土骨架的新概念与沿海软土及海洋土的结构

蒙理明，张 风

(海南科技职业大学，海口 571126)

我国学者一直在探讨沿海软土及海洋土的结构。如1984年，高国瑞[1]分析了中国近海海相沉积物的物质成分、 微结构及与工程性质的关系。2002年，孔令伟等[2]对琼州海峡海口海域一种软土的基本特性进行了室内试验研究。其物理性质很差，按土质分类为淤泥；其不良工程特性是由其矿物成分、有机质含量、物理化学性质、微观形态、孔隙结构以及土颗粒间的排列方式所决定的。2004年，拓勇飞等[3]研究表明，湛江软土是以陆相沉积为主的河控三角洲相(即海陆交互相)沉积层；胶结作用是该土具有较高的结构强度的根本原因，其强结构性形成机理与当地广泛发育的红土极为相似。

2016年，李广信[4]提出了土骨架的新概念。2017年，笔者用土力学的新概念改善和细化了土骨架理论[5]：“土骨架的3要素有：土颗粒，包括其结合水；接触(点或面)；联接(收缩膜，公共结合水膜)”。还用土骨架的新概念分析了土的动力特性[6]、黄土的微结构[7]、膨胀土的结构[8]。

1990年，高国瑞[9]指出，沿海软土按结构特征和经常遇到的空间排列组合，分成4种主要微结构类型：1)粒状胶结结构，通常判定为“轻亚黏土”或“粉质粘性土”。2)粒状链接结构，通常判定为“淤泥质亚黏土”。3)絮状链接结构，通常判定为“淤泥”。4)粘土基质结构，通常判定为“淤泥质粘土”。

我国《建筑地基基础设计规范》[10]GB5007—2011涉及的沿海软土和海洋土有：粉土、粉质黏土、淤泥质土(淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土)、淤泥、粘土、砂土。对应规范的这些土给出具体的结构形式，有较大的参考价值。下面，结合土骨架的新概念，进行分析。

1 粉(砂)粒与粘粒接触

图1是粉粒与粘粒接触的示意图。在非饱和土中，首先存在收缩膜，另外粉粒的润湿部位，带有吸附水，紧连的是粘粒的结合水膜，所以，粉粒与粘粒之间有胶结。在饱和土中，收缩膜消失，另外注意吸附水和结合水膜有自由水隔开，所以，粉粒与粘粒之间没有胶结。沿海软土与海洋土，通常地下水位很浅，多是饱和土，粉粒与粘粒之间没有胶结。

2 粉 土

我国标准[11]第3.0.2条规定，以粒径d(mm)划分：0.075

3 粉质黏土

我国规范[10]第4.1.9条规定，塑性指数10

饱和粉土过渡到粉质黏土，粘粒不断增加，网兜不断壮大变为网壳，粉粒不断减少，粉粒再也无法撞破粘粒网壳而漂浮形成液化。但量变到质变， 有可能由发散转向收敛，成为震陷性软土。我国规范[12]第4.3.11条规定：“饱和粉质黏土震陷的危害性和抗震陷措施应根据沉降和横向变形大小等因素综合研究确定，8度(0.3g)和9度时，当塑限指数小于15且符合下式规定的饱和粉质黏土可判定为震陷性软土。WS≫0.9WL，IL≫0.75。式中，WS为天然含水量；WL为液限含水量，采用液、塑限联合测定法测定；IL为液性指数”。可以这样理解，塑性指数较小，指粘粒数量还达不到形成较多结合水，通常认为液限是土体出现自由水的界限。WS≫0.9WL，IL≫0.75，指孔隙比较大，且有自由水，大量存在于微结构单元之间的大孔隙中，如图4(a)所示。粘粒之间主要以外层弱结合水膜联接，粘粒网壳群很容易滑动。地震时，群被结合水膜拉着不容易发散，收敛时微结构单元错位，挤出大孔隙中的自由水，如图4(b)所示，粘粒之间结合水膜收紧，形成内层弱结合水膜还有接触处少量强结合水膜联接。土体体积缩小震陷。

4 淤泥质土

我国规范[10]第4.1.12条规定，在静水或缓慢流水环境中沉积，并经生物化学作用形成。…当天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的黏性土或粉土为淤泥质土。因此，淤泥质土包括淤泥质粉质黏土、淤泥质粉土和淤泥质黏土。

4.1 淤泥质粉质黏土

淤泥质粉质黏土为图5的粒状链结结构。微结构单元与粉质黏土区别不大，主要有带粘粒网壳的较大粉粒、少量的集粒和极少的纯粉粒；但之间的连接区别很大，由于微结构单元的平均中心距大于单元的直径，所以由链条连接(主要由粘粒组成)，这些链条长短不一，短链尚可承受一定的应力，而长链只能承受微弱的拉力和扭力[1]。这种土平常就是软土。如建筑物重力作用时，主要靠短链和自由水浮力承受重力，长链只起微弱的拉结作用。地震时比粉质黏土更容易震陷。其震陷的方式除了错位外，还有链、尤其是长链的破坏，微结构单元间距收小。对此，我国规范[12]第4.3.12条规定“地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层和高含水量的可塑性黄土时，应结合具体情况综合考虑，采用桩基、地加固处理或本规范第4.3.9条的各项措施，也可根据软土震陷量的估计，采取相应措施”。

