巖土工程勘察中的地層劃分原則探討

劉龍飛

（中建三局工程設(shè)計有限公司 武漢430074）

0 前言

巖土工程勘察是設(shè)計和施工前必須進行的基本建設(shè)程序，它是工程項目建設(shè)的基礎(chǔ)，在工程建設(shè)中起著極其重要的作用［1］。巖土工程勘察成果的質(zhì)量一定程度上決定著工程建設(shè)的成本和成敗。一份準確完整的勘察成果應(yīng)包括但不限于地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表地下水、不良地質(zhì)作用、特殊性巖土等說明和論述，更應(yīng)有巖土工作者根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況作出工程的建設(shè)適宜性、可行性、地基基礎(chǔ)及場地利用治理、地層強度、變形和穩(wěn)定性分析、巖土層相關(guān)參數(shù)及對設(shè)計施工的相對合理完善的可靠意見和建議。要保證工程質(zhì)量、提高投資效益，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、正常運行及將來地質(zhì)環(huán)境不因工程建設(shè)而惡化，就必須使得工程與地質(zhì)環(huán)境相互協(xié)調(diào)，從工程的前期規(guī)劃、設(shè)計到后期的施工和運行都需要進行工程地質(zhì)研究，確定正確合理的工程地層劃分。

工程勘察工作為工程建設(shè)服務(wù)，因此，現(xiàn)今很多的工程勘察設(shè)計人員往往不了解或是無法獲取區(qū)域地質(zhì)信息，從而忽略土層地質(zhì)年代和成因；或是只重視巖土的物理力學性質(zhì)和參數(shù)的分析，認為勘察人員只需要提供各巖土層的物理力學性質(zhì)指標、巖土層水平與垂直方向的結(jié)構(gòu)剖面、巖土層的厚度等信息，搞清巖土的物理力學性質(zhì)、強度，巖土的時代、成因等就不重要甚至可以忽略［2］。殊不知，地層按時代進行劃分，不僅可以對比不同時代相同力學特性的巖土層，也可以將同一時代全球范圍的相同成因的巖土層進行對比，對比較各地區(qū)巖土層性質(zhì)都具有重大意義。巖土勘察設(shè)計人員應(yīng)重視在地質(zhì)學基礎(chǔ)上進行的分層，否則單從力學特性上進行的力學分析，很可能將沖洪積硬塑黏土和殘坡積黏土分為一層，而相同物理力學參數(shù)的一般黏性土和老黏土，工程特性也顯然因沉積年代、成因等不同而性質(zhì)有較大差異。

1 工程地質(zhì)與巖土工程

1.1 概念與特點

工程地質(zhì)學是研究與工程建設(shè)有關(guān)的地質(zhì)問題的科學，它是一門應(yīng)用性很強的學科［3］。從事工程地質(zhì)工作和研究的地質(zhì)專家（地質(zhì)師）從地質(zhì)歷史、現(xiàn)象、成因和演化、地質(zhì)規(guī)律等方面對地質(zhì)開展研究；分析地質(zhì)與工程相互作用的原理和過程。

而巖土工程是土木工程中涉及巖石和土的利用、處理或改良的科學技術(shù)。它主要以工程地質(zhì)學、巖石力學和土力學這三大學科為理論基礎(chǔ)；以巖土體為載體，研究其作為工程的承載體、建筑材料、工程荷載、環(huán)境介質(zhì)或傳力介質(zhì)等方面的特性。

1.2 兩者的區(qū)別與聯(lián)系

從二者的定義可以看出：工程地質(zhì)學是地質(zhì)學的一個分支，研究和關(guān)注的重點是地質(zhì)，是一門偏研究的科學；而巖土工程是土木工程的分支學科，它研究的是巖土體利用和整治，本質(zhì)上是一門工程技術(shù)運用學科，其核心目的是為了進行解決工程上的巖土技術(shù)問題，為工程建設(shè)和工程安全服務(wù)。

工程地質(zhì)與巖土工程雖然分屬不同的學科，但兩者關(guān)系非常密切，未來這兩個學科既不會逐漸歸一，也不會相互分離，而是像兩條相互纏繞的麻繩，緊密結(jié)合，相互依存，不斷在交叉和滲透中相互發(fā)展。

