一个标准岩土地层序列的初步框架*

李清明 唐辉明

( ①深圳市市政设计研究院有限公司 深圳 518029)

( ②中国地质大学( 武汉) 武汉 430074)

0 引 言

岩土三相体的复杂性、岩土地层及其组合类型的复杂多变性和岩土分类标准的碎片化造成了不同地区之间，甚至同一地区内同一时代、同一成因和同一岩土名称的地层都可能具有不可对比性，从而制约了岩土地层大数据库的建立。统一岩土分类标准和岩土地层序列是建立一个地区、国家乃至全球岩土地层数据库的重要基础。

本文的目的旨在探讨“岩土地层”的内涵，尝试建立一种标准岩土地层序列的初步框架，为岩土地层大数据库奠定基础。

1 不同规范体系下岩土分类的差异

我国曾经组织人员进行过土的全国统一分类工作，后来无忌而终。有的规范将岩、土分开，有的规范则岩土不分，统一分类( 李广信，2004) 。

按照《岩土工程勘察规范( GB50021—2001) 》( 以下简称《勘察规范》) 和《岩石与岩体鉴定和描述标准( CECS 239:2008) 》( 以下简称《岩石与岩体标准》) ，岩土描述和鉴定要求考虑岩土时代、成因、岩土含水状态、砂土密实度、黏性土塑性、岩石的坚硬程度和风化程度、岩土名称等。欧盟虽然实行了统一的土类标准，但各国可根据本国特点确定各类岩土参数的经验值。我国从《岩土工程勘察规范》( GB500021—94) 和《建筑地基基础设计规范》( GBJ7—2002) 开始，岩土参数经验值纳入地方标准。

《土的工程分类标准( GB/T50145—2007) 》( 以下简称《土的分类标准》) 在考虑国内常用粒组界限的基础上，根据土颗粒组成及其特征、土的塑性指标和有机质含量进行土的通用分类，是具中国特色的国际标准修正版。《勘察规范》采用多标准进行土的分类，如根据颗分、塑性指数和有机质含量划分碎石土、砂土、粉土、黏性土、无机土和有机土，还单独划分出了湿陷性土、红黏土、软土、混合土、填土、多年冻土、膨胀岩土、盐渍岩土、污染土、风化岩和残积土等特殊性岩土。将晚更新世及以前沉积的土定为老沉积土，第四纪全新世中近期沉积的土定为新近沉积土。根据地质成因可划分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土和风积土等。对特殊成因和年代的土类应结合其成因和年代特征定名，对特殊土，应结合颗粒级配或塑性指数定名，对混合土，应冠以主要含有的土类定名。欧盟标准《土的分类、鉴定和描述BS EN ISO 14688－1: 2002、2:2004》( 以下简称《欧盟土的分类标准》) 根据颗分、塑性、有机质含量和成因进行土的通用分类，并可根据土的不排水剪切强度、干密度、黏粒活动性、矿物种类、饱和度、渗透性、膨胀性、压缩系数和碳酸盐含量等参数进行土的次一级分类。

《勘察规范》根据饱和单轴抗压强度划分5 个岩石坚硬程度等级，并应鉴定岩石的地质名称和风化程度，描述岩石的地质时代、地质名称、风化程度、颜色、主要矿物、结构、构造和岩石质量指标RQD等。岩石名称数量庞大，且可详可略，如花岗岩、砂岩、石灰岩等均可细分出一个庞大的家族。《岩石与岩体标准》根据天然湿度单轴抗压强度划分8 个岩石坚硬程度等级，还明确了岩石、结构面、岩体结构体和岩体的鉴定和描述标准，单独划分出了具有特殊工程性质的劣质岩。欧盟标准《岩石鉴定和分类BSiENiISOi14689—1: 2003》( 以下简称《欧盟岩石分类标准》) 根据岩石的成因、矿物成分组合、结构和矿物颗粒大小提供了一个岩石类型简表，并根据单轴抗压强度划分7 个岩石坚硬程度等级。岩石的坚硬程度等级也是在不断演变的，我国从20 世纪70 年代的2 级增加到现在的5～8 级( 表1) 。

