几类岩土物质的定名方法与成果分析
2022-01-21李青隆刘孔明
李青隆， 刘孔明
(中国十九冶集团有限公司， 四川 成都 610000)
0 引言
随着物探测技术的运用，岩土领域取得了丰硕成果，但岩土的定名与归类研究尚存在不足，这对工程土的研究带来不便，甚至造成灾难后果。例如香港九龙秀茂坪长时间降雨后发生的两次严重泥石流地质灾害，属于人工回填土塌方，是由于对填土的类别与性质认识不足造成的严重后果。目前工程界常把自然土主要分为粗粒土、碎石土、混合土、土石混合体，而这几类自然土经常用于铁路、隧道、公路、土石坝、地基、港口等工程充当基础结构层及回填材料，因此，对这几种土的性质研究也最为广泛。然而这些常见土各自怎样定义、有何异同、为何存在多种定名、又属于何种工程土类型。本文针对这几类岩土名称混淆问题，通过国家规范和相关文献整理，明确这四类土定名方法，并通过粒径或粒组来解释前人所得出的结论。研究可供后续岩土的分类与应用提供有价值的理论参考，并对工程的防灾减灾及自然灾害的预防具有重大意义。
1 岩土分类体系研究的必要性
通过文献资料整理，发现同类土有不同名称。例如有学者把“碎石土”“砾石土”“砂土”以及黏性土中含有大量粗颗粒的混合土称为粗粒土；把混合土[1]称为“粗粒黏性土”“粗粒土”“砾石土”“岩石风化料”；把土石混合体[2]称为“粗粒土”“碎石土”“块石土”“巨粒土”“混合巨粒土”“巨粒混合土”等。名称的混淆不利于试验研究和工程应用，而混淆的主要原因是各行业对岩土按级配或粒度分类的规范不同。如行业标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》和国家标准《土的分类标准》把碎石界限粒径划为60 mm
2 定名方法
2.1 几类岩土物质的概念、特征区分
土的粒组按粒径可划分为巨粒组(d>60 mm)、粗粒组(0.075 mm 总结可知，四类土的相似性与差异性如下。相似性： ①四类土等渗透性均与细粒含量密切相关，而土石混合体渗透性主要受砾石含量、孔隙比、颗粒形状等影响；②四类土的抗剪强度均与粗粒土尺寸以及含量密切相关，粗粒含量在一定范围内增大时，粗粒土、混合土、土石混合体等内摩擦角也相应增大，但黏聚力下降。差异性： ①四类土的抗剪强度特征、渗透特征、宏细观结构、压缩性等有较大差异性；②地质成因和工程应用上有差别。 表1 岩土物质分类表土类定义规范/文献特点分类及条件主要特征粗粒土粗粒组质量大于总质量50%的土国家标准《土的分类标准》(GBJ145—90)砾类土(2 图1 土粒粒组划分 在我国岩土工程体系中，土的分类非常细致，大到巨粒土，小到黏土，每种土都有不同特性(如粒径大小、粒组含量、物理性能指标、力学性能指标)。而工程中的粗粒土、碎石土、混合土、土石混合体一般按照粒组含量占总量百分比来划分，这必然会出现不同岩土类粒组含量重叠区，四圆法定名如图2所示。 图2 四圆法定名 图2中：① a区：粗粒土[当P(d>2)≤50%且P(d>0.075)>50%,可称为砂土、无黏性土或粉砂]；② b区：碎石土；③ c区：混合土；④ d区：土石混合土体；⑤ e区：P(2 另：① 50% 直角坐标法是一种清晰、简单、直观的定名方式，弥补了四圆法不直观的缺陷。直角坐标法是通过纵坐标颗粒含量和横坐标颗粒粒径在坐标系上找到对应点，便于工程土的归类和定名，如图3所示。图中： ① 针对坐标区域Ⅱ：当坐标中的粗粒土、碎石土缺乏中间粒径时才能与混合土并名；② 土石混合体土/石阈值大于2 mm，并且抗剪强度τ石>2τ土；③ 当碎石土中粒径小于0.075 mm的细粒土质量超过总质量25%时，应定名为粗粒混合土；当粉土或黏性土中粒径大于2 mm的粗粒土质量超过总质量25%时，应定名为细粒混合土。 图3 直角坐标定名法 粗粒土在自然界中广泛分布，其属于优良的工程特性天然建筑材料，常应用在大坝工程中，因此，关于其抗剪强度和渗透指标研究成果丰富。经研究发现，颗粒级配是影响粗粒土抗剪强度的关键影响因素[10-11]。凌华等[12]研究级配对粗粒土强度和变形的影响，得出细颗粒含量增加后，在低围压情况下破坏峰值减小；围压增大后，破坏峰值反而提高；同样文献[13-14]中指出粗粒土低围压下表现出应变软化和剪胀，高围压下表现出应变硬化和剪缩。