土骨架的新概念與沿海軟土及海洋土的結構

蒙理明，張 風

(海南科技職業大學，海口 571126)

我國學者一直在探討沿海軟土及海洋土的結構。如1984年，高國瑞[1]分析了中國近海海相沉積物的物質成分、 微結構及與工程性質的關系。2002年，孔令偉等[2]對瓊州海峽海口海域一種軟土的基本特性進行了室內試驗研究。其物理性質很差，按土質分類為淤泥；其不良工程特性是由其礦物成分、有機質含量、物理化學性質、微觀形態、孔隙結構以及土顆粒間的排列方式所決定的。2004年，拓勇飛等[3]研究表明，湛江軟土是以陸相沉積為主的河控三角洲相(即海陸交互相)沉積層；膠結作用是該土具有較高的結構強度的根本原因，其強結構性形成機理與當地廣泛發育的紅土極為相似。

2016年，李廣信[4]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學的新概念改善和細化了土骨架理論[5]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結合水；接觸(點或面)；聯接(收縮膜，公共結合水膜)”。還用土骨架的新概念分析了土的動力特性[6]、黃土的微結構[7]、膨脹土的結構[8]。

1990年，高國瑞[9]指出，沿海軟土按結構特征和經常遇到的空間排列組合，分成4種主要微結構類型：1)粒狀膠結結構，通常判定為“輕亞黏土”或“粉質粘性土”。2)粒狀鏈接結構，通常判定為“淤泥質亞黏土”。3)絮狀鏈接結構，通常判定為“淤泥”。4)粘土基質結構，通常判定為“淤泥質粘土”。

我國《建筑地基基礎設計規范》[10]GB5007—2011涉及的沿海軟土和海洋土有：粉土、粉質黏土、淤泥質土(淤泥質粘土和淤泥質粉質粘土)、淤泥、粘土、砂土。對應規范的這些土給出具體的結構形式，有較大的參考價值。下面，結合土骨架的新概念，進行分析。

1 粉(砂)粒與粘粒接觸

圖1是粉粒與粘粒接觸的示意圖。在非飽和土中，首先存在收縮膜，另外粉粒的潤濕部位，帶有吸附水，緊連的是粘粒的結合水膜，所以，粉粒與粘粒之間有膠結。在飽和土中，收縮膜消失，另外注意吸附水和結合水膜有自由水隔開，所以，粉粒與粘粒之間沒有膠結。沿海軟土與海洋土，通常地下水位很淺，多是飽和土，粉粒與粘粒之間沒有膠結。

2 粉 土

我國標準[11]第3.0.2條規定，以粒徑d(mm)劃分：0.075

3 粉質黏土

我國規范[10]第4.1.9條規定，塑性指數10

飽和粉土過渡到粉質黏土，粘粒不斷增加，網兜不斷壯大變為網殼，粉粒不斷減少，粉粒再也無法撞破粘粒網殼而漂浮形成液化。但量變到質變， 有可能由發散轉向收斂，成為震陷性軟土。我國規范[12]第4.3.11條規定：“飽和粉質黏土震陷的危害性和抗震陷措施應根據沉降和橫向變形大小等因素綜合研究確定，8度(0.3g)和9度時，當塑限指數小于15且符合下式規定的飽和粉質黏土可判定為震陷性軟土。WS?0.9WL，IL?0.75。式中，WS為天然含水量；WL為液限含水量，采用液、塑限聯合測定法測定；IL為液性指數”。可以這樣理解，塑性指數較小，指粘粒數量還達不到形成較多結合水，通常認為液限是土體出現自由水的界限。WS?0.9WL，IL?0.75，指孔隙比較大，且有自由水，大量存在于微結構單元之間的大孔隙中，如圖4(a)所示。粘粒之間主要以外層弱結合水膜聯接，粘粒網殼群很容易滑動。地震時，群被結合水膜拉著不容易發散，收斂時微結構單元錯位，擠出大孔隙中的自由水，如圖4(b)所示，粘粒之間結合水膜收緊，形成內層弱結合水膜還有接觸處少量強結合水膜聯接。土體體積縮小震陷。

4 淤泥質土

我國規范[10]第4.1.12條規定，在靜水或緩慢流水環境中沉積，并經生物化學作用形成。…當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的黏性土或粉土為淤泥質土。因此，淤泥質土包括淤泥質粉質黏土、淤泥質粉土和淤泥質黏土。

4.1 淤泥質粉質黏土

淤泥質粉質黏土為圖5的粒狀鏈結結構。微結構單元與粉質黏土區別不大，主要有帶粘粒網殼的較大粉粒、少量的集粒和極少的純粉粒；但之間的連接區別很大，由于微結構單元的平均中心距大于單元的直徑，所以由鏈條連接(主要由粘粒組成)，這些鏈條長短不一，短鏈尚可承受一定的應力，而長鏈只能承受微弱的拉力和扭力[1]。這種土平常就是軟土。如建筑物重力作用時，主要靠短鏈和自由水浮力承受重力，長鏈只起微弱的拉結作用。地震時比粉質黏土更容易震陷。其震陷的方式除了錯位外，還有鏈、尤其是長鏈的破壞，微結構單元間距收小。對此，我國規范[12]第4.3.12條規定“地基主要受力層范圍內存在軟弱黏性土層和高含水量的可塑性黃土時，應結合具體情況綜合考慮，采用樁基、地加固處理或本規范第4.3.9條的各項措施，也可根據軟土震陷量的估計，采取相應措施”。

