幾類巖土物質(zhì)的定名方法與成果分析

李青隆， 劉孔明

(中國十九冶集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610000)

0 引言

隨著物探測技術(shù)的運(yùn)用，巖土領(lǐng)域取得了豐碩成果，但巖土的定名與歸類研究尚存在不足，這對工程土的研究帶來不便，甚至造成災(zāi)難后果。例如香港九龍秀茂坪長時間降雨后發(fā)生的兩次嚴(yán)重泥石流地質(zhì)災(zāi)害，屬于人工回填土塌方，是由于對填土的類別與性質(zhì)認(rèn)識不足造成的嚴(yán)重后果。目前工程界常把自然土主要分為粗粒土、碎石土、混合土、土石混合體，而這幾類自然土經(jīng)常用于鐵路、隧道、公路、土石壩、地基、港口等工程充當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層及回填材料，因此，對這幾種土的性質(zhì)研究也最為廣泛。然而這些常見土各自怎樣定義、有何異同、為何存在多種定名、又屬于何種工程土類型。本文針對這幾類巖土名稱混淆問題，通過國家規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)整理，明確這四類土定名方法，并通過粒徑或粒組來解釋前人所得出的結(jié)論。研究可供后續(xù)巖土的分類與應(yīng)用提供有價值的理論參考，并對工程的防災(zāi)減災(zāi)及自然災(zāi)害的預(yù)防具有重大意義。

1 巖土分類體系研究的必要性

通過文獻(xiàn)資料整理，發(fā)現(xiàn)同類土有不同名稱。例如有學(xué)者把“碎石土”“礫石土”“砂土”以及黏性土中含有大量粗顆粒的混合土稱為粗粒土；把混合土[1]稱為“粗粒黏性土”“粗粒土”“礫石土”“巖石風(fēng)化料”；把土石混合體[2]稱為“粗粒土”“碎石土”“塊石土”“巨粒土”“混合巨粒土”“巨?；旌贤痢钡?。名稱的混淆不利于試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，而混淆的主要原因是各行業(yè)對巖土按級配或粒度分類的規(guī)范不同。如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和國家標(biāo)準(zhǔn)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》把碎石界限粒徑劃為60 mm5 mm)；同樣于林平等[9]在討論超粒徑混合土?xí)r表明，當(dāng)超粒徑土粒含量相同時，最大干密度隨混合土中5～40 mm土粒含量增加而增加。從中不難發(fā)現(xiàn)粗顆粒對粗粒土和混合土的干密度影響很相似，通過分析于林平試驗(yàn)中的26組不同級配混合土試樣，發(fā)現(xiàn)有些試樣屬于粗粒土的范疇，這可能是兩者結(jié)論相似的原因。

2 定名方法

2.1 幾類巖土物質(zhì)的概念、特征區(qū)分

土的粒組按粒徑可劃分為巨粒組(d>60 mm)、粗粒組(0.075 mm

總結(jié)可知，四類土的相似性與差異性如下。相似性： ①四類土等滲透性均與細(xì)粒含量密切相關(guān)，而土石混合體滲透性主要受礫石含量、孔隙比、顆粒形狀等影響；②四類土的抗剪強(qiáng)度均與粗粒土尺寸以及含量密切相關(guān)，粗粒含量在一定范圍內(nèi)增大時，粗粒土、混合土、土石混合體等內(nèi)摩擦角也相應(yīng)增大，但黏聚力下降。差異性： ①四類土的抗剪強(qiáng)度特征、滲透特征、宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)、壓縮性等有較大差異性；②地質(zhì)成因和工程應(yīng)用上有差別。

