土的成因类型和工程性质

土的成因类型和工程性质_土木工程地质

2.1　土的成因类型和工程性质

按形成土体的地质营力和沉积条件，可将土体划分成若干成因类型，如残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土、湖积土、海洋沉积土和冰川沉积土、火山堆积土，等等。一定成因类型的土具有一定的沉积环境、具有一定的土层空间分布规律和一定的土类组合、物质组成及结构特征。但同一成因类型的土，在沉积形成后，可能遭到不同的自然地质因素和人为因素的作用，而具有不同的工程特性。

2.1.1　残积土

残积土是岩石经风化后未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而岩石风化后另一部分则被降水和风所带走。它的分布主要受地形控制。形成残积土要有适宜的地形，剥蚀平原是形成残积土最有利的条件。在接近宽广的分水岭地带或平缓的斜坡地带，由雨水产生的地表径流速度很小，风化产物易于保留，广泛发育了残积土体。

气候条件和母岩岩性是影响残积土物质成分的主要因素。不同地区的残积土，往往具有某种特定的粒度成分、矿物成分和化学成分。干旱地区以物理风化为主，其降雨量很小，缺乏使岩石发生水解或溶解的水分，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏黏土矿物，具有砾石类土的工程地质特征；半干旱地区，在物理风化的基础上会发生化学风化，使原生的硅酸盐矿物，如长石变成黏土矿物，使土中含有较多黏土矿物，另外，土中常含较多可溶盐类，对土的工程性质影响较大；气候潮湿地区易形成蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物，形成黏性土。

母岩的岩性影响着残积土的粒度成分和矿物成分。酸性火成岩多含长石等硅酸盐矿物，风化后，残积土含较多的黏土矿物；如石英含量较多时则形成砂土；中性或基性火成岩含抗风化能力低的矿物，易风化成黏性土；沉积岩大多是松软土经成岩作用后形成的，因而风化后往往恢复原有松软土的特点，如黏土岩风化成黏土，细砂岩风化成细砂土，砂砾岩风化成砂砾土，其颗粒的矿物成分与母岩相同。

残积土表部土层孔隙率大，强度低，压缩性高；其下部为夹碎石或砂粒的黏性土，或是孔隙为黏性土充填的碎石土、砂砾土，其强度较高。残积土的厚度在垂直方向和水平方向变化较大，在不易遭受水流冲刷的地方，如宽阔的分水岭及平缓的斜坡地带，厚度较大；反之厚度较小。由于其土层厚度、组成成分、结构以至其物理力学性质在很小范围内变化极大，均匀性很差，加上其孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降；在山坡的残积土分布地段，常有因修筑建筑物而产生沿下部基岩面或某软弱面的滑动等不稳定问题。

2.1.2　坡积土

坡积土是残积土经雨雪水的片流缓慢洗刷、剥蚀，及土粒在重力作用下顺着山坡逐渐移动形成的堆积物（见图2－1）。它一般分布在坡腰上或坡脚下，其上部与残积土相接。坡积土底部的倾斜度决定于基岩边坡的倾斜程度，而表面倾斜度则与生成时间有关，时间越长，搬运、沉积在山坡下部的物质越厚，表面倾斜度就越小。

坡积土的成分也受到气候的影响，其中降雨量和融雪量是重要因素。在半干旱地区易形成较厚的坡积土体；在潮湿气候条件下，由于植被发育，坡积土体的发育不如半干旱地区。坡积土体的粒度成分具有明显的分选性；靠近斜坡部分较粗，远离斜坡的地方较细；在其垂直剖面上、下部与基岩接触处往往是碎石土、角砾土，其中充填有黏性土或砂土，上部较细，多为黏性土。

图2－1　坡积土

由于土质（成分、结构）上下不均一，结构疏松，压缩性高，且土层厚度变化大，故对于建筑物，常有不均匀沉降问题。由于其下部基岩面与坡积土的分界面往往形成软弱面，工程易产生沿下卧残积层或基岩面滑动等不稳定问题。

