油新华1 何刚1 李晓2
（1.北京城建集团地铁工程指挥部 北京 100025
2.中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029）
摘要 在对三峡库区蓄水边坡进行工程地质调查的基础上，正式提出了土石混合体的概念，并据此进行天然地质体的统一工程分类，将地质体分成了岩体、土石混合体、土体三大类。详细介绍了土石混合体分类的方法、指标的确定、优缺点以及与其他方法的比较，最后给出了两个工程实例。
关键词 土石混合体 工程分类
1 土石混合体概念的提出
在对三峡库区白衣庵滑坡的工程地质调查以及对三峡其他滑坡［1～2］进行资料收集的过程中，遇到了大量由滑坡、崩塌、岩溶等组成的复杂成因的第四纪松散堆积体。这些堆积体，主要由滑坡积物、残坡积物、崩坡积物、冲洪积物、泥石流、碎屑流、强风化物等物质组成，物质成分以土夹碎石或碎块石、碎石或碎块石夹土等土石混合物为主，结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强。它既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体，在此提出了土石混合体的概念［3］。
土石混合体在边坡工程、水利工程、地基工程中的大量存在，给工程实践和理论研究提出了一个新的课题。为了弄清这些物质的本质以及它们的物理力学性质，必须对它们进行工程地质的定性，即必须在工程地质分类体系中找到它们的位置。但是在以前的分类体系中［4～6］，有的缺失这种物质，有的定义不明显，有的混杂在其他物质中，给研究带来了极大的不便，所以应该制定一种新的分类体系，以便对其进行研究时，制定合理的研究内容、试验项目和方法。
2 土石混合体的工程分类
2.1 分类方法
首先根据物质组成即根据材料中含有的土与石的数量将之分成三大类：土体、土石混合体、岩体。土体中只含有土（soil），土石混合体中既含有土又含有石（stone or corestone），岩体中只含有石（rock）（石的标准与粒度界定见下文）。然后对于每一大类，再进行次一级的分类。对于岩体或土体，可以参照以前的分类标准，这里不做进一步的探讨。对于土石混合体，则根据其中含石量（t）将之分成石质土（＜25%）、混合土（25%≤t＜70%）、土质石（≥70%）。由于影响岩、土材料性质的因素比较多，所以在此基础上还要进行三级划分。对于土石混合体中的土质石、石质土和混合土来说，不但含石量对其性质有很大的影响，而且所含砾石或块石的颗粒形状与级配以及土体的物理特性对其力学性质也将产生极大的影响，例如土石混合体的透水性、渗透稳定性、毛细管性与压实性等都在很大程度上取决于粒度和级配的特征以及所含细粒土体的性质。因此在三级划分中应根据颗粒形状与级配以及所含的砂土、粉土、粘土的成分进行划分。
2.2 分类体系
根据以上的方法，对土石混合体进行了工程分类，分类体系见图1，图中符号意义见表1。
图1 土石混合体工程分类
表1 土石混合体工程分类符号
注：除土石混合体（Aggregate），含石量低（Low）、中（Middle）、高（High）的符号是由作者自己定义外，其他符号全部按照国际惯例或国家标准（GBJ145—1994）确定。
2.3 体系评价
此方法的主要特点是以材料的物质成分为主线、粒度组成为辅线、物理力学性质为补充，较好地符合了岩土工程分类的基本原则，充分体现了来源于实践、服务于实践的指导思想。
2.3.1 指标界定
（1）土与石粒组界限值的确定：在土石混合体分类中，需要使用砾石的百分含量。在此规定砾石粒径界限值为5 mm。主要是因为，虽然2 mm是我国传统采用的粒组的原定界限值，也是国际普遍采用的标准，但是国内也有单位采用5 mm作为砾石粒径界限的，其最主要的好处是统计比较方便。而且试验证明，对均质土就粒度与力学性质的关系而言，以2mm或以4.76mm为界并无明显差异［7］。同时根据大量资料与经验，在天然土料中，2～5 mm范围内的土粒通常只占百分之几，数量甚微，因此，以2 mm或5 mm界限值计算砾石粒的含量出入不大。
