孔、溶洞、溶溝等( 成都地質(zhì)學(xué)院巖石教研室，1978) 。泥頁巖中的黏土礦物以3～100 nm 孔隙為主，其中，蒙脫石黏土巖以3～6 nm 孔隙為主，伊蒙混層黏土巖為3 ～6 nm 和20～70 nm 孔隙共存，高嶺石、綠泥石和伊利石黏土巖以20～70 nm 孔隙為主( 吉利明等，2014) 。

2.2.3 各種巖土的孔隙率

孔隙率定義為巖土中的孔隙體積占巖土總體積的比值，常以百分比表示。

等徑球狀顆粒的孔隙率介于25.95%～47.64%之間，但巖土顆粒一般為非等徑、非球狀顆粒，且顆粒之間可以相互不接觸，在壓實(shí)固結(jié)和伴隨新生礦物形成的成巖過程中，孔隙率不斷降低，因此，巖土孔隙率變化范圍更寬廣( 圖1) 。各類巖土的最大單軸抗壓強(qiáng)度σ 與孔隙率n 關(guān)系可視為上界包絡(luò)線( 形如σ=ae－b，e=n/( 1－n) ，其中，e 為孔隙比，n 為孔隙率，a、b 為與巖土地層固有性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)) ，巖土的最小( 無側(cè)限) 抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系可視為下界包絡(luò)線。當(dāng)各類巖土地層的數(shù)據(jù)樣本增加時(shí)，圖1 中的上、下界包絡(luò)線均可向外拓展。

圖1 各類巖土單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系Fig. 1 Relation between uniaxial compressive strength and porosity of various types of rock ＆ soil

沉積巖隨著埋深的加大，上覆壓力和溫度越來越加大，孔隙率迅速減小。當(dāng)埋深進(jìn)一步加大時(shí)，顆粒接觸點(diǎn)處的礦物開始溶解結(jié)晶形成新的礦物，孔隙率進(jìn)一步減小。Lapinskaya 和Proshlyakhov 在20世紀(jì)70 年代給出過前高加索區(qū)和前里海坳陷中的砂質(zhì)－粉砂質(zhì)巖石和黏土質(zhì)巖石孔隙率和埋深間的關(guān)系，第四紀(jì)－寒武紀(jì)時(shí)代沉積的各類巖土孔隙比與上覆壓力呈對(duì)數(shù)關(guān)系( Herman et al.，1984) 。

侵入巖的孔隙率一般為0.2%～2.0%，噴出巖、火山碎屑巖、變質(zhì)巖的孔隙率變化較大，介于沉積巖與巖漿巖之間，殘積土與風(fēng)化巖的孔隙率介于土與母巖之間。

2.2.4 巖土孔隙的分級(jí)

孔隙率是表征巖土顆粒之間緊密程度的內(nèi)在因素和絕對(duì)指標(biāo)，也是推論各類巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。我們推薦采用孔隙率或“致密度”替代原有的“密實(shí)度”或“軟硬程度”等概念來反映巖土顆粒間的緊密程度，將巖土致密度分為致密、疏松、密實(shí)、松散、泡沫狀和孔洞6 大類，共18 級(jí)( 表5) ，部分致密度分級(jí)名稱仍沿用了習(xí)慣采用的密實(shí)度分級(jí)名稱，但內(nèi)涵已有所不同。

2.3 巖土含水狀態(tài)的通用分類

巖土含水狀態(tài)定義為巖土孔隙的飽水程度，可采用飽和度Sr或含水率nw來衡量( Alfreds R.Jumikis，1983) 。巖土飽和度定義為巖土孔隙中水的體積與全部孔隙體積的比值，常以百分比表示。

式中，Vw為巖土孔隙中水的體積; Vv為巖土的全部孔隙體積; ω 為巖土天然含水量; ωsat為巖土飽和含水量。

根據(jù)巖土飽和度可對(duì)巖土的含水狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)( 表6) 。