2.1.3　洪积土

洪积土是由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流带来的碎屑物质在山沟的出口处或山前倾斜平原堆积形成的洪积土体（见图2－2）。山洪携带的大量碎屑物质流出沟谷口后，因水流流速骤减而呈扇形沉积体，称为洪积扇。离山口近处堆积了分选性差的粗碎屑物质，颗粒呈棱角状。离山口远处，因水流速度减小，沉积物逐渐变细，由粗碎屑土（如块石、碎石、粗砂土）逐渐过渡到分选性较好的砂土、黏性土。洪积物颗粒虽有上述离山远近而粗细不同的分选现象，但因历次洪水能量不尽相同，堆积下来的物质也不一样，因此洪积土常具有不规则的交替层理构造，并具有夹层、尖灭或透镜体等构造。相邻山口处的洪积扇常常相互连接成洪积裙，并可发展为洪积平原。洪积平原的地形，坡度平缓，有利于城镇、工厂建设及道路的建筑。

洪积土作为建筑物地基，一般认为是较理想的，尤其是离山前较近的洪积土颗粒较粗，地下水位埋藏较深，具有较高的承载力，压缩性低，是建筑物的良好地基。在离山区较远的地带，洪积土的颗粒较细、成分较均匀、厚度较大，一般也是良好的天然地基。但应注意的是上述两地段的中间过渡地带，常因粗碎屑土与细粒黏性土的透水性不同使地下水溢出地表而形成沼泽地带，且存在尖灭或透镜体，因此土质较差，承载力较低。工程建设中应注意这一地区的复杂地层条件。

图2－2　洪积土

2.1.4　冲积土

冲积土是由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河谷中坡降平缓的地段堆积而成的，它发育于河谷内及山区外的冲积平原中（见图2－3）。根据河流冲积物的形成条件，可分为河床相、河漫滩相、牛轭湖相及河口三角洲相。

图2－3　冲积土

河床相冲积土主要分布在现河床地带，其次是阶地上。河床相冲积土在山区河流或河流上游大多是粗大的石块、砾石和粗砂；中下游或平原地区沉积物逐渐变细。冲积物由于经过流水的长途搬运，相互磨蚀，所以颗粒磨圆度较好，没有巨大的漂砾，这与洪积土的砾石层有明显差别。山区河床冲积土厚度不大，一般不超过10m，但也有近百米的，而平原地区河床冲积土则厚度很大，一般超过几十米至数百米，甚至上千米。

河漫滩相冲积土是在洪水期河水漫溢河床两侧，携带碎屑物质堆积而成的，土粒较细，可以是粉土、粉质黏土或黏土，并常夹有淤泥或泥炭等软弱土层，覆盖于河床相冲积土之上，形成常见的上细下粗的冲积土的“二元结构”。

牛轭湖相冲积土是在废河道形成的牛轭湖中沉积形成的松软土，颗粒很细，常含大量有机质，有时形成泥炭；在河流入海口或入湖口，所搬运的大量细小颗粒沉积下来，形成面积宽广而厚度极大的三角洲沉积土，这类沉积土通常含有淤泥质土或淤泥层。

总之，河流冲积土随其形成条件不同，具有不同的工程地质特性。古河床相土的压缩性低，强度较高，是工业与民用建筑的良好地基；而现代河床堆积物的密实度较差、透水性强，若作为水工建筑物的地基则将会引起坝下渗漏。由河漫滩相冲积土覆盖于河床相冲积土之上形成的具有双层结构的冲积土体常被作为建筑物的地基，但应注意其中的软弱夹层。牛轭湖相冲积土是压缩性很高及承载力很低的软弱土，不宜作为建筑物的天然地基。三角洲沉积物常常是饱和的软黏土，承载力低，压缩性高，若要作为建筑物地基，则应慎重对待。但在三角洲冲积土的最上层，由于经过长期的压实和干燥，形成所谓硬壳层，承载力较下面的为高，一般可用作低层或多层建筑物的地基。

2.1.5　湖泊沉积物

湖积土体（见图2－4）在内陆分布广泛，可按湖的性质划分为淡水湖积土和咸水湖积土。淡水湖积土可分为湖岸土和湖心土两种。湖边沉积土是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，多为砾石土、砂土或粉砂土，具有明显的斜层理构造。湖心土主要为静水沉积物，其成分复杂，以淤泥、黏性土为主，可见水平层理。距湖岸愈远，则堆积的黏土愈细，有机质的质量分数可达20%～40%，含水率高达70%～80%，有时形成泥炭。此外，淡水湖心也可沉积碳酸钙、倍半氧化物。湖岸沉积物除了局部有淤泥夹层的土体外，其工程性质稍好，而湖心土的压缩性高，强度很低，工程性质很差，特别是淤泥层往往很厚，应引起足够的重视。若湖泊逐渐淤塞，则可演变为沼泽，沼泽沉积土称为沼泽土，主要由半腐烂的植物残体和泥炭组成，泥炭的含水量很高，承载力极低，一般不宜作天然地基。

