一個標準巖土地層序列的初步框架*

李清明 唐輝明

( ①深圳市市政設計研究院有限公司 深圳 518029)

( ②中國地質大學( 武漢) 武漢 430074)

0 引 言

巖土三相體的復雜性、巖土地層及其組合類型的復雜多變性和巖土分類標準的碎片化造成了不同地區之間，甚至同一地區內同一時代、同一成因和同一巖土名稱的地層都可能具有不可對比性，從而制約了巖土地層大數據庫的建立。統一巖土分類標準和巖土地層序列是建立一個地區、國家乃至全球巖土地層數據庫的重要基礎。

本文的目的旨在探討“巖土地層”的內涵，嘗試建立一種標準巖土地層序列的初步框架，為巖土地層大數據庫奠定基礎。

1 不同規范體系下巖土分類的差異

我國曾經組織人員進行過土的全國統一分類工作，后來無忌而終。有的規范將巖、土分開，有的規范則巖土不分，統一分類( 李廣信，2004) 。

按照《巖土工程勘察規范( GB50021—2001) 》( 以下簡稱《勘察規范》) 和《巖石與巖體鑒定和描述標準( CECS 239:2008) 》( 以下簡稱《巖石與巖體標準》) ，巖土描述和鑒定要求考慮巖土時代、成因、巖土含水狀態、砂土密實度、黏性土塑性、巖石的堅硬程度和風化程度、巖土名稱等。歐盟雖然實行了統一的土類標準，但各國可根據本國特點確定各類巖土參數的經驗值。我國從《巖土工程勘察規范》( GB500021—94) 和《建筑地基基礎設計規范》( GBJ7—2002) 開始，巖土參數經驗值納入地方標準。

《土的工程分類標準( GB/T50145—2007) 》( 以下簡稱《土的分類標準》) 在考慮國內常用粒組界限的基礎上，根據土顆粒組成及其特征、土的塑性指標和有機質含量進行土的通用分類，是具中國特色的國際標準修正版。《勘察規范》采用多標準進行土的分類，如根據顆分、塑性指數和有機質含量劃分碎石土、砂土、粉土、黏性土、無機土和有機土，還單獨劃分出了濕陷性土、紅黏土、軟土、混合土、填土、多年凍土、膨脹巖土、鹽漬巖土、污染土、風化巖和殘積土等特殊性巖土。將晚更新世及以前沉積的土定為老沉積土，第四紀全新世中近期沉積的土定為新近沉積土。根據地質成因可劃分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、淤積土、冰積土和風積土等。對特殊成因和年代的土類應結合其成因和年代特征定名，對特殊土，應結合顆粒級配或塑性指數定名，對混合土，應冠以主要含有的土類定名。歐盟標準《土的分類、鑒定和描述BS EN ISO 14688－1: 2002、2:2004》( 以下簡稱《歐盟土的分類標準》) 根據顆分、塑性、有機質含量和成因進行土的通用分類，并可根據土的不排水剪切強度、干密度、黏粒活動性、礦物種類、飽和度、滲透性、膨脹性、壓縮系數和碳酸鹽含量等參數進行土的次一級分類。

《勘察規范》根據飽和單軸抗壓強度劃分5 個巖石堅硬程度等級，并應鑒定巖石的地質名稱和風化程度，描述巖石的地質時代、地質名稱、風化程度、顏色、主要礦物、結構、構造和巖石質量指標RQD等。巖石名稱數量龐大，且可詳可略，如花崗巖、砂巖、石灰巖等均可細分出一個龐大的家族。《巖石與巖體標準》根據天然濕度單軸抗壓強度劃分8 個巖石堅硬程度等級，還明確了巖石、結構面、巖體結構體和巖體的鑒定和描述標準，單獨劃分出了具有特殊工程性質的劣質巖。歐盟標準《巖石鑒定和分類BSiENiISOi14689—1: 2003》( 以下簡稱《歐盟巖石分類標準》) 根據巖石的成因、礦物成分組合、結構和礦物顆粒大小提供了一個巖石類型簡表，并根據單軸抗壓強度劃分7 個巖石堅硬程度等級。巖石的堅硬程度等級也是在不斷演變的，我國從20 世紀70 年代的2 級增加到現在的5～8 級( 表1) 。