表1 巖土物質(zhì)分類表土類定義規(guī)范/文獻(xiàn)特點(diǎn)分類及條件主要特征粗粒土粗粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量50%的土國家標(biāo)準(zhǔn)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145—90)礫類土(250%砂類土P(2200)>50%P(d>20)>50%P(d>2)>50%具有粗石狀構(gòu)造或假斑狀構(gòu)造、透水性好、強(qiáng)度高混合土由細(xì)粒土和粗粒土混雜,且缺乏中間粒徑的土稱為混合土國家標(biāo)準(zhǔn)《工程地質(zhì)手冊》不均勻系數(shù)Cu一般大于10特別: ① 當(dāng)碎石土中P細(xì)粒(d<0.075)>25%應(yīng)定名為粗?；旌贤?② 當(dāng)粉土或黏性土P粗粒(d>2)>25%定名為細(xì)?；旌贤翉?fù)雜性、非均質(zhì)土、較高強(qiáng)度、較低壓縮性、滲透性良好土石混合體第四紀(jì)以來形成的,由具有一定工程尺度、強(qiáng)度較高的塊石、細(xì)粒土體及空隙構(gòu)成且具有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)《土石混合體概念、分類及意義》[2]土/石粒度分界點(diǎn)為dS/RT(22τ土 高度非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性、具有典型的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、抗?jié)B性差 注:1.Px表示x顆粒含量占總質(zhì)量的百分比;2. 表中d的單位為mm;3.dS/RT=(0.05～0.07)Lc,Lc為工程特征尺度,對于平面研究區(qū)域,Lc等于研究面積的平方根;對于隧道等結(jié)構(gòu)物,Lc等于其直徑;對于邊坡而言Lc等于坡高;對于直剪試驗(yàn)試樣,Lc取試樣單個剪切盒高度;對于三軸試驗(yàn)試樣,Lc取試樣直徑。

圖1 土粒粒組劃分

2.2 四圓法

在我國巖土工程體系中，土的分類非常細(xì)致，大到巨粒土，小到黏土，每種土都有不同特性(如粒徑大小、粒組含量、物理性能指標(biāo)、力學(xué)性能指標(biāo))。而工程中的粗粒土、碎石土、混合土、土石混合體一般按照粒組含量占總量百分比來劃分，這必然會出現(xiàn)不同巖土類粒組含量重疊區(qū)，四圓法定名如圖2所示。

圖2 四圓法定名

圖2中：① a區(qū)：粗粒土[當(dāng)P(d>2)≤50%且P(d>0.075)>50%,可稱為砂土、無黏性土或粉砂]；② b區(qū)：碎石土；③ c區(qū)：混合土；④ d區(qū)：土石混合土體；⑤ e區(qū)：P(250%，可稱為碎石土或粗粒土；⑥ f區(qū)：P(250%且缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為碎石土、混合土或粗粒土；⑦ g區(qū)：25%≤P(dS/RT≤d≤60)<75%且缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為土石混合體或混合土；⑧ h區(qū)：50%50%且25%≤P(dS/RT≤d≤dmax)<75%，可稱為粗粒土或土石混合體；⑨ i區(qū)：50%50%，且25%≤P(dS/RT≤d≤60)<75%，可稱粗粒土、碎石土或土石混合體；⑩ j區(qū)：P(250%且缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為粗粒土、碎石土或混合土；k區(qū)和o區(qū)：50%50%,且25%≤P(dS/RT≤d≤60)<75%,缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為碎石土、混合土、土石混合體或粗粒土；n區(qū)：50%50%，且25%≤P(dS/RT≤d≤60)<75%，缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為粗粒土、混合土或土石混合體。

另：① 50%50%，且25%≤P(dS/RT≤d≤dmax)<75%，可稱為碎石土或土石混合體；②P(0.07550%,且缺乏粗細(xì)粒中間的粒徑時，可稱為粗粒土或混合土。

2.3 直角坐標(biāo)法

直角坐標(biāo)法是一種清晰、簡單、直觀的定名方式，彌補(bǔ)了四圓法不直觀的缺陷。直角坐標(biāo)法是通過縱坐標(biāo)顆粒含量和橫坐標(biāo)顆粒粒徑在坐標(biāo)系上找到對應(yīng)點(diǎn)，便于工程土的歸類和定名，如圖3所示。圖中： ① 針對坐標(biāo)區(qū)域Ⅱ：當(dāng)坐標(biāo)中的粗粒土、碎石土缺乏中間粒徑時才能與混合土并名；② 土石混合體土/石閾值大于2 mm，并且抗剪強(qiáng)度τ石>2τ土；③ 當(dāng)碎石土中粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土質(zhì)量超過總質(zhì)量25%時，應(yīng)定名為粗?；旌贤粒划?dāng)粉土或黏性土中粒徑大于2 mm的粗粒土質(zhì)量超過總質(zhì)量25%時，應(yīng)定名為細(xì)粒混合土。

