黃土的工程地質特征及分類命名的建議

劉祖典郭增玉

(西安理工大學巖土所710048  西安)

1、黃土的工程地質牲

    黃土是第四紀陸相的特殊沉積物，它的生成和發育隨著時代成因、自然環境條件的不同，具有不同的發展規律和性質。因此它的物理力學性也隨著時代成因和地區的不同，某些特性有所改變。西北是我國黃土分布最廣最多的地區，沉積厚度大，地層特征和物理力學性質都表現出明顯差異和變化，一般我們在鑒別什么是原生黃土時認為原生黃土具有以下特征：

    1)顏色是黃色、淡黃色或棕紅色等；

    2)多孔性，有肉眼可看到的大孔隙，孔隙比一般為0．8～1．2；   

    3)含有大量的石灰質(CaC03)結核，具有條狀、粒狀和層理；

    4)土顆粒組成以粉粒為主，約占總量的60％-70％，原生黃土中以0．05~0．Olmm的較粗顆粒占優勢，次生黃土中以0．01~0．O05mm的較細顆粒占優勢；

    5)具有結構性和垂直節理，在天然狀態下能保持直立邊坡；

    6)水敏性強，即它的變形強度和穩定性對水的作用特別敏感，常造成工程事故。

    關于黃土命名問題，根據不同工程的不同需要，曾提出許多不同名稱，如老黃土(原生黃土)、新黃土(次生黃土)、砂黃土、粘黃土等。

    總之，黃土的命名極其廣泛，由于它具有不同時代成因和地區性的特點，所以在命名時要求完全統一有一定的困難；黃土的地貌類型主要取決于古地貌的形狀，也受自然條件如地層構造運動、雨水浸蝕、氣候變化、土質演化等情況的影響，所以性質也顯得千差萬別。

    關于黃土的成因眾說紛紜，但總的來說可歸納為風成、洪積和坡積，還有可能在不同條件下產生不同成因復合類型的土壤，多種成因和區域性的條件是研究黃土成因命名的重要前提，肯定一種學說，顯然不符合客觀實際。

    正確認識黃土，找出黃土的一般固有特性和工程特性規律，可在工程實踐中結合實際，應用這些規律分析判斷采取處理措施是十分重要的。

    我們經常通過黃土的顆粒分析，對黃土級配中砂粒、粉粒及粘粒含量進行系統地分析研究，找出級配組成的規律，以其顆粒、級配組合、本質特征予以分類定名是比較科學切合實際的，但未能反映黃土特性的全貌，未反映黃土顆粒膠結和微結構特征等。

    塑性指數(plasticity index)，是黃土分類命名的敏感性指標，根據它可以近似了解黃土的物理、力學性質，如顆粒組構、水理性和強度變形的特性等。

    對于黃土的分類，從地質方面通常將黃土分為原生黃土(標準黃土或典型黃土)和次生黃土(黃土狀土或亞黃土)。原生黃土，經過水流沖刷、自然營力、地質構造運動形成次生黃土，如沖積、洪積、坡積和冰積黃土等，這些黃土不像原生黃土質地均勻，無層理，結構密實、均勻，而具有層理，顆粒組成比較復雜，物理力學性質也較差。一般情況將粘性土分成三大類，即粘質土、砂質粘土和粉質粘土，黃土基本屬于粉質粘土。

    目前對黃土的分類命名大致有四種方法，簡述如下：

    1)工程地質分類法是以黃土的地層、年代、成因為基礎的體系分類，如下表l。

表1按時代成因分類

    工程地質特征分類是地質工作者經過長期對黃土地層的成因和構造、勘探調查的結果，反映了成因時代、地層結構的實際情況；也是近期劉東生院士總結各家分類成果的研究結果，對此分類大家都認可，無什么非議之處。

    2)土力學和水工建筑學，以土的顆粒組成分類。這樣的分類便于判定土的組構、級配和膠結情況。

    因為黃土的顆粒組成以粉粒為主(50％一70％)，其命名均冠以粉質，其次為粘粒，所以稱為粉質粘壤土(silty clay loam)。又以含粘量多少區分為重、中、輕粉質壤土(loam)；粉質砂壤土(silt sand loam)，以粉粒和砂粒為主及一定的粘粒，所以稱之為粉質砂壤土，又以其含粘量多少區分為重、中、輕粉質砂壤土，如下表2所示。