從表1可見，《巖石與巖體標準》更側重于巖土分類的系統性、完整性及與國際規范的接軌性，《勘察規范》更側重于我國常見巖土情況下的實用性和歷史傳承性。各規范對巖石堅硬程度的劃分等級及界限值、巖石風化程度的劃分指標和鑒定標準、土的分類體系、土的粒組及粒徑界限值、土的密實程度指標等均存在差異。如《勘察規范》、《巖石與巖體標準》和《歐盟巖石分類標準》分別采用飽和單軸、天然濕度單軸和無側限抗壓強度劃分巖石的堅硬程度。《勘察規范》列出了10 種單獨定義的特殊巖土，《巖石與巖體標準》列出了9 種劣質巖。《土的分類標準》定義黏粒為直徑＜0.005 mm 的顆粒，《歐盟土的分類標準》定義黏粒為直徑＜0.002 mm 的顆粒，增加了大漂石粒組，并將粉粒分為粗、中、細3 級( 表2) 。歐盟標準對土的通用分類方案考慮土的顆粒級配、塑性、有機質含量、土的成因等因素，劃分兩種人工填土，對成分為天然土的填土要求執行土的分類標準。《勘察規范》僅按IP分類細粒土，而以WL和IP綜合反映細粒土特性的塑性圖遠較單按IP分類優越( 王鐘琦，1981) ，應用塑性圖對陜西黃土、三趾馬紅土、膨脹土的判別能較好地反映其工程地質特性( 馬桂芝，1995) ，《土的分類標準》和歐盟標準均采用塑性圖對細粒土進行分類。各種規范標準均根據巖石的飽和、天然濕度單軸抗壓強度、無側限抗壓強度或野外鑒定特征提供了巖石堅硬程度的分級標準和巖石風化程度的分類標準。

表1 根據單軸抗壓強度劃分巖石堅硬程度的分級標準Table 1 Grading standards of hardness degree of rock according to uniaxial compressive strength

因此，當采用不同規范來定義同一巖土時，其名稱可能不同，或者由不同規范得到的同一巖土名稱也可能具有較大的工程性質差異。

2 巖土的一種通用分類方法

任何一種巖土均是由固相、液相和氣相3 種形態的物質組成，因此，巖土的統一分類宜基于巖土的基本物質，即固體、液體和氣體，一般巖土工程情況下，可替換為巖土顆粒、孔隙和水。巖土通用分類指標應適用于各類巖土，僅適合某些巖土的指標可作為次一級的分類指標。

表2 粒組的不同分級標準Table 2 Different classification standards of fraction

2.1 巖土顆粒的通用分類

巖土的固相部分主要由占地殼總重量99%的20～30 種主要造巖礦物組成，其中，石英、長石、白云母等淺色長英質礦物和輝石、角閃石、橄欖石、黑云母等富鐵鎂質深色礦物占地殼總重量大于85%，其他常見的造巖礦物有方解石、白云石和各種黏土礦物。巖土形成過程中存在自然分選，任何一種巖土地層均是某類礦物的集合體，含或不含有機質。如碎屑沉積巖的巖屑礦物主要為石英、長石、黏土礦物、碳酸鹽等。化學或有機沉積巖的礦物成分主要為鹽類、碳酸鹽類、硅質、炭質。中酸性巖漿巖的礦物主要為石英、長石、云母、暗色礦物，基性巖漿巖的礦物主要為長石、暗色礦物，超基性巖漿巖的礦物主要為暗色礦物，火山碎屑巖至少含50%火山巖成分。變質巖是由巖漿巖、沉積巖和淺變質巖變質過來的，因此，是原巖礦物和變質過程中新生礦物的集合體。碎石土顆粒的礦物成分取決于母巖的巖石類型及后期的風化程度，砂土的礦物成分主要為石英、長石、云母和黏土礦物，黏性土的礦物成分主要為黏土礦物。