（2）石质土、混合土、土质石粒组界限值的确定：许多试验资料表明，砾石含量对土的抗剪强度起显著影响的数值大致是20%～30%。含石量低于此值时，砾石含量在土料中只起填料作用，形不成骨架，故对土的抗剪强度影响甚微。但当含石量超过25%时，砾石与土将联合起作用，显示混合土的特征。土的抗剪强度随着含石量的增加而急剧地增大，大致成直线关系（图2）。砾石含量对土的渗透性的影响亦反映这一规律（图3）。但当含石量超过70%时，砾石起完整骨架作用，此时，土石混合体的性质主要取决于砾石［7］。因此，以25%、70%为界限，将土石混合体划分成石质土、混合土、土质石三种子类型。这三种子类型的物理力学性质表现出不同的特征。
图2 抗剪强度与砾石会计师的关系［7］
图3 渗透系数与砾石含量的关系［7］
（3）土石混合体中级配界限值的确定：这里所指的级配指标与平常意义上的不一样，而且针对不同的子类型其定义也不同。对于石质土和混合土，主要考虑砾石形状的影响，所以规定当砾石为圆形或亚圆形时，为级配良好；当呈棱角状时为级配不良。对于土质石，由于砾石已经形成完整骨架，所以要统计砾石的级配。测试方法也采用筛分法，只是要采用特殊的钢筛子，根据我国粒组划分方案中关于砾石、卵石粒度的界定［20］以及现场统计的经验初步选定筛子的直径分别为1cm、2cm、6cm、10cm、14cm，但不均匀系数Cu和曲率半径Cc的定义和其他的一样。而且其限定值的确定也与其他的一样，即当不均匀系数Cu≥5，曲率半径Cc＝1～3的条件同时满足时，称为良好级配；其他情况称为不良级配。
（4）砂质、粉质、粘质的界定：在土石混合体的三级划分中，主要指标是其中所含的土的物质成分，这主要是因为所含细粒的成分决定着其亲水性和粘聚力。若所含的砂土分别超过其他两种，则称为砂质，若所含的粉土超过其他两种，则称为粉质，否则称为粘质。
2.3.2 与其他方法的比较
土石混合体工程分类法是在现场调查的基础上，听取多个专家的意见后提出的，它吸取了以前多种分类法的优点。和其他方法相比，主要在以下方面做了调整：
（1）在土与石的划分中，将粒径小于5mm的砂粒归结为土的一种，这主要是由于砂土和粉土的性质没有什么本质上的区别，只是粒径上人为的划分。所以从土石混合体的角度来讲，将砂土也归结为土体的一种是有其合理性的。
（2）Dearman［8］在对风化岩土的分类中，虽然也将其分成了soil，soil ＆ rock，rock三大类，但是他将凡是含有corestone的都划分为soil ＆ rock，并根据里面含有corestonede多少（50%）将之分成了两类，很显然这只是简单地从含量上的划分，而没有考虑它们性质上的迥然不同。另外在土石混合体的划分中，采用Little［9］的做法（图4），即把含石（corestone）量小于10%的砾石土也划分为土体的一种，这是有很大的工程意义的。当含石量低于10%时，砾石在其中的影响非常小，可以将之看成均质体；当含石量大于90%时，可以把它看成节理岩体。
图4 风化岩残坡积物工程分类表［9］
（3）在以往的分类中，每一类的名称都可以用一定的符号来表示，但是不太规范，而且也不符合我们中国人的习惯。在此重新规定了命名的方法：根据中心词和修辞语的前后关系以及多级分类标准的从属关系，规定将第一级类别的名称放在最后，次一级的放在之前，依此类推。如WCLA，W代表级配良好，C代表粘土或粘质，L代表含石量低，A代表土石混合体，所以WCLA称为良好级配粘质石质土。
2.3.3 优缺点
土石混合体工程分类法具有以下优点：
（1）它既反映了岩、土体的物质组成，又反映了岩、土体的物理力学性质，另外还在一定程度上反映了物质的成因类型；
（2）此分类体系逻辑性强，条目清楚，符号容易记忆和应用；
（3）它保留了其他方法的合理之处，便于与它们之间的衔接以及与国际接轨；
（4）它把自然界中大量出现的土石混合体单独划分出来，便于对它进行理论上的探讨和技术方法上的研究。
一种新的分类法的提出必定会出现这样和那样的问题，它需要在工程实践中不断地进行完善和提高。从现有的情况来看，这种分类方法主要存在如下一些问题：