从表1可见，《岩石与岩体标准》更侧重于岩土分类的系统性、完整性及与国际规范的接轨性，《勘察规范》更侧重于我国常见岩土情况下的实用性和历史传承性。各规范对岩石坚硬程度的划分等级及界限值、岩石风化程度的划分指标和鉴定标准、土的分类体系、土的粒组及粒径界限值、土的密实程度指标等均存在差异。如《勘察规范》、《岩石与岩体标准》和《欧盟岩石分类标准》分别采用饱和单轴、天然湿度单轴和无侧限抗压强度划分岩石的坚硬程度。《勘察规范》列出了10 种单独定义的特殊岩土，《岩石与岩体标准》列出了9 种劣质岩。《土的分类标准》定义黏粒为直径＜0.005 mm 的颗粒，《欧盟土的分类标准》定义黏粒为直径＜0.002 mm 的颗粒，增加了大漂石粒组，并将粉粒分为粗、中、细3 级( 表2) 。欧盟标准对土的通用分类方案考虑土的颗粒级配、塑性、有机质含量、土的成因等因素，划分两种人工填土，对成分为天然土的填土要求执行土的分类标准。《勘察规范》仅按IP分类细粒土，而以WL和IP综合反映细粒土特性的塑性图远较单按IP分类优越( 王钟琦，1981) ，应用塑性图对陕西黄土、三趾马红土、膨胀土的判别能较好地反映其工程地质特性( 马桂芝，1995) ，《土的分类标准》和欧盟标准均采用塑性图对细粒土进行分类。各种规范标准均根据岩石的饱和、天然湿度单轴抗压强度、无侧限抗压强度或野外鉴定特征提供了岩石坚硬程度的分级标准和岩石风化程度的分类标准。

表1 根据单轴抗压强度划分岩石坚硬程度的分级标准Table 1 Grading standards of hardness degree of rock according to uniaxial compressive strength

因此，当采用不同规范来定义同一岩土时，其名称可能不同，或者由不同规范得到的同一岩土名称也可能具有较大的工程性质差异。

2 岩土的一种通用分类方法

任何一种岩土均是由固相、液相和气相3 种形态的物质组成，因此，岩土的统一分类宜基于岩土的基本物质，即固体、液体和气体，一般岩土工程情况下，可替换为岩土颗粒、孔隙和水。岩土通用分类指标应适用于各类岩土，仅适合某些岩土的指标可作为次一级的分类指标。

表2 粒组的不同分级标准Table 2 Different classification standards of fraction

2.1 岩土颗粒的通用分类

岩土的固相部分主要由占地壳总重量99%的20～30 种主要造岩矿物组成，其中，石英、长石、白云母等浅色长英质矿物和辉石、角闪石、橄榄石、黑云母等富铁镁质深色矿物占地壳总重量大于85%，其他常见的造岩矿物有方解石、白云石和各种黏土矿物。岩土形成过程中存在自然分选，任何一种岩土地层均是某类矿物的集合体，含或不含有机质。如碎屑沉积岩的岩屑矿物主要为石英、长石、黏土矿物、碳酸盐等。化学或有机沉积岩的矿物成分主要为盐类、碳酸盐类、硅质、炭质。中酸性岩浆岩的矿物主要为石英、长石、云母、暗色矿物，基性岩浆岩的矿物主要为长石、暗色矿物，超基性岩浆岩的矿物主要为暗色矿物，火山碎屑岩至少含50%火山岩成分。变质岩是由岩浆岩、沉积岩和浅变质岩变质过来的，因此，是原岩矿物和变质过程中新生矿物的集合体。碎石土颗粒的矿物成分取决于母岩的岩石类型及后期的风化程度，砂土的矿物成分主要为石英、长石、云母和黏土矿物，黏性土的矿物成分主要为黏土矿物。