含水率nw定義為巖土孔隙中水的體積與巖土總體積的比值，常以百分比表示，是一個(gè)可直接測(cè)量的指標(biāo)。

含氣率na定義為巖土孔隙中氣體( 或真空) 的體積Va與巖土總體積的比值，常以百分比表示。

3 巖土地層

3.1 地層的定義

分布在地殼表層的第四紀(jì)松散地層在巖土工程實(shí)踐中占有重要的地位，在陸地分布厚度一般數(shù)米至數(shù)百米，在渤海、南海和沖繩海槽盆地等海域可達(dá)數(shù)百米至3000 m 以上( 夏倫煜，1988; 李乃勝等，1998; 徐杰等，2004; 藍(lán)先洪，2005) 。從巖性分布來看，硅酸鹽占地殼總重量的90%以上，沉積巖覆蓋了大陸表面積近75%，泥質(zhì)巖約占沉積巖總量的50%( A.Ф. 雅庫紹娃等著，何國(guó)琦等譯，1995) 。

《中國(guó)地層指南及中國(guó)地層指南說明書》定義地層為具有某種共同特征或?qū)傩缘膸r石體，能以明顯界面或經(jīng)研究后推論的解釋性界面與相鄰的巖層和巖石體相區(qū)分?！秶?guó)際地層指南》定義地質(zhì)學(xué)的地層為以某種巖石特征或?qū)傩詤^(qū)別于相鄰巖層的一個(gè)巖層。

表5 根據(jù)孔隙率或孔隙比劃分的巖土致密度分級(jí)Table 5 Classification of compactness of rock ＆ soil according to porosity or void ratio

表6 巖土含水狀態(tài)的分級(jí)Table 6 Classification of moisture content of rock ＆ soil

2012 年9 月21 日中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和全國(guó)地層委員會(huì)發(fā)布了《中國(guó)地層表》( 征求意見稿) ，以后又繼續(xù)修改并發(fā)布了《中國(guó)地層表》( 試用稿) ，第4 屆全國(guó)地層會(huì)議討論通過后的《中國(guó)地層表》于2014年批準(zhǔn)正式推出( 章森桂等，2015) 。《中國(guó)地層表》應(yīng)作為研究巖土歷史的時(shí)間標(biāo)尺、巖土分類的基礎(chǔ)資料和巖土地層評(píng)價(jià)的基本工具。

3.2 地層時(shí)代

根據(jù)最新版《中國(guó)地層表》，地層的地質(zhì)時(shí)代劃分為3 宙、11 代、19 紀(jì)、39 世、92 期。在不考慮地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化作用等因素?cái)_動(dòng)的情況下，同一時(shí)代的同一地層可大致定性其物理力學(xué)性質(zhì)，地質(zhì)時(shí)代更老地層的工程性質(zhì)一般好于同類年輕的。地質(zhì)構(gòu)造作用和風(fēng)化作用可在孔隙率和顆粒名稱等的差異上體現(xiàn)。不同時(shí)代的地層，其形成先后順序不同，上下空間關(guān)系不同，對(duì)分析斷裂、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造有所幫助。

3.3 地層成因

根據(jù)《中國(guó)地層指南及中國(guó)地層指南說明書》，地層成因包括沉積巖( 包括固結(jié)的、未固結(jié)的沉積物) 、變質(zhì)巖和巖漿巖，這里的地層未區(qū)分巖土。沉積巖可進(jìn)一步細(xì)分，如陸相第四紀(jì)地層的成因有:風(fēng)成、水成( 河流:沖積、洪積、泥石流、冰水堆積物; 湖沼沉積:泥沙、泥炭、膏鹽、硅藻) 、冰川成( 冰漬物和冰緣) 、洞穴堆積( 巖溶) 、生物堆積( 泥炭、硅藻、鳥糞) 、火山堆積( 火山碎屑、火山灰和熔巖等) 。海相地層的成因有:物理沉積( 泥沙) 、化學(xué)沉積( 碳酸鹽等) 、生物沉積( 珊瑚、硅藻) ( 劉嘉麒等，2000) 。各類地層均可細(xì)分出殘積土和風(fēng)化巖?！豆I(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘察規(guī)范》( TJ21-77) 附表15 曾列出20 種第四紀(jì)土層的成因，在此基礎(chǔ)上允許增加復(fù)合型成因類型。沉積巖的成因劃分過細(xì)會(huì)導(dǎo)致在某些情況下難以區(qū)分，可簡(jiǎn)化為水成、風(fēng)成、重力堆積、生物堆積、冰水堆積和成因不明6 大類，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步細(xì)分，當(dāng)存在多種成因時(shí)，宜以其主要成因命名。變質(zhì)巖和巖漿巖的成因也可根據(jù)需要進(jìn)一步細(xì)分，如變質(zhì)巖可分為區(qū)域變質(zhì)巖、熱接觸變質(zhì)巖、動(dòng)力變質(zhì)巖等，巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖等。另外，人工巖土宜單獨(dú)劃分，可分為天然巖土的人工填土、雜填土、人工構(gòu)筑物等。不同成因的巖土可大致推斷其空間分布規(guī)律。