2.1.1 巖土顆粒的定義

巖土顆粒是構成巖土的“骨架”部分，當承受外力時，是變形較小、相對穩定和不活躍的部分。構成巖土“骨架”的某些成分，如以蒙脫石族為代表的片狀黏土礦物、碳酸鹽、易( 中) 溶鹽、有機質等，具有特殊的巖土工程性質，宜單獨進行分類。巖土中的沸石水、結晶水和結構水構成巖土固相的一部分，但氣態水、重力水、毛細水或結合水不應視為巖土顆粒的一部分( Colten-Bradley，1987; 周公度，2002; 孫強等，2013) 。

巖土顆粒可分為礦物顆粒和表觀顆粒。巖土礦物顆粒定義為巖土體中單一的( 非晶質) 礦物顆粒，巖土表觀顆粒定義為完全被真空、氣體、重力水、毛細水或結合水分割的一種或多種( 非晶質) 礦物集合體。

從巖土表觀顆粒的定義可知，巖土表觀顆粒的空間形態可能非常復雜，常見的有包含部分真空、氣體、重力水、毛細水或結合水的球狀、塊狀、板狀、片狀、柱狀、棒狀、蜂窩狀、絮凝狀、海綿狀、泡沫狀等。

2.1.2 巖土顆粒的通用分類

可從巖土顆粒大小、組成和特殊組分進行巖土顆粒的通用分類。

巖土顆粒一般是指礦物顆粒，對松散－密實類的粗粒、巨粒巖土，巖土顆粒一般是指表觀顆粒。巖土顆粒，如土顆粒、沉積巖碎屑、巖漿巖的礦物晶粒、蒸發巖和非蒸發巖的礦物晶粒等的粒級劃分標準不一樣，建議統一巖土顆粒粒級的劃分標準( 表3) ，當采用不同的標準時，應進行說明。一種巖土往往由多個粒組成分組成，巖土顆粒組成的不均勻性宜納入次一級分類，其名稱宜簡化，如采用累計含量首次大于50%的粒組名稱，粒徑＞5 mm 的含量＞50%者可命名為中礫( 巖) ，粒徑＞0.075 mm 的含量＞50%者可命名為細砂( 巖) ，粒徑＜0.002 mm 的含量＞50%者可命名為黏土( 巖) 。

巖土中的某些特殊組分，如高蒙脫石巖土具強膨脹性，高易溶鹽巖土具強鹽脹性，有機質含量的大小對巖土物理力學性質影響較大，碳酸鹽因其復雜多變的孔隙結構類型、膠結性和某些特殊屬性，亦納入巖土特殊組分。根據特殊組分的含量進一步分級( 表4) ，普通礦物可不分級。

2.2 巖土孔隙的通用分類

巖土中的孔隙是巖土地層中最薄弱的組成部分，如填土、軟土、黃土、紅黏土、膨脹性巖土、鹽漬化巖土、殘積土、軟巖或劣質巖等特殊性巖土一般都是高孔隙率的巖土。

巖土孔隙率與巖土物理力學性質指標的關系已有大量的研究成果資料。如黃土的濕陷性可采用孔隙比分級( 劉祖典，1994) 。當孔隙率n∈( 2，35)時，部分白云巖、花崗巖和蝕變巖的單軸抗壓強度與孔隙率存在指數關系( 楊根蘭等，2006; 吳文等，2010; 魏偉等，2012; 劉泉，2014) 等。

表3 按顆粒大小及其含量的巖土顆粒統一分類建議標準Table 3 Suggested classification standard of fraction

表4 巖土特殊組分分級Table 4 Classification of special components of rock ＆ soil

評價巖土礦物顆粒間緊密程度的思路有3 種:( 1) 巖土顆粒間的相對緊密程度，( 2) 巖土顆粒間的絕對緊密程度，( 3) 具有某些特定物理力學性質的參數。目前，有許多概念和參數，如碎石土、砂土和粉土采用密實度，黏性土采用液性指數或稠度指數，巖石采用風化程度或軟硬程度來衡量巖土顆粒間的緊密程度。當采用密實度、液性指數、稠度指數、含水比、風化程度等參數來衡量礦物顆粒間的緊密程度時，由于是與“自身”的最密( 硬) 狀態和最松( 軟) 狀態進行比較，而每一類巖土均可無限細分出次一級巖土，因此，這個“自身”存在無窮多個變化，會導致這類參數的界限值不斷演變，各地區之間也會存在差異。標貫擊數、( 超) 重型動力觸探擊數、比貫入阻力、單軸抗壓強度等反映巖土強度的參數和試驗方法難以覆蓋整個巖土地層系列。表征碎石土、砂土和粉土密實度的參數有相對密度、標貫擊數、( 超) 重型動力觸探擊數、比貫入阻力、孔隙比等。黏性土和巖石一般采用軟硬程度來表征礦物顆粒間的緊密程度，黏性土采用液性指數、稠度指數、含水比，標貫擊數，重型動力觸探擊數、比貫入阻力等表征其軟硬程度，巖石采用單軸抗壓強度或風化程度進行堅硬程度分級。