4.2 淤泥質粉土

淤泥質粉土如圖6所示，具有粒狀細鏈結結構。由圖2(b)的粘粒網兜群骨架，粉粒拉開相互之間的距離得到。由于其粘粒含量低，所以粉粒的包皮是網兜，其連接鏈也較細長，極少有短鏈。這種土平常也是軟土。雖然我國規范[12]未提及，但受到地震力發散時，其細小的鏈非常容易拉斷，粉粒漂浮，所以也是很容易液化的土，開挖時會有流沙。

4.3 淤泥質黏土

淤泥質黏土如圖7所示，有兩種類型。第一種是圖7(a)的絮狀鏈接結構，粘土含量和有機質含量很高，組成致密絮和開放絮，加上極少的粉粒，由鏈條拉結形成。第二種是圖7(b)的開放式粘土基質結構，先由粘土顆粒聯接成粘土疇[1]，粘土疇再凝聚(或疊聚)成粘聚體[8]，粘聚體再凝聚成更大范圍的粘土基質[1]，偶爾有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基質中。圖中粘聚體之間通常比較疏松，是邊-面-角連接形式，存在許多大孔隙且貫通開放排列。很顯然，這兩種土平常也是軟土。天然孔隙比和含水量都很大，是高壓縮性土，也即上述我國規范[12]指的軟弱粘性土。地震時，其微結構單元輕柔，振動程度沒有粉粒那么大；但在高壓水流之下，連接很容易破壞，且開放絮、粘聚體很容易擠出弱結合水；加上上覆土重或還有建筑物重力作用，收斂加上錯位，會產生很大的震陷。

5 淤 泥

我國規范[10]第4.1.12條規定，淤泥為在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成，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。

淤泥同樣具有圖7的兩種結構形式，即圖7(a)的絮狀鏈接結構，如海口某海域的軟土[2]；還有圖7(b)的開放式粘土基質結構，如湛江地區結構性軟土[3，14]。由于其天然含水量和天然孔隙比更大，所以其公共結合水膜的聯接更弱，微結構單元之間的距離更大，連接更細長。與淤泥質土相比，平常更軟，地震時震陷更大。

應該注意的是，淤泥和淤泥質粘土的滲透性都較低[2-3]。原因是在靜水環境下，其孔隙中自由水并不多，有粘滯性很強的弱結合水膜，還有有機質。

6 粘 土

對比圖7(b)的開放式粘土基質結構，粘土中的粘聚體[8]以面-面疊聚形成致密式粘土基質結構(圖8)， 偶爾有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基質中[1]。這種土的粘聚體通常土顆粒數量較多，比較緊密，包含了不少主要由強結合水充滿的孔隙，粘聚體之間又是疊聚的緊密方式。所以含水量也少，公共結合水膜聯接也強。沿海粘土在平常及地震時一般都不是軟土，一般埋藏在土層中部或深部，是很好的持力層。按我國規范[12]表4.1.3規定，其在地震時屬于中硬土。在基坑中，粘土強度高、剛度和水穩性好；還常作為隔水層，決定止水結構的深淺。

7 砂 土

7.1 普通砂

砂土一般是圖9的粒狀接觸結構。其中，細粒一般含有粘粒及很細的小粉粒。沿海砂土常處于飽和狀態，一般細粒的含量不足以形成細粒網兜，所以細粒只是砂粒之間的潤滑劑[6]。我國規范[10]表4.1.7按粒組含量將其分為礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂共五類；表4.1.8按標準貫入錘擊數將其密實度分為松散、稍密、中密、密實4種。沿海砂土常在土層的上部及中部，之所以常有些稱為軟土，主要是密實度小的砂土地震時會液化，開挖施工時會有流沙。其道理如同圖2(a)的少粘粒粉土。

7.2 海灣相有機質浸染砂

海南省沿海地區分布著一種特殊的有機質浸染砂，衛宏、杜鵑等[15-17]做了多年的研究工作。這種砂的特點是有機質包裹了砂(粉)粒及其一些小細粒，然后通過接觸形成粒狀接觸結構。某試驗用的有機質浸染砂的情況：粉細砂，飽和，中密，黑灰-灰色，含云母、石英；顆粒組，粒徑0.25 mm

8 結 論

用土骨架的新概念，對沿海軟土與海洋土的結構進行分析，得到以下結論：

a.對應我國《建筑地基基礎設計規范》[10]GB5007—2011，給出了粉土、粉質黏土、淤泥質土、淤泥、粘土、砂土的結構形式。

b.粉土分為少粘粒和粘粒網兜群骨架兩種結構，后者不容易液化。

c.粉質黏土為粒狀聯接結構。粘粒較少、孔隙比大、自由水較多的粉質黏土容易震陷。

d.淤泥質土分為3種，平常就是軟土。淤泥質粉質黏土為粒狀鏈結結構，容易震陷；淤泥質粉土為粒狀細鏈結結構，容易液化；淤泥質黏土分為兩種類型，絮狀鏈接和開放式粘土基質結構，容易震陷。

e.淤泥是比淤泥質黏土更軟的土，平常就是很軟的土。同樣有兩種類型：絮狀鏈接和開放式粘土基質結構，很容易震陷。

f.粘土為致密式粘土基質結構，是很好的持力層，在地震時屬于中硬土。在基坑中，粘土強度高、剛度和水穩性好；還常作為隔水層。

g.砂土一般是粒狀接觸結構，密實度小的砂土容易液化。

h.海灣相有機質浸染砂的特征是，有機質包裹了砂(粉)粒及其一些小的集粒，然后通過接觸形成粒狀接觸結構。該粒狀接觸結構的接觸部位，無聯接能力；并且接觸被有機質及有機質包裹的細粒軟化，總的抗剪能力比普通砂土弱很多。

i.粉粒與粘粒接觸時：在非飽和土中，粉粒的潤濕部位，帶有吸附水，緊連的是粘粒的結合水膜；在飽和土中，吸附水和結合水膜有自由水隔開。