2.1.1 岩土颗粒的定义

岩土颗粒是构成岩土的“骨架”部分，当承受外力时，是变形较小、相对稳定和不活跃的部分。构成岩土“骨架”的某些成分，如以蒙脱石族为代表的片状黏土矿物、碳酸盐、易( 中) 溶盐、有机质等，具有特殊的岩土工程性质，宜单独进行分类。岩土中的沸石水、结晶水和结构水构成岩土固相的一部分，但气态水、重力水、毛细水或结合水不应视为岩土颗粒的一部分( Colten-Bradley，1987; 周公度，2002; 孙强等，2013) 。

岩土颗粒可分为矿物颗粒和表观颗粒。岩土矿物颗粒定义为岩土体中单一的( 非晶质) 矿物颗粒，岩土表观颗粒定义为完全被真空、气体、重力水、毛细水或结合水分割的一种或多种( 非晶质) 矿物集合体。

从岩土表观颗粒的定义可知，岩土表观颗粒的空间形态可能非常复杂，常见的有包含部分真空、气体、重力水、毛细水或结合水的球状、块状、板状、片状、柱状、棒状、蜂窝状、絮凝状、海绵状、泡沫状等。

2.1.2 岩土颗粒的通用分类

可从岩土颗粒大小、组成和特殊组分进行岩土颗粒的通用分类。

岩土颗粒一般是指矿物颗粒，对松散－密实类的粗粒、巨粒岩土，岩土颗粒一般是指表观颗粒。岩土颗粒，如土颗粒、沉积岩碎屑、岩浆岩的矿物晶粒、蒸发岩和非蒸发岩的矿物晶粒等的粒级划分标准不一样，建议统一岩土颗粒粒级的划分标准( 表3) ，当采用不同的标准时，应进行说明。一种岩土往往由多个粒组成分组成，岩土颗粒组成的不均匀性宜纳入次一级分类，其名称宜简化，如采用累计含量首次大于50%的粒组名称，粒径＞5 mm 的含量＞50%者可命名为中砾( 岩) ，粒径＞0.075 mm 的含量＞50%者可命名为细砂( 岩) ，粒径＜0.002 mm 的含量＞50%者可命名为黏土( 岩) 。

岩土中的某些特殊组分，如高蒙脱石岩土具强膨胀性，高易溶盐岩土具强盐胀性，有机质含量的大小对岩土物理力学性质影响较大，碳酸盐因其复杂多变的孔隙结构类型、胶结性和某些特殊属性，亦纳入岩土特殊组分。根据特殊组分的含量进一步分级( 表4) ，普通矿物可不分级。

2.2 岩土孔隙的通用分类

岩土中的孔隙是岩土地层中最薄弱的组成部分，如填土、软土、黄土、红黏土、膨胀性岩土、盐渍化岩土、残积土、软岩或劣质岩等特殊性岩土一般都是高孔隙率的岩土。

岩土孔隙率与岩土物理力学性质指标的关系已有大量的研究成果资料。如黄土的湿陷性可采用孔隙比分级( 刘祖典，1994) 。当孔隙率n∈( 2，35)时，部分白云岩、花岗岩和蚀变岩的单轴抗压强度与孔隙率存在指数关系( 杨根兰等，2006; 吴文等，2010; 魏伟等，2012; 刘泉，2014) 等。

表3 按颗粒大小及其含量的岩土颗粒统一分类建议标准Table 3 Suggested classification standard of fraction

表4 岩土特殊组分分级Table 4 Classification of special components of rock ＆ soil

评价岩土矿物颗粒间紧密程度的思路有3 种:( 1) 岩土颗粒间的相对紧密程度，( 2) 岩土颗粒间的绝对紧密程度，( 3) 具有某些特定物理力学性质的参数。目前，有许多概念和参数，如碎石土、砂土和粉土采用密实度，黏性土采用液性指数或稠度指数，岩石采用风化程度或软硬程度来衡量岩土颗粒间的紧密程度。当采用密实度、液性指数、稠度指数、含水比、风化程度等参数来衡量矿物颗粒间的紧密程度时，由于是与“自身”的最密( 硬) 状态和最松( 软) 状态进行比较，而每一类岩土均可无限细分出次一级岩土，因此，这个“自身”存在无穷多个变化，会导致这类参数的界限值不断演变，各地区之间也会存在差异。标贯击数、( 超) 重型动力触探击数、比贯入阻力、单轴抗压强度等反映岩土强度的参数和试验方法难以覆盖整个岩土地层系列。表征碎石土、砂土和粉土密实度的参数有相对密度、标贯击数、( 超) 重型动力触探击数、比贯入阻力、孔隙比等。黏性土和岩石一般采用软硬程度来表征矿物颗粒间的紧密程度，黏性土采用液性指数、稠度指数、含水比，标贯击数，重型动力触探击数、比贯入阻力等表征其软硬程度，岩石采用单轴抗压强度或风化程度进行坚硬程度分级。