圖3 直角坐標(biāo)定名法

3 幾類巖土物質(zhì)歸類案例分析及其性質(zhì)與粒組關(guān)系

3.1 粗粒土案例及其抗剪強(qiáng)度與粒組關(guān)系

粗粒土在自然界中廣泛分布，其屬于優(yōu)良的工程特性天然建筑材料，常應(yīng)用在大壩工程中，因此，關(guān)于其抗剪強(qiáng)度和滲透指標(biāo)研究成果豐富。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒級配是影響粗粒土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素[10-11]。凌華等[12]研究級配對粗粒土強(qiáng)度和變形的影響，得出細(xì)顆粒含量增加后，在低圍壓情況下破壞峰值減??；圍壓增大后，破壞峰值反而提高；同樣文獻(xiàn)[13-14]中指出粗粒土低圍壓下表現(xiàn)出應(yīng)變軟化和剪脹，高圍壓下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和剪縮。分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所采用的試樣土也可稱為碎石土，即學(xué)者對粗粒土研究的成果同樣可適用同等條件下的碎石土，如表2所示[12]。

表2 試驗(yàn)級配與密度試樣編號巖性試驗(yàn)干密度/(g·cm-3)小于某粒徑(mm)顆粒百分含量/%6040201051-1變質(zhì)巖100.084.257.637.020.01-2英砂巖2.18100.080.955.533.816.01-3夾板巖100.079.150.429.512.5

李振等[15]在研究粗粒土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)規(guī)律中，所采用的試樣按本文歸類方法可歸類為碎石土(如表3部分試驗(yàn)數(shù)據(jù))，且文中指出當(dāng)試樣中細(xì)粒含量較多時，其內(nèi)摩擦角主要取決于細(xì)粒土的強(qiáng)度；當(dāng)試樣中粗粒含量達(dá)到一定程度后，其內(nèi)摩擦角隨粗粒含量增加而增加。本文從碎石土粒組含量角度闡釋上述學(xué)者研究成果：含石量在很大程度上影響著碎石土的抗剪強(qiáng)度[16-18]，內(nèi)摩擦角φ隨著含石量增加而增大，當(dāng)含石量<30%時，塊石懸浮在主要由土體構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石間孔隙較大，難以發(fā)生相互咬合和摩擦，土性占優(yōu)勢；當(dāng)含石量為30%～60%時，內(nèi)摩擦角增幅較快；當(dāng)含石量>60%時，內(nèi)摩擦角增幅較慢，呈逐漸穩(wěn)定的趨勢，細(xì)粒部分不足以填充碎石形成的骨架，石性占優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出碎石的性質(zhì)，內(nèi)摩擦角φ較大。

表3 試驗(yàn)用料模型級配特性試驗(yàn)編號模型級配各粗粒含量/%80～60 mm60～40 mm40～20 mm20～10 mm10～5 mm<5 mm不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc115.712.7420.5815.4610.4625.06190.913.9829.1514.3917.3813.7013.4131.98176.921.14311.1411.4717.0511.639.4439.28155.560.28410.9710.3513.759.598.0647.28166.670.14511.669.7422.3612.079.0835.07217.640.5267.699.2513.059.477.1853.37118.180.21