表2按黃土的顆粒組成分類

    按黃土顆粒組構和級配分類方法，反映黃土顆粒組成的三大主要組成部分，如粉粒、砂粒和粘粒，由于各種顆粒含量比例不同，又分為粉質壤土(亞粘土)，其中顆粒含量為粉粒>粘粒>砂粒；粉質砂壤土(亞砂土)，其中顆粒含量為粉粒>砂粒>粘粒；這種分類不僅反映了黃土顆粒組成級配，也反映黃土物理力學性的差異，同時也反映黃土在形成的過程中由于自然營力的強弱，如風力和水力的沖運，其顆粒組成由西向東，由北向南由粗變細的變化規律，結構疏密情況，如表3所示。粉粒和砂粒構成黃土的骨架，粘粒及其他化學成分為骨架顆粒的膠結物，由于膠結牢固程度不同，致使黃土結構疏松、緊密、軟硬狀態，孔隙大小、多少不同。從而顯示出黃土不同的物理力學性質和不同的工程性質。

表3  黃河中游各省黃土的顆粒組成

    注：表中只給出各地區黃土組成顆粒的總平均值，其變化范圍可參考[1，2]

    3)建筑地基基礎設計規范以黃土的塑性指數為基礎的分類定名，塑性指數是反映土的物理力學性質的重要指標，按塑性指數大小的分類命名如表4

表4黃土按塑性指數分類

    建筑地基基礎設計規范的分類，以塑性指數(Ip)為分類依據。塑性指數(Ip)是反映黃土的物理力學性質的重要指標，它與黃土的顆粒組成、變形強度有密切關系，通常與黃土的含粘量、變形模量(E)、強度指標(c，φ)建立了相關關系，以其判定黃土的承載力(R)和變形量大小，變形速率等，這種分類公認是合理的，也是比較容易測定的，廣泛用于土質地基基礎建筑設計規范，但未反映黃土的本質特征。

    4)按黃土的濕陷性分類

    濕陷性是新黃土(Q3，Q4)的--大突出力學特性。對黃土濕陷性的評定，濕陷性黃土規范以濕陷系數(δs)為主要指標，它是濕陷性黃土地基分類、劃級、預測濕陷量的依據。根據濕陷系數(δs)，將黃土劃分為非濕陷性黃土(δs<0．015，濕陷性黃土(δs>0．Ol5)；又由于黃土的成因時代和力學特性不同，有的黃土地層在飽和上覆土層自重壓力作用下也發生濕陷(△zs>7cm)稱為自重濕陷性黃土，反之則稱為非自重濕陷性土層。這種分類法具有一定的工程性，可變性，常隨工程特性和地面標高(挖方或填方)而變化。

    這一分類定名是建國50年來學習原蘇聯和我國工程實際經驗的總結，并制成濕陷性黃土地基規范(66、78和90規范)，在黃土地區工程建筑中發揮了重要作用。但我們應該知道，這一指標(δs)是工程實踐經驗的指標，有一定局限性，例如它是在側限標準壓力(200kPa)浸水壓縮飽和條件下的定量指標。這與通常工程上遇到的非側限條件有一定出入，再者，黃土地基的設計承載力一般都小于200kPa，而且在具體建筑基底壓力作用下，地基中的附加應力(σ)分布隨深度而減少，與它相應的濕陷系數均小于p=200kPa下的，所以一般用δs計算的濕陷量(△s)均大于實測值，夸大了地基的濕陷性。圖l中所示一組用雙線法測定的δs—p曲線是黃土在不同起始含水量、干重度(γd)和不同壓力下的飽水情況下的濕陷系數，是黃土濕焰性的固有屬性，不受人為因素的影響，利用這組曲線可求得地基不同土層在不同ωoγd和附加壓力作用的濕陷系數，較符合實際。該曲線族不僅可以確定不同壓力(含p=200kPa和自重壓力)下的濕陷系數，還可以確定不同起始ωo。和γd的濕陷起始壓力等，尤其便于確定地面設計標高變動時的δzs值，不需作補充試驗。但它仍未克服側限和地層中水份動態變化的影響等．看待進一步改進和提高。

2、建議的黃土分類命名

    現行地質勘測報告和地基規范，對黃土地層命名太簡單，只說明地基地層的組成為黃土、古土壤、粘土和砂礫層等，未反映地基的土質特性，不能給設計工作者對黃土地層性質以明確的概念，提高地基設計的準確性。這方面今后應予以改進和加強。勘測報告中對地層的分類命名，應以塑性指數(Ip)為主，同時考慮黃土顆粒組成和特性較合適。這一命名法，既反映了黃土的強塑性特性，也反映了黃土的顆粒組成，概念清楚，也較符合實際。現建議下列兩種命名方案(如表5)，可予以選用。

表5建議的黃土分類命名

    注：如為古土壤層時，可將黃土質改為古土壤。

參考文獻：

[1]劉祖典《黃土力學與工程》陜西科學技術出版社，l997年；西安：pl3

[2]西北水利科學研究所《西北黃土的性質》陜西人民出版社，l957年；西安：pl26

[3]謝定義《試論我國黃土力學研究中的若干新趨向》巖土工程學報，2001；N0．1，V0123

[4]高天鵝，高玉廣《黃土特征及分類命名，濕陷性黃土研究工程》中國建筑工業出版社，2001年；蘭州

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)