2 巖土工程勘察

巖土工程勘察是指利用巖土力學和工程地質(zhì)學的相關(guān)知識原理，使用勘察測量設(shè)備和相關(guān)的勘察方法，對工程建設(shè)場地進行地質(zhì)調(diào)查分析研究，并形成巖土工程勘察成果報告的過程，它包括鉆探、坑探、井探、槽探、洞探、物探等勘察手段［4］。具體流程如下所示：研究規(guī)范和技術(shù)要求，明確重難點→室內(nèi)和現(xiàn)場準備（編制勘察綱要、準備人員設(shè)備等）→現(xiàn)場施工，鉆探、物探、原位測試等→對現(xiàn)場地質(zhì)條件進行初步分析→結(jié)合室內(nèi)試驗、物探成果分析等，修正初步分析成果→對地質(zhì)條件進行合理分析，形成巖土勘察報告→下階段勘察或施工驗槽，必要時補勘。

勘察工作是由不知到知，從知之不多到知之較多的一個不斷探索的過程，巖土工程勘察可分為可行性勘察、初步勘察、詳細勘察及必要時的施工圖勘察等階段［4］。由于工程的規(guī)模和要求各不相同，場地和地基的復(fù)雜程度差別很大，工程勘察需分階段進行，僅當工程場地較小且無特殊要求時才可合并勘察階段。各勘察階段是一個從粗到細、從場地到地基、從穩(wěn)定性、適宜性到具體提供地基及巖土詳細參數(shù)等的一個逐步細化的過程。

而對一位優(yōu)秀的巖土工程師來說，其能力水平主要體現(xiàn)在3 個方面：①編制野外勘察方案；②現(xiàn)場地層的劃分；③編制成果報告。其中，對現(xiàn)場地層的準確劃定，提供正確合理的相關(guān)參數(shù)，對整個工程項目建設(shè)具有重要的價值，也是巖土工程師水平高低的直接體現(xiàn)。

3 地層的劃分

3.1 第四紀地層的地質(zhì)劃分

第四紀地貌作為地表分布最廣、與工程聯(lián)系最緊密而多數(shù)情況下又最復(fù)雜的地層，其陸相地層多松散堆積物，形成時間較短，巖相變化大。第四紀地層地質(zhì)劃分方法有古氣候法（冰期與間冰期等）、古生物法（堆積物中所含生物殘?。?、年代地層學（第四紀堆積物及其所含生物殘骸的同位素年齡）、古人類與考古法（古人類化石及文化遺物）、構(gòu)造法（第四紀地層中的不整合面和侵蝕面）、地貌法（第四紀堆積物與形成的地貌關(guān)系）、氣候地層學（冷暖交替特點）、地球化學（沉積物的化學性質(zhì)變化）、巖性和巖相學、古地磁學等［5，6］。

3.2 工程地層劃分的目的

工程勘察分層與地質(zhì)分層不同，它是為工程建設(shè)服務(wù)的，不可過分強調(diào)地質(zhì)理論而忽視了工程應(yīng)用，也不能只重視工程應(yīng)用而不顧地質(zhì)理論。分層的目的是把自然界不連續(xù)、各向異性、非均勻的自然巖土體，根據(jù)巖土體地質(zhì)年代、成因、沉積韻律、巖土類別、工程特性、厚度及連續(xù)性、對地基基礎(chǔ)設(shè)計施工的影響程度等因素，將地下巖土體進行簡化。從中找出對工程建設(shè)相對不利（如液化、濕陷、軟弱夾層等）和相對有利（承載力高、變形小、穩(wěn)定性強）等地層，便于勘察工作者分析、評價現(xiàn)場地質(zhì)狀況，繪制剖面柱狀圖等并整理勘察成果文件，方便設(shè)計者及其他工作者使用，為工程的設(shè)計、施工、運營及后期維護等提供準確的地質(zhì)資料［7，8］。

3.3 工程地層劃分的原則

3.3.1 總體原則

巖土分層要考慮地層時代、成因、工程特性、設(shè)計使用等多方面因素，分層層位關(guān)系應(yīng)符合沉積韻律；一般按照主層與亞層這樣的“兩級單元”進行［9，10］。通俗地說，地層劃分的總原則是在地質(zhì)學分層的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖土體的物理力學性質(zhì)后進行的綜合分層。地層定名可按《巖土工程勘察規(guī)范：GB 50021-2001（2009 年版）》［4］執(zhí)行；當有行業(yè)勘察規(guī)范且設(shè)計有要求時，可優(yōu)先執(zhí)行行業(yè)規(guī)范。