2.2.1 岩土孔隙的定义

岩土孔隙定义为岩土矿物颗粒内部及矿物颗粒之间被真空、气体、重力水、毛细水或结合水充填的空间部分。

2.2.2 岩土孔隙的类型

一切多晶体材料均具有孔隙，岩石是多晶体材料中缺陷最多的一类物质，岩石除孔隙外，还发育有各种成因的裂隙，各类岩土均有其孔隙结构特征。如火山岩孔隙类型有裂隙和孔洞两种类型，裂隙有次生的风化裂隙、构造裂缝、节理缝等，孔洞有原生的砾( 粒) 间孔、气孔、结晶作用形成的晶间孔、溶解作用形成的次生溶蚀孔( 粒间溶孔、基质溶孔、晶间溶孔、铸模孔、溶蚀气孔、沿缝溶孔) ( 于英太，1988) 。碳酸盐的孔隙结构特征较复杂，按大小可分为隐孔、显孔和晶孔; 按孔隙形成时间可分为原生孔隙: 粒间孔隙、遮蔽孔、粒内孔、生物骨架孔隙、生物钻孔孔隙、鸟眼孔隙和次生孔隙: 粒内溶孔、铸模孔、粒间溶孔、晶间溶孔、溶孔、溶洞、溶沟等( 成都地质学院岩石教研室，1978) 。泥页岩中的黏土矿物以3～100 nm 孔隙为主，其中，蒙脱石黏土岩以3～6 nm 孔隙为主，伊蒙混层黏土岩为3 ～6 nm 和20～70 nm 孔隙共存，高岭石、绿泥石和伊利石黏土岩以20～70 nm 孔隙为主( 吉利明等，2014) 。

2.2.3 各种岩土的孔隙率

孔隙率定义为岩土中的孔隙体积占岩土总体积的比值，常以百分比表示。

等径球状颗粒的孔隙率介于25.95%～47.64%之间，但岩土颗粒一般为非等径、非球状颗粒，且颗粒之间可以相互不接触，在压实固结和伴随新生矿物形成的成岩过程中，孔隙率不断降低，因此，岩土孔隙率变化范围更宽广( 图1) 。各类岩土的最大单轴抗压强度σ 与孔隙率n 关系可视为上界包络线( 形如σ=ae－b，e=n/( 1－n) ，其中，e 为孔隙比，n 为孔隙率，a、b 为与岩土地层固有性质相关的系数) ，岩土的最小( 无侧限) 抗压强度与孔隙率关系可视为下界包络线。当各类岩土地层的数据样本增加时，图1 中的上、下界包络线均可向外拓展。

图1 各类岩土单轴抗压强度与孔隙率的关系Fig. 1 Relation between uniaxial compressive strength and porosity of various types of rock ＆ soil

沉积岩随着埋深的加大，上覆压力和温度越来越加大，孔隙率迅速减小。当埋深进一步加大时，颗粒接触点处的矿物开始溶解结晶形成新的矿物，孔隙率进一步减小。Lapinskaya 和Proshlyakhov 在20世纪70 年代给出过前高加索区和前里海坳陷中的砂质－粉砂质岩石和黏土质岩石孔隙率和埋深间的关系，第四纪－寒武纪时代沉积的各类岩土孔隙比与上覆压力呈对数关系( Herman et al.，1984) 。