4.2 淤泥质粉土

淤泥质粉土如图6所示，具有粒状细链结结构。由图2(b)的粘粒网兜群骨架，粉粒拉开相互之间的距离得到。由于其粘粒含量低，所以粉粒的包皮是网兜，其连接链也较细长，极少有短链。这种土平常也是软土。虽然我国规范[12]未提及，但受到地震力发散时，其细小的链非常容易拉断，粉粒漂浮，所以也是很容易液化的土，开挖时会有流沙。

4.3 淤泥质黏土

淤泥质黏土如图7所示，有两种类型。第一种是图7(a)的絮状链接结构，粘土含量和有机质含量很高，组成致密絮和开放絮，加上极少的粉粒，由链条拉结形成。第二种是图7(b)的开放式粘土基质结构，先由粘土颗粒联接成粘土畴[1]，粘土畴再凝聚(或叠聚)成粘聚体[8]，粘聚体再凝聚成更大范围的粘土基质[1]，偶尔有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基质中。图中粘聚体之间通常比较疏松，是边-面-角连接形式，存在许多大孔隙且贯通开放排列。很显然，这两种土平常也是软土。天然孔隙比和含水量都很大，是高压缩性土，也即上述我国规范[12]指的软弱粘性土。地震时，其微结构单元轻柔，振动程度没有粉粒那么大；但在高压水流之下，连接很容易破坏，且开放絮、粘聚体很容易挤出弱结合水；加上上覆土重或还有建筑物重力作用，收敛加上错位，会产生很大的震陷。

5 淤 泥

我国规范[10]第4.1.12条规定，淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。

淤泥同样具有图7的两种结构形式，即图7(a)的絮状链接结构，如海口某海域的软土[2]；还有图7(b)的开放式粘土基质结构，如湛江地区结构性软土[3，14]。由于其天然含水量和天然孔隙比更大，所以其公共结合水膜的联接更弱，微结构单元之间的距离更大，连接更细长。与淤泥质土相比，平常更软，地震时震陷更大。

应该注意的是，淤泥和淤泥质粘土的渗透性都较低[2-3]。原因是在静水环境下，其孔隙中自由水并不多，有粘滞性很强的弱结合水膜，还有有机质。

6 粘 土

对比图7(b)的开放式粘土基质结构，粘土中的粘聚体[8]以面-面叠聚形成致密式粘土基质结构(图8)， 偶尔有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基质中[1]。这种土的粘聚体通常土颗粒数量较多，比较紧密，包含了不少主要由强结合水充满的孔隙，粘聚体之间又是叠聚的紧密方式。所以含水量也少，公共结合水膜联接也强。沿海粘土在平常及地震时一般都不是软土，一般埋藏在土层中部或深部，是很好的持力层。按我国规范[12]表4.1.3规定，其在地震时属于中硬土。在基坑中，粘土强度高、刚度和水稳性好；还常作为隔水层，决定止水结构的深浅。

7 砂 土

7.1 普通砂

砂土一般是图9的粒状接触结构。其中，细粒一般含有粘粒及很细的小粉粒。沿海砂土常处于饱和状态，一般细粒的含量不足以形成细粒网兜，所以细粒只是砂粒之间的润滑剂[6]。我国规范[10]表4.1.7按粒组含量将其分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂共五类；表4.1.8按标准贯入锤击数将其密实度分为松散、稍密、中密、密实4种。沿海砂土常在土层的上部及中部，之所以常有些称为软土，主要是密实度小的砂土地震时会液化，开挖施工时会有流沙。其道理如同图2(a)的少粘粒粉土。

7.2 海湾相有机质浸染砂

海南省沿海地区分布着一种特殊的有机质浸染砂，卫宏、杜鹃等[15-17]做了多年的研究工作。这种砂的特点是有机质包裹了砂(粉)粒及其一些小细粒，然后通过接触形成粒状接触结构。某试验用的有机质浸染砂的情况：粉细砂，饱和，中密，黑灰-灰色，含云母、石英；颗粒组，粒径0.25 mm

8 结 论

用土骨架的新概念，对沿海软土与海洋土的结构进行分析，得到以下结论：

a.对应我国《建筑地基基础设计规范》[10]GB5007—2011，给出了粉土、粉质黏土、淤泥质土、淤泥、粘土、砂土的结构形式。

b.粉土分为少粘粒和粘粒网兜群骨架两种结构，后者不容易液化。

c.粉质黏土为粒状联接结构。粘粒较少、孔隙比大、自由水较多的粉质黏土容易震陷。

d.淤泥质土分为3种，平常就是软土。淤泥质粉质黏土为粒状链结结构，容易震陷；淤泥质粉土为粒状细链结结构，容易液化；淤泥质黏土分为两种类型，絮状链接和开放式粘土基质结构，容易震陷。

e.淤泥是比淤泥质黏土更软的土，平常就是很软的土。同样有两种类型：絮状链接和开放式粘土基质结构，很容易震陷。

f.粘土为致密式粘土基质结构，是很好的持力层，在地震时属于中硬土。在基坑中，粘土强度高、刚度和水稳性好；还常作为隔水层。

g.砂土一般是粒状接触结构，密实度小的砂土容易液化。

h.海湾相有机质浸染砂的特征是，有机质包裹了砂(粉)粒及其一些小的集粒，然后通过接触形成粒状接触结构。该粒状接触结构的接触部位，无联接能力；并且接触被有机质及有机质包裹的细粒软化，总的抗剪能力比普通砂土弱很多。

i.粉粒与粘粒接触时：在非饱和土中，粉粒的润湿部位，带有吸附水，紧连的是粘粒的结合水膜；在饱和土中，吸附水和结合水膜有自由水隔开。