3.3.2 主層劃分

地層劃分的目的是便于分析評價，主層地層層序應(yīng)根據(jù)“年代-成因-巖性”的順序確定；不同地質(zhì)時代、不同地質(zhì)成因的巖土應(yīng)劃分為主層，如用②3代表第②主層第3 亞層。具體原則如下：

⑴ 同一時代的地層根據(jù)工程需要可劃分為多個主層，但不同時代的巖土不能劃分為同一主層；

⑵ 主層劃分應(yīng)從新到老，自上而下，層位體現(xiàn)時代和覆蓋關(guān)系，主層層序序號采用由小到大如“①、②、③、…”進行數(shù)字形式編碼；一般主層層位代號小的層位（如①）不能出現(xiàn)在層位代號大的層位（如③）之下（傾覆巖層除外）；

⑶ 同一主層內(nèi)原則上不宜有積環(huán)境差異較大的層，如沖、洪、湖積層不應(yīng)與坡積層劃分在同一主層；

⑷ 類別不同、工程特性差異較大的地層，不能劃分在一主層內(nèi)（可分別劃分為同一主層內(nèi)的不同亞層）；

⑸ 工程特性極化土、特殊土及對設(shè)計與施工影響較大的土、對工程不利地層等，應(yīng)單獨分層，如濕陷性土、液化土、鹽漬土、填土、軟弱夾層、卵（漂）石夾層等；

⑹ 當某層時代、成因、工程特性等相同，而僅是厚度較大時，可單獨劃分為一主層；

⑺ 從工程分析利用的角度，對于厚度大、連續(xù)性好、工程特性好的地層，分層時應(yīng)單獨劃分為主層；

⑻ 松散地層，如深厚填土，同一主層厚度過厚時，不利于分析、評價。

3.3.3 亞層劃分

亞層劃分應(yīng)在主層確定后進行，當巖土物理力學狀態(tài)、巖性、密實度等不同時，應(yīng)劃分為不同的亞層。由上至下依次考慮空間分布和覆蓋關(guān)系進行順序編號，亞層的代號順序與沉積順序并無嚴格對應(yīng)關(guān)系，亞層采用主層序號添加下標如“①1、②3、③x、…”形式表示。亞層不宜劃分太多，以免影響分析和設(shè)計使用。

⑴ 同一主層內(nèi)存在巖性或工程特性性狀明顯差異的地層，應(yīng)劃分亞層；

⑵ 亞層在同一地質(zhì)、地貌單元的同一主層內(nèi)必須唯一；

⑶ 當主層內(nèi)存在因土體狀態(tài)、物理力學指標或密實度明顯有差異，而導(dǎo)致土體工程性能可能出現(xiàn)較大差異時，應(yīng)劃分為不同的亞層；

⑷ 巖層亞層劃分宜按照風化程度從強到弱劃分，可按照巖石破碎程度進一步劃分次亞層。

⑸ 當主層內(nèi)存在影響地層參數(shù)的厚度較大土體，同時該層為基礎(chǔ)持力層或在主要受力層范圍內(nèi)時，應(yīng)考慮土層深度影響設(shè)置亞層。

⑹ 亞層厚度一般要求大于0.5 m；當上下其它土體的物理力學性質(zhì)與其相近或存在較差層位時，僅局部出現(xiàn)且厚度小于0.5 m 的層可并入；當周圍有該層而某一或某幾個鉆孔該層較薄時則應(yīng)保留。

3.3.4 透鏡體及互層地層處理

⑴ 對工程特性相近的同時代、同成因互層地層（巖土類別不同）可合并為一個主層；

⑵ 對厚度小，連續(xù)互層出現(xiàn)的薄層，可在先整體視為一主層的基礎(chǔ)上再根據(jù)巖性劃分亞層；

⑶ 當初定的主層內(nèi)某一主巖性亞層占統(tǒng)治地位（比重50%以上），則該層應(yīng)視為主層；初定主層和其余層均視為亞層或透鏡體且該層應(yīng)使用主層號（如②）。反之則視為主層不突出，其余亞層以上下覆蓋層形式出現(xiàn)，不劃分主層號；而是所有層按揭露順序從上到下使用②1、②2的形式表示。