2.2.1 巖土孔隙的定義

巖土孔隙定義為巖土礦物顆粒內部及礦物顆粒之間被真空、氣體、重力水、毛細水或結合水充填的空間部分。

2.2.2 巖土孔隙的類型

一切多晶體材料均具有孔隙，巖石是多晶體材料中缺陷最多的一類物質，巖石除孔隙外，還發育有各種成因的裂隙，各類巖土均有其孔隙結構特征。如火山巖孔隙類型有裂隙和孔洞兩種類型，裂隙有次生的風化裂隙、構造裂縫、節理縫等，孔洞有原生的礫( 粒) 間孔、氣孔、結晶作用形成的晶間孔、溶解作用形成的次生溶蝕孔( 粒間溶孔、基質溶孔、晶間溶孔、鑄模孔、溶蝕氣孔、沿縫溶孔) ( 于英太，1988) 。碳酸鹽的孔隙結構特征較復雜，按大小可分為隱孔、顯孔和晶孔; 按孔隙形成時間可分為原生孔隙: 粒間孔隙、遮蔽孔、粒內孔、生物骨架孔隙、生物鉆孔孔隙、鳥眼孔隙和次生孔隙: 粒內溶孔、鑄模孔、粒間溶孔、晶間溶孔、溶孔、溶洞、溶溝等( 成都地質學院巖石教研室，1978) 。泥頁巖中的黏土礦物以3～100 nm 孔隙為主，其中，蒙脫石黏土巖以3～6 nm 孔隙為主，伊蒙混層黏土巖為3 ～6 nm 和20～70 nm 孔隙共存，高嶺石、綠泥石和伊利石黏土巖以20～70 nm 孔隙為主( 吉利明等，2014) 。

2.2.3 各種巖土的孔隙率

孔隙率定義為巖土中的孔隙體積占巖土總體積的比值，常以百分比表示。

等徑球狀顆粒的孔隙率介于25.95%～47.64%之間，但巖土顆粒一般為非等徑、非球狀顆粒，且顆粒之間可以相互不接觸，在壓實固結和伴隨新生礦物形成的成巖過程中，孔隙率不斷降低，因此，巖土孔隙率變化范圍更寬廣( 圖1) 。各類巖土的最大單軸抗壓強度σ 與孔隙率n 關系可視為上界包絡線( 形如σ=ae－b，e=n/( 1－n) ，其中，e 為孔隙比，n 為孔隙率，a、b 為與巖土地層固有性質相關的系數) ，巖土的最小( 無側限) 抗壓強度與孔隙率關系可視為下界包絡線。當各類巖土地層的數據樣本增加時，圖1 中的上、下界包絡線均可向外拓展。

圖1 各類巖土單軸抗壓強度與孔隙率的關系Fig. 1 Relation between uniaxial compressive strength and porosity of various types of rock ＆ soil

沉積巖隨著埋深的加大，上覆壓力和溫度越來越加大，孔隙率迅速減小。當埋深進一步加大時，顆粒接觸點處的礦物開始溶解結晶形成新的礦物，孔隙率進一步減小。Lapinskaya 和Proshlyakhov 在20世紀70 年代給出過前高加索區和前里海坳陷中的砂質－粉砂質巖石和黏土質巖石孔隙率和埋深間的關系，第四紀－寒武紀時代沉積的各類巖土孔隙比與上覆壓力呈對數關系( Herman et al.，1984) 。

