中国区域性土工程特性的研究

中国区域性土工程特性的研究

0“区域性土”的性质中国大部分地区分布着不同的区域土壤，最重要的是与经济发展密切相关的黄河以北的黄土、长江以南的红土和黄河-长江之间的古土壤（收缩粘土和非收缩粘土）和东南沿海的海上土壤。笔者曾分别对它们的工程特性和基本性质进行过系统研究。这些“区域性土”有着不同于一般粘性土的比较特殊的工程特性，如黄土的湿陷性、红土的高强度、粘土的胀缩性和海洋土的高压缩性，这是大家所熟知的。但是，这些“区域性土”为什么会具有特殊性质，就较少引起人们的注意；它们是怎样形成的，除了黄土外就研究得不多；至于它们与气候的关系和它们之间的内在联系几乎没有人研究过。本文主要总结各类“区域性土”的分布和工程特性形成的基础上，对我国区域性土的有规律分布和庇邻的“区域性土”之间不同工程特性的过渡以及它们的内在联系，进行了综合研究。1胶结材料性质的不同从土性分析的观点来看，无论是什么土，它们颗粒之间都存在着一定的“胶结联系”，所不同的只是“胶结联系”的材料性质和胶结强度有差异而已。有些土的“胶结联系”很弱，弱到在工程上可以忽略不计，通常称之为一般粘性土。可是，“区域性土”的土颗粒之间却存在着较多性质不同的“胶结联系”，这种胶结联系的性质可以分成水稳性、非水稳性以及介于两者之间的性质。水稳性的胶结材料主要是微晶氧化铁（赤铁矿、针铁矿），非水稳性的胶结材料主要是微晶氯化钠和微晶碳酸钙等，介于两者之间的主要是含水氧化铁（水铁矿）和粘粒间的溶剂化水膜等。胶结材料性质的不同，影响土颗粒“胶结联系”强度，从而直接影响土的工程行为。黄土的湿陷性，就是在浸水条件下那些非水稳性微晶碳酸钙被慢慢地溶解而减弱“胶结联系”强度，导致土体发生沉陷。但是另有一种土它在浸水条件下发生的沉陷更为迅速更为严重，它就是青海地区特有的盐土，它的外观和黄土很相像，所不同的是颗粒间的胶结材料不同。盐土中以微晶氯化钠为主，而黄土中则以微晶碳酸钙为主。由于它们对水的溶解速度不同，造成的湿陷后果也很不相同。微晶氯化钠的溶解速度很快,浸水后盐土的湿陷特别快，所以对这种土所采取的防水、排水措施要特别严格。又例如贵州的粘红土和云南的砂红土的工程性质也很不相同。贵州粘红土的承载力基本上随着湿度的增加而有所降低，而云南砂红土的强度基本上不受湿度变化的影响。这主要是前者粒间胶结联系是含水氧化铁（水铁矿），而后者为微晶赤铁矿和赤铁矿。2前期固结压力不同的区域性土，它的具体形成条件和过程也是不同的。如要逐个地解释各种区域性土的形成条件和过程，是篇幅所不能允许的。这里只能讨论几个影响区域性土形成的几个要素：(1)物质来源；(2)物质搬运的动力；(3)堆积环境；(4)堆积过程的气候条件；(5)上覆土压力的变化情况；(6)堆积持续时间。地质学家们对于“物质来源”和“物质搬运的动力”特别感兴趣。他们对黄土成因的学说，争论了一个多世纪，现在“风成论”已经占绝对优势，我国著名科学家刘东生为这一理论作出过重大贡献。工程地质学家们受到地质学家的影响，通常也是以“成因类型”来判别土的工程性质。国内外的岩土力学家们对于“上覆土压力”的变化很感兴趣，他们认为土的强度来源于上覆土压力，如果上覆土压力在历史上曾经发生过变化，那么土的强度将取决于历史上曾出现过的最大压力，称之为“前期固结压力”。现在让我们来讨论这几个要素对于形成区域性土和土结构的作用。土的物质起源于岩石的风化，物理风化影响土颗粒的大小，化学风化影响土颗粒的矿物成分。构成土结构的是骨架颗粒，一般为固体物质，这些物质无论它们是由于气候的强烈变化造成的还是冰川移动时生成的或其他地质营力（风力、水力）的搬运过程中产生的，这些都是物理风化的结果。构成土结构的“结构连结”的主要成分是粘土矿物、微晶氧化物和溶剂化水膜，它们都是固体物质在化学风化过程的产物。