工程地质学

粘土在我国不同区域分布的岩土工程特性
摘要：由于形成条件、形成年代、组成成分、应力历史不同，土的工程性质具有明显的区域性。

广阔的中国大陆上分布着各种各样的土，北部的黄土、南部的红土、中部的老粘土以及东南近海的海洋软土(包括沿海的软土)。

本文将以区域性不同土为依据，阐明我国不同区域土的工程性质的特性以及分析其差异性形成的原因。

前言
我国大地上分布着各种具有地区特点的区域性土，其中最主有特色的是黄河以北的黄土、长江以南的红土、黄河长江之间的老粘土（胀缩性粘土和非胀缩胀性的下蜀粘土）以及东南沿海的海洋土。

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。

但这些土是怎么形成的，为什么有明显的区域性，则它们与本地区的气候条件、其形成年代、组成成分、应力历史都密切相关。

本文将对各类“区域性土”的分布和工程特性形成以及影响因素加以简单介绍。

1 粘土及其工程特性的介绍
土是由固体（矿物、岩石碎屑）、水和气体组成的质地较松散的三相地质集合体。

固体颗粒、水和气体之间的比例关系随着周围条件的变化而变化。

土固体颗粒的大小、成分及三项之间的比例关系，反映出土的不同性质，如干湿、松密、轻重、软硬等等。

土的工程特性主要包括土的物理性质、土的水理性质以及土的力学性质。

其中，土的物理性质是指土体的成分、结构、可塑性和击实性等方面的特征。

而表征这些物理性质的指标多种多样，如：天然重度、干重度、含水量、孔隙度、含水比、相对密度、最大干密度等等。

土的水理性质是指土的渗透性、吸水或失水的胀缩性、浸水时的软化性和在水中的可溶性等方面的特征。

土的力学性质是指土在力的作用下变形和破坏特性，通常用压缩系数、压缩模量、变形模量、泊松比、固结系数、粘聚力等指标来表示土的力学特性。

2 不同区域土为何具有不同的工程性质
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，这种土最常见，通常称之为一般粘性土。

可是，某些区域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。

如黄土的湿陷性，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。

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。

这主要是前者颗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。

3 土的形成过程及影响因素
不同的区域的土，它的具体形成条件和过程也是不同的。

其中有以下几个重要的影响因素：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。

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。

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。

4 不同区域土的工程特性举例
4.1 黄土黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物，主要呈黄色和褐黄色，颗粒成分以粉粒为主，天然黄土密度小、空隙率大、含水较小、塑性透水性较强、抗水性较弱，其最大的特性就是湿陷性，其在分布上：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。

根据其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。

4.2 红土红土是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性粘土。

其主要工程特性为：高塑性和分散性、高含水率、低密实率、强度较高压缩性较低、具有明显的收缩性、膨胀性轻微。

它广泛分布在我国云贵高原、四川东部、两湖和两广北部一些地区，是一种区域性特殊土。

但其不同区域性质也有所差异，如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，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。

4.3 海洋土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，主要表现为强度特低和压缩变形特大。

4.4 膨胀土膨胀土又称胀缩土，系指随含水量的增加而膨胀，随含水量的减少而收缩，具有明显的膨胀和收缩特性的细粒土。

其一般工程性质为具有较大的天然密度和干密度，含水量和孔隙率较小，其液限和塑性指数都较大，一般为超压的细粒土，压缩性小，抗剪强度一般都比较高，遇水后则显著降低。

其分布广泛，如我国云南、广西、贵州、湖北、湖南、等地分布较多。

5 结语
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，无法长驱直入东南沿海地区。

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。

从而造成了我国土的工程性质具有明显的区域性。