分析其试验数据，所采用的试样土也可称为碎石土，即学者对粗粒土研究的成果同样可适用同等条件下的碎石土，如表2所示[12]。 表2 试验级配与密度试样编号岩性试验干密度/(g·cm-3)小于某粒径(mm)颗粒百分含量/%6040201051-1变质岩100.084.257.637.020.01-2英砂岩2.18100.080.955.533.816.01-3夹板岩100.079.150.429.512.5 李振等[15]在研究粗粒土抗剪强度指标规律中，所采用的试样按本文归类方法可归类为碎石土(如表3部分试验数据)，且文中指出当试样中细粒含量较多时，其内摩擦角主要取决于细粒土的强度；当试样中粗粒含量达到一定程度后，其内摩擦角随粗粒含量增加而增加。本文从碎石土粒组含量角度阐释上述学者研究成果：含石量在很大程度上影响着碎石土的抗剪强度[16-18]，内摩擦角φ随着含石量增加而增大，当含石量<30%时，块石悬浮在主要由土体构成的介质中，块石间孔隙较大，难以发生相互咬合和摩擦，土性占优势；当含石量为30%～60%时，内摩擦角增幅较快；当含石量>60%时，内摩擦角增幅较慢，呈逐渐稳定的趋势，细粒部分不足以填充碎石形成的骨架，石性占优势，从而表现出碎石的性质，内摩擦角φ较大。 表3 试验用料模型级配特性试验编号模型级配各粗粒含量/%80～60 mm60～40 mm40～20 mm20～10 mm10～5 mm<5 mm不均匀系数Cu曲率系数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 在岩土工程中，王双等[19]研究的碎石土可能偏向碎石的定义，国家标准[20]以菱角形为主，粒径大于20 mm的颗粒质量超过总质量50%称碎石。此外，针对碎石土的大量试验研究，由于碎石土的粒径跨度大于粗粒土粒径跨度，因此某些物理力学性质不同于粗粒土。如粗粒含量控制碎石土渗透系数，而粗细比或细粒含量是影响粗粒土渗透特性的主要因素。许建聪等[21]指出碎石土的渗透系数随土中碎块砾石粒组含量的增加而呈自然指数增大，随土中小于0.1 mm粒径的细粒土粒组含量增加而呈自然指数降低；该结论与文献[22-23]研究砂土及碎石土的渗透系数总体上随细粒增加而减小的结论相似。本文从粒组含量方面分析许建聪的结论： 一方面对于渗透系数，在碎石土级配中d10是显著的关键粒径，而非d20，这一点与很多粗粒土经验公式选用d20作为关键粒径不同[24-25]，因此增大d50以上粒径时，不均匀系数Cu=d60/d10将会增大，渗透系数也会越大。另一方面，含石量在 30%以内[26]，碎石土以土体为主(当含石量<30%时[16]，块石悬浮在主要由土体构成的介质中，块石间孔隙较大，难以发生相互咬合和摩擦，土性占优势)，土体内部的碎石局部接触，渗透系数缓慢增大；碎石含量超过30%后，随着碎石骨架作用的显现，渗透系数明显增大，当碎石含量大于70% ，碎石骨架完全形成，渗透系数迅速变大(原因是孔隙比为0.4，所以空隙比较大，细颗粒不能完全填充空隙)，碎石含量和渗透系数存在指数关系。但是当孔隙率较小时，细粒含量在30%～40%以下时(即碎石含量大于70%)，堆石体中的粗颗粒形成骨架，细颗粒完全填充孔隙，此时就有堆石体渗透率最低的结论[27]。而许建聪所采用的试验数据，空隙比是相对比较大的，所以才有渗透系数随土中碎块砾石粒组含量增加而呈自然指数增大的结论。 混合土具有施工性能良好的性质，是工程上常用的土料，其抗剪强度、压缩性与粗粒土相似，但透水性低于粗粒土；与纯细粒土相比有较高的抗剪强度、较低的压缩性[28]，因此混合土工程性质是介于粗粒土和纯细粒土之间的一类特殊土。石杰等[29]讨论了在常规三轴试验下细粒含量为0%、40%、60%的3组混合土力学特性，得出了在相同围压下，粗粒含量较高的土样具有更高的偏差应力水平，原因是粗粒含量高的土样中颗粒之间的胶结作用越强，土样的抗剪强度越高。这与混合土的抗剪强度主要与内摩擦角和咬合力有关，可从粒组含量进行解释。Miller等[30-31]探讨了黏土和粗砂所组成的混合土对黏聚力和内摩擦角的影响，得出粗粒含量增加到 50%～70%时,内摩擦角将迅速增加，而黏聚力则随着粗粒含量增加而降低。