当然大自然不会分工得如此明确，常常是物理的和化学的风化同时或者前后交叉地进行。不过随着区域气候条件的不同，在发生风化的先后和程度上是不同的。干旱而寒冷的地区物理风化占优势，土中固体物质颗粒的含量高一些，粘土矿物、游离的微晶氧化物和溶剂化介质的含量就低一些；潮湿而炎热的地区化学风化占优势，土中粘土矿物、游离氧化物和溶剂化介质的含量就高，而固体物质颗粒尤其是容易分解的碎屑矿物颗粒较少。这就说明“气候条件”这一因素对于形成“土的组分”是非常重要的。尤其是堆积地区的“气候条件”更为重要，因为它比搬运过程经历的时间要长得多。可以这样说，即使是来源于气候条件不同地区的不同物质成分，搬运到本地区之后经过长期的风化作用，也会发生“本地化”的过程，最终会被本地的气候条件基本上或完全“改造和同化”。所以，可以认为“物质来源”和“搬运动力”这两个因素对于地质学家来说是重要的。但对于近代土质学工作者来说最感兴趣的是地区“气候条件”。堆积后的“上覆土的压力”和“堆积持续时间”对于形成“土结构”是有意义的。土的组分在堆积起来之后，并不是立即就形成工程意义上的“土”，而是“松散堆积物”。在岩土工作者看来，颗粒之间没有任何胶结联系，排列得十分疏松，孔洞大而多，这时并没有形成稳定的“土结构”。在堆积物逐渐增厚达到一个比较稳定的时期，堆积物在当地的水热环境的作用下，颗粒之间逐渐产生一些“胶结联系”，这时“松散堆积物”才算是初步形成“土”。堆积相对稳定以后的“土”，继续受到土层增厚和当地气候条件的影响，承受着干湿和冷热的交替作用，粒间胶结物的集聚、沉淀和结晶，导致“本地化”结构连结的生成，在这沉积周期形成相对稳定的土结构。这就是“区域性土”形成的一般过程。3区域土壤和土壤条件之间的关系3.1颗粒细颗粒的转化黄土高原西北部的粒度粗，东南部的粒度细，这是著名的地质学家刘东生发现的，也是“风成论”的有力佐证。刘东生认为旋风从腾格里大沙漠的中心把黄土物质吹扬到高空，顺着西伯利亚的寒冷气流向东南飘落到东南西三面环山的有利于堆积的袋形地区，就是现在的西起乌鞘岭、东到太行山、南至秦岭的黄土高原地区。黄土物质经过自然风选粗颗粒就落在沙漠附近，细颗粒散落在运离沙漠的地方，导致粗细颗粒有规律地自西北到东南的堆积。根据颗粒的粗细可以把黄土划分为砂黄土、粉黄土和粘黄土三带。砂黄土和粉黄土地区的气候虽然比较干燥，但还是有一定的化学风化作用，除了钠离子被淋溶随雨水流走外，钾离子一淋出就被分解的硅铝晶体吸收形成少量的次生粘土矿物；这时大量的钙离子淋出后就地和空气中的二氧化碳形成微晶碳酸钙，附着在骨架颗粒表面和粒间接触处成为“接触胶结连接”结构，这就是“湿陷性黄土”发生过程的特征。可是在粘黄土地区，这种微晶碳酸钙随着气候由西北而东南变湿热，钙离子再度从微晶碳酸钙淋出，淀积在黄土层的底层，这时“湿陷性黄土”程度逐渐减弱，黄土的湿陷性也由强变弱，黄土的湿陷性质也由自重湿陷性演变成非自重湿陷性黄土，见表1。这种黄土湿陷性的变化已经从黄土“结构理论”中得到解释。就是通过黄土外观颜色也可以看出西北黄土是浅灰黄色而东南黄土是深灰黄色。显然这和反映气候变化的游离氧化铁含量的多少有关（见表1）。3.2南方产品的物化性质我们在研究南方红土时，也发现同是红土也有地区性差别。贵州贵阳的粘红土的无侧限强度远比云南昆明的砂红土低得多。可是决定它们强度的游离氧化铁含量却相差不多，这就引起了我们的重视。我们注意到贵州贵阳红土的颜色是棕黄的，而昆明红土的颜色却是深红的，结合物化、和现代仪器分析表明，虽然两者的游离氧化铁含量差不了多少，但其赋存状态却大不相同。前者大量以含水氧化铁赋存，只含少量针铁矿；而后者则几乎都是以赤铁矿赋存，连针铁矿也很少有。显然，这与贵阳的潮湿气候和昆明的干燥气候有关。这也就是说，在高温条件矿物中铁离子大量淋出，随着土中湿度减少，游离氧化铁由离子态和凝胶态转化为隐晶质和晶质态。