侵入巖的孔隙率一般為0.2%～2.0%，噴出巖、火山碎屑巖、變質巖的孔隙率變化較大，介于沉積巖與巖漿巖之間，殘積土與風化巖的孔隙率介于土與母巖之間。

2.2.4 巖土孔隙的分級

孔隙率是表征巖土顆粒之間緊密程度的內在因素和絕對指標，也是推論各類巖土物理力學性質指標的重要物質基礎之一。我們推薦采用孔隙率或“致密度”替代原有的“密實度”或“軟硬程度”等概念來反映巖土顆粒間的緊密程度，將巖土致密度分為致密、疏松、密實、松散、泡沫狀和孔洞6 大類，共18 級( 表5) ，部分致密度分級名稱仍沿用了習慣采用的密實度分級名稱，但內涵已有所不同。

2.3 巖土含水狀態的通用分類

巖土含水狀態定義為巖土孔隙的飽水程度，可采用飽和度Sr或含水率nw來衡量( Alfreds R.Jumikis，1983) 。巖土飽和度定義為巖土孔隙中水的體積與全部孔隙體積的比值，常以百分比表示。

式中，Vw為巖土孔隙中水的體積; Vv為巖土的全部孔隙體積; ω 為巖土天然含水量; ωsat為巖土飽和含水量。

根據巖土飽和度可對巖土的含水狀態進行分級( 表6) 。

含水率nw定義為巖土孔隙中水的體積與巖土總體積的比值，常以百分比表示，是一個可直接測量的指標。

含氣率na定義為巖土孔隙中氣體( 或真空) 的體積Va與巖土總體積的比值，常以百分比表示。

3 巖土地層

3.1 地層的定義

分布在地殼表層的第四紀松散地層在巖土工程實踐中占有重要的地位，在陸地分布厚度一般數米至數百米，在渤海、南海和沖繩海槽盆地等海域可達數百米至3000 m 以上( 夏倫煜，1988; 李乃勝等，1998; 徐杰等，2004; 藍先洪，2005) 。從巖性分布來看，硅酸鹽占地殼總重量的90%以上，沉積巖覆蓋了大陸表面積近75%，泥質巖約占沉積巖總量的50%( A.Ф. 雅庫紹娃等著，何國琦等譯，1995) 。

《中國地層指南及中國地層指南說明書》定義地層為具有某種共同特征或屬性的巖石體，能以明顯界面或經研究后推論的解釋性界面與相鄰的巖層和巖石體相區分。《國際地層指南》定義地質學的地層為以某種巖石特征或屬性區別于相鄰巖層的一個巖層。

表5 根據孔隙率或孔隙比劃分的巖土致密度分級Table 5 Classification of compactness of rock ＆ soil according to porosity or void ratio

表6 巖土含水狀態的分級Table 6 Classification of moisture content of rock ＆ soil

2012 年9 月21 日中國地質調查局和全國地層委員會發布了《中國地層表》( 征求意見稿) ，以后又繼續修改并發布了《中國地層表》( 試用稿) ，第4 屆全國地層會議討論通過后的《中國地層表》于2014年批準正式推出( 章森桂等，2015) 。《中國地層表》應作為研究巖土歷史的時間標尺、巖土分類的基礎資料和巖土地層評價的基本工具。

3.2 地層時代

根據最新版《中國地層表》，地層的地質時代劃分為3 宙、11 代、19 紀、39 世、92 期。在不考慮地質構造、風化作用等因素擾動的情況下，同一時代的同一地層可大致定性其物理力學性質，地質時代更老地層的工程性質一般好于同類年輕的。地質構造作用和風化作用可在孔隙率和顆粒名稱等的差異上體現。不同時代的地層，其形成先后順序不同，上下空間關系不同，對分析斷裂、褶皺等地質構造有所幫助。