3.2 碎石土案例分析及其滲透系數(shù)與粒組關(guān)系

在巖土工程中，王雙等[19]研究的碎石土可能偏向碎石的定義，國家標(biāo)準(zhǔn)[20]以菱角形為主，粒徑大于20 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%稱碎石。此外，針對碎石土的大量試驗(yàn)研究，由于碎石土的粒徑跨度大于粗粒土粒徑跨度，因此某些物理力學(xué)性質(zhì)不同于粗粒土。如粗粒含量控制碎石土滲透系數(shù)，而粗細(xì)比或細(xì)粒含量是影響粗粒土滲透特性的主要因素。許建聰?shù)萚21]指出碎石土的滲透系數(shù)隨土中碎塊礫石粒組含量的增加而呈自然指數(shù)增大，隨土中小于0.1 mm粒徑的細(xì)粒土粒組含量增加而呈自然指數(shù)降低；該結(jié)論與文獻(xiàn)[22-23]研究砂土及碎石土的滲透系數(shù)總體上隨細(xì)粒增加而減小的結(jié)論相似。本文從粒組含量方面分析許建聰?shù)慕Y(jié)論： 一方面對于滲透系數(shù)，在碎石土級配中d10是顯著的關(guān)鍵粒徑，而非d20，這一點(diǎn)與很多粗粒土經(jīng)驗(yàn)公式選用d20作為關(guān)鍵粒徑不同[24-25]，因此增大d50以上粒徑時，不均勻系數(shù)Cu=d60/d10將會增大，滲透系數(shù)也會越大。另一方面，含石量在 30%以內(nèi)[26]，碎石土以土體為主(當(dāng)含石量<30%時[16]，塊石懸浮在主要由土體構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石間孔隙較大，難以發(fā)生相互咬合和摩擦，土性占優(yōu)勢)，土體內(nèi)部的碎石局部接觸，滲透系數(shù)緩慢增大；碎石含量超過30%后，隨著碎石骨架作用的顯現(xiàn)，滲透系數(shù)明顯增大，當(dāng)碎石含量大于70% ，碎石骨架完全形成，滲透系數(shù)迅速變大(原因是孔隙比為0.4，所以空隙比較大，細(xì)顆粒不能完全填充空隙)，碎石含量和滲透系數(shù)存在指數(shù)關(guān)系。但是當(dāng)孔隙率較小時，細(xì)粒含量在30%～40%以下時(即碎石含量大于70%)，堆石體中的粗顆粒形成骨架，細(xì)顆粒完全填充孔隙，此時就有堆石體滲透率最低的結(jié)論[27]。而許建聰所采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，空隙比是相對比較大的，所以才有滲透系數(shù)隨土中碎塊礫石粒組含量增加而呈自然指數(shù)增大的結(jié)論。

3.3 混合土力學(xué)特性與粒組關(guān)系

混合土具有施工性能良好的性質(zhì)，是工程上常用的土料，其抗剪強(qiáng)度、壓縮性與粗粒土相似，但透水性低于粗粒土；與純細(xì)粒土相比有較高的抗剪強(qiáng)度、較低的壓縮性[28]，因此混合土工程性質(zhì)是介于粗粒土和純細(xì)粒土之間的一類特殊土。石杰等[29]討論了在常規(guī)三軸試驗(yàn)下細(xì)粒含量為0%、40%、60%的3組混合土力學(xué)特性，得出了在相同圍壓下，粗粒含量較高的土樣具有更高的偏差應(yīng)力水平，原因是粗粒含量高的土樣中顆粒之間的膠結(jié)作用越強(qiáng)，土樣的抗剪強(qiáng)度越高。這與混合土的抗剪強(qiáng)度主要與內(nèi)摩擦角和咬合力有關(guān)，可從粒組含量進(jìn)行解釋。Miller等[30-31]探討了黏土和粗砂所組成的混合土對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，得出粗粒含量增加到 50%～70%時,內(nèi)摩擦角將迅速增加，而黏聚力則隨著粗粒含量增加而降低。Patwardhan等[32]探討了礫石含量對抗剪強(qiáng)度的影響，得出含石量增加，抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)增大，當(dāng)含石量大于40%時抗剪強(qiáng)度急劇增大。屈智炯[33]將粗粒土分為無黏性粗粒土(細(xì)粒含量小于5%)、少黏性粗粒土(細(xì)料含量為5%～15%)、黏性粗粒土(細(xì)粒含量達(dá)到15%～50%)，而混合土與粗粒土在粒組上相似，混合土也可劃分為無黏性混合土、少黏性混合土、黏性混合土等，所以細(xì)粒土含量為0%時，為無粘性混合土，粗顆粒起骨架作用，顆粒之間相互咬合，混合土的強(qiáng)度靠內(nèi)摩擦力提供；細(xì)粒含量為40%、60%時,為黏性混合土，細(xì)粒充分填滿顆粒之間或粗顆粒鑲嵌在細(xì)粒土中，此時粗顆粒不能形成有效骨架，粗顆粒對抗剪強(qiáng)度有所降低，這從粒組方面也解釋了石杰的結(jié)論。

3.4 土石混合體案例分析及滲透系數(shù)與粒組關(guān)系

從21世紀(jì)初開始,土石混合體成為研究的熱點(diǎn)，徐文杰、油新華等[2,34]對土石混合體各自給出了定義，但至今對土石混合體的定義沒有標(biāo)準(zhǔn)。從前人的研究中可知土石混合體有著高度非均質(zhì)、非連續(xù)、非均勻性，是介于巖體與土體之間的一類特殊土。本文參照徐文杰給出的土石混合體的定義進(jìn)行歸類。