（1）由于国内外土石混合体方面的资料比较少，所以还没有足够的数据来验证这个体系的严密性；
（2）在分类体系中，还缺少各类岩、土体特别是常见的工程地质问题以及研究、防治相应问题的理论、方法和措施。
（3）在土石混合体的类型中，缺少一个能反映此种类型的物质强度好坏和稳定性的综合指标，以便能直接应用于生产实践。
3 工程应用
对白衣庵滑坡进行现场调查时，在沿江公路三号桥上方坡积层、钟家沟采石场右方坡积层、滑坡西缘的滑带附近进行了土石混合体野外剪切试验［10］，并对前两个试样进行了级配统计与含石量计算。现在就利用这种分类法对其进行工程地质分类，判断其属于哪种类型。
（1）沿江公路三号桥上方的坡积层，里面主要是砂质粉土的坡积土，内含形状各异的姜石，多呈亚圆形，少数为灰岩、泥灰岩块。其颗粒组成见表2。由表中数据可知此种土石混合体的含石量为59.25%。因姜石呈亚圆形，属级配良好。所以该类土石混合体属于级配良好粉质石土混合料（WMDA）。
表2 沿江公路三号桥上方的坡积层颗粒组成
（2）钟家沟采石场右方坡积层，主要成分也是粉质坡积土，只是里面所含的块石多为灰岩、泥灰岩块。其颗粒组成见表3。从表中可以看出此类物质的含石量为66.2%，应属于混合土。又因砾石块体多为棱角状且表面光滑，属不良级配。所以该类土石混合体属于不良级配粉质石土混合料（PMDA）。
以上两类土石混合体虽然含石量相差不大，而且所含的土性质也相同，但是由于其砾石的级配性质不同，形状也不相同，导致了其力学性质有明显的不同。由野外剪切实验的结果可知：第一种材料的粘聚力C为51kPa，内摩擦角为45°；第二种材料的粘聚力C为32kPa，内摩擦角为23.3°。即级配良好的材料力学性质要优于不良级配，这也从另外一个方面反映了本文提出的分类法的合理性和实用性。因此，可以根据此分类法来划分某一类型的材料，然后指导具体的工程实践。
当然，上述分类系统由于没有足够的现场背景资料和工程应用资料，仍有很多不足，今后需要不断补充与完善。
表3 钟家沟采石场右方坡积层颗粒组成
致谢 在本文的写作过程中，得到了许多现场和科研机构工作人员的大力协助，在此向他们特别是中国水文地质工程地质勘查院的殷跃平总工，中国科学院地质与地球物理研究所的张年学研究员、曲永新研究员表示衷心的感谢！
参考文献
［1］长江委综合勘测局.长江三峡工程库区奉节县白衣庵滑坡治理规划阶段工程地质勘察报告，1999.12
［2］中国地质大学（武汉）工程学院，长江委综合勘测局.长江三峡水利枢纽库区奉节县白马小区迁建城镇新址工程地质论证报告，1999.9
［3］油新华.土石混合体的随机结构模型及其应用研究.北方交通大学博士学位论文，2001.12
［4］交通部公路土工试验规程（JTJ051—85）土的基本分类.土102 -85。北京：人民交通出版社，1986
［5］铁道部铁道工程土工试验方法（TBJ102—87）.土的分类及其性质的划分.北京：中国铁道出版社，1988
［6］建筑地基基础设计规范（GBJ145—94）.北京：中国建筑工业出版社，1995
［7］罗国煜，李生林.工程地质学基础.南京：南京大学出版社，1990
［8］ Dearman WR.Description and classification of weathered rocks for engineering purposes：the background to the BS5930：1981 proposals.Quarterly Journal of Engineering Geology，1995，28：267～276
［9］ Little.Engineering classification of residual tropical soils.Proceedings of the 7th sinternational conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering Mexico.1969.1 1～10
［10］油新华.土石混合体的野外水平推剪试验研究.岩石力学与工程学报，2002，21（6）