咸水湖积土以石膏岩盐、芒硝及碳酸盐类为主，有时以淤泥为主。前者的性质复杂，盐渍土的工程性质极差，工程上往往需要进行复杂的处理。淤泥的工程性质也很差，一经搅动其结构就会遭到破坏而流动，在干燥时体积收缩很大。因此在湖积土体分布的地区，必须勘测出淤泥层及盐渍土分布范围及其厚度，特别要注意研究其压缩性及强度。由于它们往往具有较高的压缩性及较低的强度，作为地基时则会产生很大的沉降量和不均匀沉降。

图2－4　湖积软土

2.1.6　海洋沉积物

按海水深度及海底地形，海洋可分为滨海带、浅海区、陆坡区和深海区等四种，相应的四种海相沉积物性质也各不相同。在沉积物来源于山区松散堆积物的前提下，滨海带沉积物主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。浅海区沉积物主要由细粒砂土、黏性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。陆坡区和深海区沉积物主要是有机质软泥，成分均一。海洋沉积物在海底表层沉积的砂砾层很不稳定，随着海浪不断移动变化，选择海洋平台等构筑物地基时，应慎重对待。

2.1.7　风积物

风能将碎屑物质搬运到他处，搬运时有明显的分选作用，粗碎屑搬运的距离较近，碎屑愈细，搬运就愈远。在搬运途中，碎屑颗粒因相互间的摩擦碰撞，逐渐磨圆变小。风的搬运与流水的搬运是不同的，风可向更高的地点搬运，而流水只能向低洼的地方搬运。风所搬运的物质，当风力减弱或途中遇到障碍物时，便沉积下来形成风积土。

在干燥的气候条件下，岩石的风化碎屑物质被风吹起，搬运一定距离堆积而成风积土。风积土主要有两种类型，即风成砂和风成黄土。

1）风成砂

在干旱地区，风力将砂粒吹起，其中包括粗、中、细粒的砂，吹过一定距离后，风力减弱，砂粒坠落堆积而成风成砂，一般统称为沙漠（见图2－5）。应当指出，沙漠不完全是风的沉积作用形成的，但大部分沙漠都与风的作用有关。风成砂常由细粒或中粗砂组成，矿物成分主要为石英及长石，颗粒浑圆。风成砂多比较疏松，当受震动时，能发生很大的沉降，因此，要作为建筑物地基时必须事先进行处理。砂在风的作用下，可以逐渐堆积成大的砂堆，称为砂丘。砂丘的向风面平缓，背风面陡。砂丘有不同的形状，如外形成弯月状的称为新月砂丘。

图2－5　风成砂

2）风成黄土

在干旱气候条件下，随着风的停息而沉积成的黄色粉土沉积物称为风成黄土，或简称黄土（见图2－6）。黄土在我国分布较广，超过六十四万平方公里，黄河中游地区最为发育，几乎遍及西北、华北各省区。黄土无层次，质地疏松，雨水易于渗入地下，有垂直节理，常在沟谷两侧形成峭壁陡坡。天然状态下的黄土，如未被水浸湿，其强度一般较高，压缩性也小，是建筑物的良好地基。但也有一些黄土，在自身重力或土层自重加建筑物荷载作用下，受水浸湿，将发生显著的沉降，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土受水浸湿后在土自重压力下发生湿陷的，称为自重湿陷性黄土；受水浸湿后在土自重压力下不发生湿陷的，称为非自重湿陷性黄土。因此，当黄土作为建筑物地基时，为了恰当考虑湿陷对建筑物的影响，需采取相应的措施，首先要判别它是湿陷性的，还是非湿陷性的。如果是湿陷性的，还要进一步判别它是自重湿陷性的，还是非自重湿陷性的。在湿陷性黄土地区进行建筑时，必须注意采取防水措施。

图2－6　风成黄土