侵入岩的孔隙率一般为0.2%～2.0%，喷出岩、火山碎屑岩、变质岩的孔隙率变化较大，介于沉积岩与岩浆岩之间，残积土与风化岩的孔隙率介于土与母岩之间。

2.2.4 岩土孔隙的分级

孔隙率是表征岩土颗粒之间紧密程度的内在因素和绝对指标，也是推论各类岩土物理力学性质指标的重要物质基础之一。我们推荐采用孔隙率或“致密度”替代原有的“密实度”或“软硬程度”等概念来反映岩土颗粒间的紧密程度，将岩土致密度分为致密、疏松、密实、松散、泡沫状和孔洞6 大类，共18 级( 表5) ，部分致密度分级名称仍沿用了习惯采用的密实度分级名称，但内涵已有所不同。

2.3 岩土含水状态的通用分类

岩土含水状态定义为岩土孔隙的饱水程度，可采用饱和度Sr或含水率nw来衡量( Alfreds R.Jumikis，1983) 。岩土饱和度定义为岩土孔隙中水的体积与全部孔隙体积的比值，常以百分比表示。

式中，Vw为岩土孔隙中水的体积; Vv为岩土的全部孔隙体积; ω 为岩土天然含水量; ωsat为岩土饱和含水量。

根据岩土饱和度可对岩土的含水状态进行分级( 表6) 。

含水率nw定义为岩土孔隙中水的体积与岩土总体积的比值，常以百分比表示，是一个可直接测量的指标。

含气率na定义为岩土孔隙中气体( 或真空) 的体积Va与岩土总体积的比值，常以百分比表示。

3 岩土地层

3.1 地层的定义

分布在地壳表层的第四纪松散地层在岩土工程实践中占有重要的地位，在陆地分布厚度一般数米至数百米，在渤海、南海和冲绳海槽盆地等海域可达数百米至3000 m 以上( 夏伦煜，1988; 李乃胜等，1998; 徐杰等，2004; 蓝先洪，2005) 。从岩性分布来看，硅酸盐占地壳总重量的90%以上，沉积岩覆盖了大陆表面积近75%，泥质岩约占沉积岩总量的50%( A.Ф. 雅库绍娃等著，何国琦等译，1995) 。

《中国地层指南及中国地层指南说明书》定义地层为具有某种共同特征或属性的岩石体，能以明显界面或经研究后推论的解释性界面与相邻的岩层和岩石体相区分。《国际地层指南》定义地质学的地层为以某种岩石特征或属性区别于相邻岩层的一个岩层。

表5 根据孔隙率或孔隙比划分的岩土致密度分级Table 5 Classification of compactness of rock ＆ soil according to porosity or void ratio

表6 岩土含水状态的分级Table 6 Classification of moisture content of rock ＆ soil

2012 年9 月21 日中国地质调查局和全国地层委员会发布了《中国地层表》( 征求意见稿) ，以后又继续修改并发布了《中国地层表》( 试用稿) ，第4 届全国地层会议讨论通过后的《中国地层表》于2014年批准正式推出( 章森桂等，2015) 。《中国地层表》应作为研究岩土历史的时间标尺、岩土分类的基础资料和岩土地层评价的基本工具。

3.2 地层时代

根据最新版《中国地层表》，地层的地质时代划分为3 宙、11 代、19 纪、39 世、92 期。在不考虑地质构造、风化作用等因素扰动的情况下，同一时代的同一地层可大致定性其物理力学性质，地质时代更老地层的工程性质一般好于同类年轻的。地质构造作用和风化作用可在孔隙率和颗粒名称等的差异上体现。不同时代的地层，其形成先后顺序不同，上下空间关系不同，对分析断裂、褶皱等地质构造有所帮助。