根据土壤学家的研究，由于气候条件不同，土中有时存在一种以上形态的氧化铁。下面是我国南方红土的物理化学力学和矿物分析成果，见表2。氧化铁在一般情况下按以下序列转化：水铁矿（含水氧化铁）—纤铁矿—针铁矿—赤铁矿，一般称之为“陈化”过程，在土中我们称之为“红土化”过程。这种转变在一定条件下也会反方向进行，在红土中称之为红土的“退化”过程。3.3老粘土的理化性质过去对于北方的黄土、南方的红土比较熟悉，因为它们的颜色非常鲜明，而工程性质却非常不同，容易为人们所注意。在这两类区域性土之间的广大地区是否还存在着其它区域性土？随着合肥粘土、荆襄粘土、十堰粘土、安康粘土、成都粘土等一系列Q2、Q3老粘土的发现，把武汉到南京沿长江两岸的下蜀粘土联系在一起，人们才认识到这些被山脉和丘陵分割的老粘土有着一些共同特点，即具有基本相同的主要粘土矿物成分（伊利石）和不同程度的胀缩性。而它们所处的位置，正好大部分位于黄土和红土之间，显然这不是偶然的。它们的物理力学、物理化学和矿物成分分析见表3。这些老粘土所在城市的气象资料表明，它们都处于年平均气温14～19℃之间，平均降雨量在700～1800mm之间。在这种气候条件下微晶碳酸钙大部分都被淋失。矿物中的钾离子几乎大部分进入硅铝晶格中形成大量次生的粘土矿物—伊利土，这就是“粘土化”的特征。这种“粘土化”的过程，涉及的范围很广，除了上述提到的老粘土外，它还波及到庇邻的区域性土，从北邻豫南的“粘黄土”，南到贵阳的“粘红土”。这种过渡地区的土具有双重工程特性。豫南的粘黄土既有轻微的湿陷性又有轻微的胀缩性；贵州的粘红土既有较高的强度又有一定的收缩性。根据以上分析，就不难理解处于庇邻的过渡地区的区域性土具有的双重性质。如果我们在这些过渡地区进行经济建设时，必须把握住这些地区土的双重工程特性。3.4非饱和土法海洋土是唯一与气候条件不直接相关的区域性土，它们自南而北沿海分布。如果说黄土、红土和膨胀土是在陆地上堆积的，一般来说它们是不饱和的三相土，岩土力学学者称之为非饱和土；海洋土则是在海水或湖水中沉积的，它们是饱和的二相土。太沙基的饱和固结理论，就是根据这类土发展起来的。它们的工程性质也比较特殊，强度特低和压缩变形特大。它们的物理力学、物理化学和地球化学特征分析见表4。从表4的X射线能谱分析的特征元素，不仅表明海洋土的物质，是来源于陆地河流流入海洋的挟带物，而且这些物质明显地受气候的影响。就是从游离氧化铁含量由北而南增加，说明这和气候条件有关。4我国主要区域性土的地理分布我国地处亚洲大陆的东南部，西北部背靠亚洲大陆腹地，东南濒临大海。整个地势是西高东低，秦岭—太行山、南岭—武夷山由西南到东北成弧形条带，贯穿在我国西北部、中部和东南部，形成两道自然屏障，东南温暖的海洋性季风受到阻隔，逐渐减弱，不能深入内地；而西伯利亚凛冽的寒流也被阻挡，无法长躯直入东南沿海地区。故而我国这种地理环境使得我国气候条件由西北的干冷到东南的湿热很有规律地变化。这就是我国主要区域性土的地理分布很有规律的主要原因。虽然这些区域性土在宏观的工程性质上有着明显的巨大差别，是由于地区气候条件的差异所决定的，然而由于我国气候条件的由西北而东南变化的连续性，必然在微观性质上存在着某种内在联系。为了证明这一推论，我们把主要区域性土分布的西北、中部和东南亚地区划分成基本水平但略带倾斜的八个带，把在这些带域上土的物化数据和有关资料列在表5中。表5表明，各类区域性土之间有着明显的内在联系，特别是土中的pH值、游离氧化铁的含量和特征元素，有着很强的连续性。它充分地反映了在规律变化的气候条件影响下，发生的有规律的风化淋溶作用和地球化学特征按序变化趋势。这表明，宏观性质上的突变性，是微观性质上的渐变累积到一定阶段上的反映而已。5区域性土的研究具有广阔的前景通过以上讨论，在研究区域性土方面，中国有着得天独