周中等[35]文中描述的土石混合體與徐文杰等定義的土石混合體土/石界限粒徑概念是有差異的，并且文中天然狀態(tài)土石混合體的顆粒級配曲線(級配曲線優(yōu)良)，其最大顆粒粒徑不超過50 mm，且粗粒組(d>0.075 mm)質(zhì)量已超過總質(zhì)量50%。按粗粒土細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)[36]，學(xué)者所說的土石混合體屬于粗粒土中礫土類的含細(xì)粒土礫；運(yùn)用正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析法，發(fā)現(xiàn)影響土石混合體(本文歸納為粗粒土)滲透系數(shù)主次順序?yàn)? 礫石含量→空隙比→顆粒形狀[35]，并且呈礫石含量越多、滲透系數(shù)越大的規(guī)律。從粒組含量上分析，該結(jié)論與廖秋林等[37]所說的土石混合體含石量在25%～60%之間時，滲透系數(shù)隨含石量增加而變大有本質(zhì)區(qū)別。因?yàn)橥潦旌象w是一種非均質(zhì)、不連續(xù)體，具有結(jié)構(gòu)效應(yīng)的松散巖土介質(zhì)體系[34]；而粗粒土一般級配優(yōu)良，具有復(fù)雜性、分散性、壓實(shí)性好等工程特征。因此周中等研究的滲透系數(shù)與含石量關(guān)系可從兩方面分析：①: 顆粒含量P5(粒徑大于5 mm顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù))<30%時，粗顆粒在粗粒土中只起填充作用，滲透系數(shù)取決于細(xì)粒[38-39]；當(dāng)P5>75%時，粗粒在粗粒土中起骨架作用，細(xì)粒填不滿空隙，滲透系數(shù)突然增加，此時滲透系數(shù)取決于粗粒。因此粗粒土含石量在30%～75%時，滲透系數(shù)才隨含石量增加而變大。②： 粗粒土最大干密度隨級配中粗粒含量的增大而增大，當(dāng)粗顆粒含量P5=70%時，最大干密度出現(xiàn)最大值，且當(dāng)P5>70%時,最大干密度又隨粗粒含量增大而減小[8]；相反，粗粒土孔隙比卻隨粗顆粒含量先減小后增大，當(dāng)P5=70%時，孔隙比最小，即粗粒含量小于70%時，孔隙比隨粗顆粒含量增加而變小，這就與文中說含石量的增加使?jié)B透系數(shù)增大相悖(一般認(rèn)為孔隙比越大，滲透系數(shù)越大)；朱崇輝[40]對這類現(xiàn)象進(jìn)行了解釋：在相同壓實(shí)度情況下，粒徑相對較大的粗粒土比粒徑相對較小的粗粒土干密度要大，孔隙比相對較小，但滲透系數(shù)較大；原因一，粒徑差距較大，粗顆粒粗粒土所形成的孔隙與細(xì)顆粒粗粒土相比孔隙大，相同厚度的土體其滲透水流所經(jīng)過的繞流路徑短；原因二，在固定粒徑范圍內(nèi)，粗粒土級配是變化的，在孔隙比相同條件下，孔隙越大，連通孔隙占總孔隙比例也越大，滲透水體所占的有效面積增加，一般滲透系數(shù)會相應(yīng)變大。

4 結(jié)語

“地基不牢，地動山搖”形象地說明了巖土是作為土木領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最廣泛、最重要的分支學(xué)科；由于巖土體具有復(fù)雜性、非均質(zhì)、非連續(xù)等特性，也是最難研究的一類學(xué)科。本文立足于對粗粒土、碎石土、混合土、土石混合體概念的清晰認(rèn)識，分析了為什么存在巖土體分類概念不同。針對目前工程土的名稱多樣性，提出了四圓法和直角坐標(biāo)法分類定名方法，為后續(xù)巖土歸類定名提供理論途徑。此外對已有資料的工程土成果分析，掌握粒組含量參數(shù)變化對滲透性、抗剪強(qiáng)度影響變化規(guī)律，為后續(xù)學(xué)者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提供參考價值。