3.3.5 不同勘察階段地層處理

同一個工程項目的不同勘察階段或多次進場勘察時，或編制勘察報告需要進行分區(qū)時，為便于資料的對比，前后應(yīng)采用相同的分層模型，以保持層位的一致性。若勘察后期分層有較大改變或揭示新的主層需要變更時，變更原因和內(nèi)容應(yīng)在勘察報告中說明清楚。

最后，巖土分層應(yīng)在檢查、整理鉆孔（探井）記錄的基礎(chǔ)上，綜合現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪與調(diào)查資料、室內(nèi)試驗和原位測試成果進行；分好層位，連接好剖面圖后，應(yīng)通過各層位試驗、測試指標及其統(tǒng)計結(jié)果核查結(jié)果的合理性，對分層模型不斷進行修正和完善，直至各項成果滿足要求。

3.4 工程實例

江蘇泰州市某碼頭工程，地貌單元屬長江下游沖積成因的河床及河漫灘地貌。根據(jù)初步勘察鉆孔ZK5鉆探結(jié)果顯示，該鉆孔標高-12.45 m，該鉆孔地層信息如表1 所示。

表1 ZK5 鉆孔各土層詳細信息Tab.1 Detailed Information of Each Soil Layer about ZK5 Borehole

地層分層分析如下：根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，長江下游地區(qū)地層以沖積成因為主，第四紀表層巖土體形成時代以Q4時代為主。分層思路：⑴主層：長江下游地層有明顯的分層沉積韻律，以細顆粒物質(zhì)為主，將明顯的黏土層和砂層優(yōu)先視為不同的主層；結(jié)合沉積標高特點，以黏土層作為分界線，劃分出3 個不同的黏土主層；⑵亞層：分別將同層中土體狀態(tài)差異或密實度（砂土）中的稍密、中密、密實砂層劃分為不同的亞層；對于砂土層（或②層砂土夾黏土層）中的主層則結(jié)合主亞層的占比確定，將深度5.6～15 m、36.1～44.1 m、及55.95 m 以下的砂層分別定位②、④、⑥主層后，其余狀態(tài)下的砂土層依次按從上到下定為亞層（如②2、④1、⑥1等）。同時在局部的黏土混砂層中，將性質(zhì)稍好的黏土混砂砂薄層（不液化）按不利情況合并到黏土層中。⑶透鏡體（見圖1）：ZK3 鉆孔③中局部有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，而其余鉆孔并未出現(xiàn)該層，從不利地層（對樁產(chǎn)生負摩阻力）的角度應(yīng)將其視為亞層，而不應(yīng)將其劃入性質(zhì)稍好的③層中。

圖1 場區(qū)地層某剖面Fig.1 A Section Profile of Field Strata

上述地層分好后，從圖1 上整體來看，與周邊其他剖面圖對比，各大層水平上基本保持一致，符合長江下游地層地質(zhì)沉積韻律。在物理力學指標統(tǒng)計上，3 個主要黏土主層，各土體物理力學指標之間能夠相互吻合，各層土體指標之間基本能夠相互匹配，因此分層可以滿足工程要求，分層相對合理。

4 結(jié)語

本文在論述工程地質(zhì)與巖土工程學的區(qū)別與聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過對巖土工程勘察流程、工程地層劃分目的、原則分析的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

⑴ 工程地質(zhì)學是地質(zhì)學的應(yīng)用分支學科，而巖土工程則是土木工程的工程技術(shù)運用學科，未來兩者不會逐漸歸一，也不會相互分離，而是相互在交叉和滲透中不斷發(fā)展。

⑵ 巖土工程勘察是探索未知并不斷深入的過程，因工程規(guī)模和要求的不同及場地和地基的復(fù)雜程度的差異，除特殊情況外應(yīng)分階段進行。

⑶ 工程勘察分層應(yīng)綜合地質(zhì)理論和工程應(yīng)用，不能只重一端忽視另一端。分層應(yīng)在地質(zhì)學基礎(chǔ)上進行，要考慮地層時代、成因、工程特性、設(shè)計使用等多方面因素；否則可能將不同年代、不同成因工程性質(zhì)差異較大的巖土劃為一層。

⑷ 地層劃分的目的是便于分析評價，主層地層層序應(yīng)根據(jù)“年代-成因-巖性”的順序確定；亞層劃分應(yīng)在主層確定后，根據(jù)巖性、狀態(tài)、密實度、物理力學狀態(tài)等劃分。

⑸ 同一個工程項目不同勘察階段、需要分區(qū)編制報告、或多次進場時，應(yīng)保持地層層位的一致性。