3.3 地層成因

根據《中國地層指南及中國地層指南說明書》，地層成因包括沉積巖( 包括固結的、未固結的沉積物) 、變質巖和巖漿巖，這里的地層未區分巖土。沉積巖可進一步細分，如陸相第四紀地層的成因有:風成、水成( 河流:沖積、洪積、泥石流、冰水堆積物; 湖沼沉積:泥沙、泥炭、膏鹽、硅藻) 、冰川成( 冰漬物和冰緣) 、洞穴堆積( 巖溶) 、生物堆積( 泥炭、硅藻、鳥糞) 、火山堆積( 火山碎屑、火山灰和熔巖等) 。海相地層的成因有:物理沉積( 泥沙) 、化學沉積( 碳酸鹽等) 、生物沉積( 珊瑚、硅藻) ( 劉嘉麒等，2000) 。各類地層均可細分出殘積土和風化巖。《工業與民用建筑工程地質勘察規范》( TJ21-77) 附表15 曾列出20 種第四紀土層的成因，在此基礎上允許增加復合型成因類型。沉積巖的成因劃分過細會導致在某些情況下難以區分，可簡化為水成、風成、重力堆積、生物堆積、冰水堆積和成因不明6 大類，在此基礎上可進一步細分，當存在多種成因時，宜以其主要成因命名。變質巖和巖漿巖的成因也可根據需要進一步細分，如變質巖可分為區域變質巖、熱接觸變質巖、動力變質巖等，巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖等。另外，人工巖土宜單獨劃分，可分為天然巖土的人工填土、雜填土、人工構筑物等。不同成因的巖土可大致推斷其空間分布規律。

3.4 巖土地層的定義

單個巖土地層定義為具有相同的時代成因和相同的特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和飽和度的地層。

廣義來說，“相同的”含義是指時代、成因、特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和飽和度的變化范圍相同，視工程需要或研究目的不同而定，這個“變化范圍”可寬可窄。狹義來說，“相同的時代”是指同一期的地層，“相同的成因”是指屬于14 種成因之一，“相同的特殊組分”是指表4 中特殊組分的含量等級及其組合相同，“相同的巖土顆粒大小”是指累計含量大于50%的粒組名稱相同，“相同的致密度”是指表5 相同等級的致密度，“相同的飽和度”是指表6 相同等級的飽和度。

3.5 巖土地層的可對比性原則

當兩個巖土地層同時具有相同的時代成因和相同的巖土顆粒大小、特殊組分、致密度和飽和度時，一般情況下，可以認為這兩個巖土地層的工程物理力學性質是相似的，是可以進行對比的。

4 標準巖土地層序列

標準巖土地層序列定義為一個地區內某個地質時代、某種成因類型的完整巖土地層序列。

巖土地層的時代成因反映巖土形成環境和時空變化的一般規律，可視為巖土地層序列的“經”或宏觀特征，巖土地層名稱可視為巖土地層序列的“緯”或中、微觀特征，兩者共同構成巖土地層序列的“經緯”。巖土地層名稱按照時代( 5 位數) +成因( 2 位數) +飽和度( 1 位數) +致密度( 2 位數) +特殊組分( 4 位數) +巖土顆粒名稱( 3 位數) 確定巖土地層的全稱( 表7) ，并采用17 位數字定義各類巖土地層的序號。

如果不考慮巖土地層的時代成因、特殊組分和含水狀態，則僅有221 種巖土地層; 如果考慮巖土的特殊組分、巖土顆粒大小、致密度和含水狀態因素，但不考慮巖土地層的時代成因，理論上存在26520 種巖土地層; 當考慮時代成因和巖石學名稱時，巖土地層總數可達千萬級數量以上。

表7 標準巖土地層序號排列規則Table 7 Numbering rules of standard rock ＆ soil strata

建立一個地區內各時代成因的標準巖土地層序列是巖土地層大數據庫的重要基礎，可以使得巖土地層名稱與其工程物理力學性質指標能在一個較小的范圍內大致匹配，從而有利于同一地區內和不同地區之間巖土數據的比較和巖土大數據庫的建立。

5 結 論

( 1) 本文給出了巖土地層和標準巖土地層序列的一種定義。

( 2) 本文提出采用巖土顆粒大小、組成和特殊組分進行巖土顆粒的通用分類，采用孔隙率衡量巖土顆粒之間的絕對緊密程度，采用飽和度衡量巖土的含水狀態。

( 3) 建議《土的分類標準》、《勘察規范》適當擴充粒組，覆蓋更廣泛的巖土顆粒粒徑及其工程特性，細化巨粒土、細粒土的分類方案。