李青隆， 劉孔明

(中國十九冶集團有限公司， 四川 成都 610000)

0 引言

隨著物探測技術(shù)的運用，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)認識不足造成的嚴重后果。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”“巨粒混合土”等。名稱的混淆不利于試驗研究和工程應(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)標準《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和國家標準《土的分類標準》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時表明，當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： ①四類土的抗剪強度特征、滲透特征、宏細觀結(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/文獻特點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%的土國家標準《土的分類標準》(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、強度高混合土由細粒土和粗粒土混雜,且缺乏中間粒徑的土稱為混合土國家標準《工程地質(zhì)手冊》不均勻系數(shù)Cu一般大于10特別: ① 當碎石土中P細粒(d<0.075)>25%應(yīng)定名為粗?；旌贤?② 當粉土或黏性土P粗粒(d>2)>25%定名為細?；旌贤翉?fù)雜性、非均質(zhì)土、較高強度、較低壓縮性、滲透性良好土石混合體第四紀以來形成的,由具有一定工程尺度、強度較高的塊石、細粒土體及空隙構(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;對于直剪試驗試樣,Lc取試樣單個剪切盒高度;對于三軸試驗試樣,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、力學(xué)性能指標)。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%,且缺乏粗細粒中間的粒徑時，可稱為粗粒土或混合土。

2.3 直角坐標法

直角坐標法是一種清晰、簡單、直觀的定名方式，彌補了四圓法不直觀的缺陷。直角坐標法是通過縱坐標顆粒含量和橫坐標顆粒粒徑在坐標系上找到對應(yīng)點，便于工程土的歸類和定名，如圖3所示。圖中： ① 針對坐標區(qū)域Ⅱ：當坐標中的粗粒土、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，并且抗剪強度τ石>2τ土；③ 當碎石土中粒徑小于0.075 mm的細粒土質(zhì)量超過總質(zhì)量25%時，應(yīng)定名為粗?；旌贤?；當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?；旌贤?。

圖3 直角坐標定名法

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)于其抗剪強度和滲透指標研究成果豐富。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒級配是影響粗粒土抗剪強度的關(guān)鍵影響因素[10-11]。凌華等[12]研究級配對粗粒土強度和變形的影響，得出細顆粒含量增加后，在低圍壓情況下破壞峰值減?。粐鷫涸龃蠛?，破壞峰值反而提高；同樣文獻[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 試驗級配與密度試樣編號巖性試驗干密度/(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度指標規(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部分試驗數(shù)據(jù))，且文中指出當試樣中細粒含量較多時，其內(nèi)摩擦角主要取決于細粒土的強度；當試樣中粗粒含量達到一定程度后，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度[16-18]，內(nèi)摩擦角φ隨著含石量增加而增大，當含石量<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；當含石量為30%～60%時，內(nèi)摩擦角增幅較快；當含石量>60%時，內(nèi)摩擦角增幅較慢，呈逐漸穩(wěn)定的趨勢，細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 試驗用料模型級配特性試驗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，國家標準[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)，而粗細比或細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粒徑的細粒土粒組含量增加而呈自然指數(shù)降低；該結(jié)論與文獻[22-23]研究砂土及碎石土的滲透系數(shù)總體上隨細粒增加而減小的結(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，這一點與很多粗粒土經(jīng)驗公式選用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。但是當孔隙率較小時，細粒含量在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，其抗剪強度、壓縮性與粗粒土相似，但透水性低于粗粒土；與純細粒土相比有較高的抗剪強度、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)三軸試驗下細粒含量為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，土樣的抗剪強度越高。這與混合土的抗剪強度主要與內(nèi)摩擦角和咬合力有關(guān)，可從粒組含量進行解釋。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度的影響，得出含石量增加，抗剪強度也相應(yīng)增大，當含石量大于40%時抗剪強度急劇增大。屈智炯[33]將粗粒土分為無黏性粗粒土(細粒含量小于5%)、少黏性粗粒土(細料含量為5%～15%)、黏性粗粒土(細粒含量達到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，混合土的強度靠內(nèi)摩擦力提供；細粒含量為40%、60%時,為黏性混合土，細粒充分填滿顆粒之間或粗顆粒鑲嵌在細粒土中，此時粗顆粒不能形成有效骨架，粗顆粒對抗剪強度有所降低，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世紀初開始,土石混合體成為研究的熱點，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準。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%。按粗粒土細分標準[36]，學(xué)者所說的土石混合體屬于粗粒土中礫土類的含細粒土礫；運用正交試驗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)主次順序為: 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。因為土石混合體是一種非均質(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)量百分數(shù))<30%時，粗顆粒在粗粒土中只起填充作用，滲透系數(shù)取決于細粒[38-39]；當P5>75%時，粗粒在粗粒土中起骨架作用，細粒填不滿空隙，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，當粗顆粒含量P5=70%時，最大干密度出現(xiàn)最大值，且當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(一般認為孔隙比越大，滲透系數(shù)越大)；朱崇輝[40]對這類現(xiàn)象進行了解釋：在相同壓實度情況下，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、抗剪強度影響變化規(guī)律，為后續(xù)學(xué)者試驗數(shù)據(jù)的分析提供參考價值。