3.4 巖土地層的定義

單個(gè)巖土地層定義為具有相同的時(shí)代成因和相同的特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和飽和度的地層。

廣義來說，“相同的”含義是指時(shí)代、成因、特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和飽和度的變化范圍相同，視工程需要或研究目的不同而定，這個(gè)“變化范圍”可寬可窄。狹義來說，“相同的時(shí)代”是指同一期的地層，“相同的成因”是指屬于14 種成因之一，“相同的特殊組分”是指表4 中特殊組分的含量等級(jí)及其組合相同，“相同的巖土顆粒大小”是指累計(jì)含量大于50%的粒組名稱相同，“相同的致密度”是指表5 相同等級(jí)的致密度，“相同的飽和度”是指表6 相同等級(jí)的飽和度。

3.5 巖土地層的可對(duì)比性原則

當(dāng)兩個(gè)巖土地層同時(shí)具有相同的時(shí)代成因和相同的巖土顆粒大小、特殊組分、致密度和飽和度時(shí)，一般情況下，可以認(rèn)為這兩個(gè)巖土地層的工程物理力學(xué)性質(zhì)是相似的，是可以進(jìn)行對(duì)比的。

4 標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列

標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列定義為一個(gè)地區(qū)內(nèi)某個(gè)地質(zhì)時(shí)代、某種成因類型的完整巖土地層序列。

巖土地層的時(shí)代成因反映巖土形成環(huán)境和時(shí)空變化的一般規(guī)律，可視為巖土地層序列的“經(jīng)”或宏觀特征，巖土地層名稱可視為巖土地層序列的“緯”或中、微觀特征，兩者共同構(gòu)成巖土地層序列的“經(jīng)緯”。巖土地層名稱按照時(shí)代( 5 位數(shù)) +成因( 2 位數(shù)) +飽和度( 1 位數(shù)) +致密度( 2 位數(shù)) +特殊組分( 4 位數(shù)) +巖土顆粒名稱( 3 位數(shù)) 確定巖土地層的全稱( 表7) ，并采用17 位數(shù)字定義各類巖土地層的序號(hào)。

如果不考慮巖土地層的時(shí)代成因、特殊組分和含水狀態(tài)，則僅有221 種巖土地層; 如果考慮巖土的特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和含水狀態(tài)因素，但不考慮巖土地層的時(shí)代成因，理論上存在26520 種巖土地層; 當(dāng)考慮時(shí)代成因和巖石學(xué)名稱時(shí)，巖土地層總數(shù)可達(dá)千萬級(jí)數(shù)量以上。

表7 標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序號(hào)排列規(guī)則Table 7 Numbering rules of standard rock ＆ soil strata

建立一個(gè)地區(qū)內(nèi)各時(shí)代成因的標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列是巖土地層大數(shù)據(jù)庫的重要基礎(chǔ)，可以使得巖土地層名稱與其工程物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)大致匹配，從而有利于同一地區(qū)內(nèi)和不同地區(qū)之間巖土數(shù)據(jù)的比較和巖土大數(shù)據(jù)庫的建立。

5 結(jié) 論

( 1) 本文給出了巖土地層和標(biāo)準(zhǔn)巖土地層序列的一種定義。

( 2) 本文提出采用巖土顆粒大小、組成和特殊組分進(jìn)行巖土顆粒的通用分類，采用孔隙率衡量巖土顆粒之間的絕對(duì)緊密程度，采用飽和度衡量巖土的含水狀態(tài)。

( 3) 建議《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》、《勘察規(guī)范》適當(dāng)擴(kuò)充粒組，覆蓋更廣泛的巖土顆粒粒徑及其工程特性，細(xì)化巨粒土、細(xì)粒土的分類方案。