Patwardhan等[32]探讨了砾石含量对抗剪强度的影响，得出含石量增加，抗剪强度也相应增大，当含石量大于40%时抗剪强度急剧增大。屈智炯[33]将粗粒土分为无黏性粗粒土(细粒含量小于5%)、少黏性粗粒土(细料含量为5%～15%)、黏性粗粒土(细粒含量达到15%～50%)，而混合土与粗粒土在粒组上相似，混合土也可划分为无黏性混合土、少黏性混合土、黏性混合土等，所以细粒土含量为0%时，为无粘性混合土，粗颗粒起骨架作用，颗粒之间相互咬合，混合土的强度靠内摩擦力提供；细粒含量为40%、60%时,为黏性混合土，细粒充分填满颗粒之间或粗颗粒镶嵌在细粒土中，此时粗颗粒不能形成有效骨架，粗颗粒对抗剪强度有所降低，这从粒组方面也解释了石杰的结论。 从21世纪初开始,土石混合体成为研究的热点，徐文杰、油新华等[2,34]对土石混合体各自给出了定义，但至今对土石混合体的定义没有标准。从前人的研究中可知土石混合体有着高度非均质、非连续、非均匀性，是介于岩体与土体之间的一类特殊土。本文参照徐文杰给出的土石混合体的定义进行归类。 周中等[35]文中描述的土石混合体与徐文杰等定义的土石混合体土/石界限粒径概念是有差异的，并且文中天然状态土石混合体的颗粒级配曲线(级配曲线优良)，其最大颗粒粒径不超过50 mm，且粗粒组(d>0.075 mm)质量已超过总质量50%。按粗粒土细分标准[36]，学者所说的土石混合体属于粗粒土中砾土类的含细粒土砾；运用正交试验的极差分析和方差分析法，发现影响土石混合体(本文归纳为粗粒土)渗透系数主次顺序为: 砾石含量→空隙比→颗粒形状[35]，并且呈砾石含量越多、渗透系数越大的规律。从粒组含量上分析，该结论与廖秋林等[37]所说的土石混合体含石量在25%～60%之间时，渗透系数随含石量增加而变大有本质区别。因为土石混合体是一种非均质、不连续体，具有结构效应的松散岩土介质体系[34]；而粗粒土一般级配优良，具有复杂性、分散性、压实性好等工程特征。因此周中等研究的渗透系数与含石量关系可从两方面分析：①: 颗粒含量P5(粒径大于5 mm颗粒质量百分数)<30%时，粗颗粒在粗粒土中只起填充作用，渗透系数取决于细粒[38-39]；当P5>75%时，粗粒在粗粒土中起骨架作用，细粒填不满空隙，渗透系数突然增加，此时渗透系数取决于粗粒。因此粗粒土含石量在30%～75%时，渗透系数才随含石量增加而变大。②： 粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大，当粗颗粒含量P5=70%时，最大干密度出现最大值，且当P5>70%时,最大干密度又随粗粒含量增大而减小[8]；相反，粗粒土孔隙比却随粗颗粒含量先减小后增大，当P5=70%时，孔隙比最小，即粗粒含量小于70%时，孔隙比随粗颗粒含量增加而变小，这就与文中说含石量的增加使渗透系数增大相悖(一般认为孔隙比越大，渗透系数越大)；朱崇辉[40]对这类现象进行了解释：在相同压实度情况下，粒径相对较大的粗粒土比粒径相对较小的粗粒土干密度要大，孔隙比相对较小，但渗透系数较大；原因一，粒径差距较大，粗颗粒粗粒土所形成的孔隙与细颗粒粗粒土相比孔隙大，相同厚度的土体其渗透水流所经过的绕流路径短；原因二，在固定粒径范围内，粗粒土级配是变化的，在孔隙比相同条件下，孔隙越大，连通孔隙占总孔隙比例也越大，渗透水体所占的有效面积增加，一般渗透系数会相应变大。 “地基不牢，地动山摇”形象地说明了岩土是作为土木领域最基础、最广泛、最重要的分支学科；由于岩土体具有复杂性、非均质、非连续等特性，也是最难研究的一类学科。本文立足于对粗粒土、碎石土、混合土、土石混合体概念的清晰认识，分析了为什么存在岩土体分类概念不同。针对目前工程土的名称多样性，提出了四圆法和直角坐标法分类定名方法，为后续岩土归类定名提供理论途径。此外对已有资料的工程土成果分析，掌握粒组含量参数变化对渗透性、抗剪强度影响变化规律，为后续学者试验数据的分析提供参考价值。
2.2 四圆法
2.3 直角坐标法
3 几类岩土物质归类案例分析及其性质与粒组关系
3.1 粗粒土案例及其抗剪强度与粒组关系
3.2 碎石土案例分析及其渗透系数与粒组关系
3.3 混合土力学特性与粒组关系
3.4 土石混合体案例分析及渗透系数与粒组关系
4 结语