3.3 地层成因

根据《中国地层指南及中国地层指南说明书》，地层成因包括沉积岩( 包括固结的、未固结的沉积物) 、变质岩和岩浆岩，这里的地层未区分岩土。沉积岩可进一步细分，如陆相第四纪地层的成因有:风成、水成( 河流:冲积、洪积、泥石流、冰水堆积物; 湖沼沉积:泥沙、泥炭、膏盐、硅藻) 、冰川成( 冰渍物和冰缘) 、洞穴堆积( 岩溶) 、生物堆积( 泥炭、硅藻、鸟粪) 、火山堆积( 火山碎屑、火山灰和熔岩等) 。海相地层的成因有:物理沉积( 泥沙) 、化学沉积( 碳酸盐等) 、生物沉积( 珊瑚、硅藻) ( 刘嘉麒等，2000) 。各类地层均可细分出残积土和风化岩。《工业与民用建筑工程地质勘察规范》( TJ21-77) 附表15 曾列出20 种第四纪土层的成因，在此基础上允许增加复合型成因类型。沉积岩的成因划分过细会导致在某些情况下难以区分，可简化为水成、风成、重力堆积、生物堆积、冰水堆积和成因不明6 大类，在此基础上可进一步细分，当存在多种成因时，宜以其主要成因命名。变质岩和岩浆岩的成因也可根据需要进一步细分，如变质岩可分为区域变质岩、热接触变质岩、动力变质岩等，岩浆岩可分为侵入岩和喷出岩等。另外，人工岩土宜单独划分，可分为天然岩土的人工填土、杂填土、人工构筑物等。不同成因的岩土可大致推断其空间分布规律。

3.4 岩土地层的定义

单个岩土地层定义为具有相同的时代成因和相同的特殊组分、岩土颗粒大小、致密度和饱和度的地层。

广义来说，“相同的”含义是指时代、成因、特殊组分、岩土颗粒大小、致密度和饱和度的变化范围相同，视工程需要或研究目的不同而定，这个“变化范围”可宽可窄。狭义来说，“相同的时代”是指同一期的地层，“相同的成因”是指属于14 种成因之一，“相同的特殊组分”是指表4 中特殊组分的含量等级及其组合相同，“相同的岩土颗粒大小”是指累计含量大于50%的粒组名称相同，“相同的致密度”是指表5 相同等级的致密度，“相同的饱和度”是指表6 相同等级的饱和度。

3.5 岩土地层的可对比性原则

当两个岩土地层同时具有相同的时代成因和相同的岩土颗粒大小、特殊组分、致密度和饱和度时，一般情况下，可以认为这两个岩土地层的工程物理力学性质是相似的，是可以进行对比的。

4 标准岩土地层序列

标准岩土地层序列定义为一个地区内某个地质时代、某种成因类型的完整岩土地层序列。

岩土地层的时代成因反映岩土形成环境和时空变化的一般规律，可视为岩土地层序列的“经”或宏观特征，岩土地层名称可视为岩土地层序列的“纬”或中、微观特征，两者共同构成岩土地层序列的“经纬”。岩土地层名称按照时代( 5 位数) +成因( 2 位数) +饱和度( 1 位数) +致密度( 2 位数) +特殊组分( 4 位数) +岩土颗粒名称( 3 位数) 确定岩土地层的全称( 表7) ，并采用17 位数字定义各类岩土地层的序号。

如果不考虑岩土地层的时代成因、特殊组分和含水状态，则仅有221 种岩土地层; 如果考虑岩土的特殊组分、岩土颗粒大小、致密度和含水状态因素，但不考虑岩土地层的时代成因，理论上存在26520 种岩土地层; 当考虑时代成因和岩石学名称时，岩土地层总数可达千万级数量以上。

表7 标准岩土地层序号排列规则Table 7 Numbering rules of standard rock ＆ soil strata

建立一个地区内各时代成因的标准岩土地层序列是岩土地层大数据库的重要基础，可以使得岩土地层名称与其工程物理力学性质指标能在一个较小的范围内大致匹配，从而有利于同一地区内和不同地区之间岩土数据的比较和岩土大数据库的建立。

5 结 论

( 1) 本文给出了岩土地层和标准岩土地层序列的一种定义。

( 2) 本文提出采用岩土颗粒大小、组成和特殊组分进行岩土颗粒的通用分类，采用孔隙率衡量岩土颗粒之间的绝对紧密程度，采用饱和度衡量岩土的含水状态。

( 3) 建议《土的分类标准》、《勘察规范》适当扩充粒组，覆盖更广泛的岩土颗粒粒径及其工程特性，细化巨粒土、细粒土的分类方案。