區域性土

廣闊的中國大地上分佈着各種具有地區特點的區域性土，其中最主要的也是和經濟建設密切相關的有黃河以北的黃土、長江以南的紅土、黃河長江之間的老粘土（脹縮性粘土和非脹縮脹性的下蜀粘土）以及東南沿海的海洋土。

這些“區域性土”有着不同於一般粘性土的比較特殊的工程特性，如黃土的濕陷性、紅土的高強度、粘土的脹縮性和海洋土的高壓縮性，這是大家所熟知的。但是，這些“區域性土”為什麼會具有特殊性質，就較少引起人們的注意；它們是怎樣形成的，除了黃土外就研究得不多；至於它們與氣候的關係和它們之間的內在聯繫幾乎沒有人研究過。

主要總結各類“區域性土”的分佈和工程特性形成的基礎上，對我國區域性土的有規律分佈和庇鄰的“區域性土”之間不同工程特性的過渡以及它們的內在聯繫，進行了綜合研究 ^[1]  。

從土性分析的觀點來看，無論是什麼土，它們顆粒之間都存在着一定的“膠結聯繫”，所不同的只是“膠結聯繫”的材料性質和膠結強度有差異而已。有些土的“膠結聯繫”很弱，弱到在工程上可以忽略不計，通常稱之為一般粘性土。可是，“區域性土”的土顆粒之間卻存在着較多性質不同的 “膠結聯繫”，這種膠結聯繫的性質可以分成水穩性、非水穩性以及介於兩者之間的性質。水穩性的膠結材料主要是微晶氧化鐵（赤鐵礦、針鐵礦），非水穩性的膠結材料主要是微晶氯化鈉和微晶碳酸鈣等，介於兩者之間的主要是含水氧化鐵（水鐵礦）和粘粒間的溶劑化水膜等。膠結材料性質的不同，影響土顆粒“膠結聯繫”強度，從而直接影響土的工程行為。黃土的濕陷性，就是在浸水條件下那些非水穩性微晶碳酸鈣被慢慢地溶解而減弱“膠結聯繫”強度，導致土體發生沉陷。

但是另有一種土它在浸水條件下發生的沉陷更為迅速更為嚴重，它就是青海地區特有的鹽土，它的外觀和黃土很相像，所不同的是顆粒間的膠結材料不同。鹽土中以微晶氯化鈉為主，而黃土中則以微晶碳酸鈣為主。由於它們對水的溶解速度不同，造成的濕陷後果也很不相同。微晶氯化鈉的溶解速度很快, 浸水後鹽土的濕陷特別快，所以對這種土所採取的防水、排水措施要特別嚴格。又例如貴州的粘紅土和雲南的砂紅土的工程性質也很不相同。貴州粘紅土的承載力基本上隨着濕度的增加而有所降低，而云南砂紅土的強度基本上不受濕度變化的影響。這主要是前者粒間膠結聯繫是含水氧化鐵（水鐵礦），而後者為微晶赤鐵礦和赤鐵礦 ^[2]  。

不同的區域性土，它的具體形成條件和過程也是不同的。如要逐個地解釋各種區域性土的形成條件和過程，是篇幅所不能允許的。這裏只能討論幾個影響區域性土形成的幾個要素：①物質來源；②物質搬運的動力；③堆積環境；④堆積過程的氣候條件；⑤上覆土壓力的變化情況；⑥堆積持續時間。地質學家們對於“物質來源”和“物質搬運的動力”特別感興趣。他們對黃土成因的學説，爭論了一個多世紀，現在“風成論”已經佔絕對優勢，我國著名科學家劉東生為這一理論作出過重大貢獻。工程地質學家們受到地質學家的影響，通常也是以“成因類型”來判別土的工程性質。國內外的岩土力學家們對於“上覆土壓力”的變化很感興趣，他們認為土的強度來源於上覆土壓力，如果上覆土壓力在歷史上曾經發生過變化，那麼土的強度將取決於歷史上曾出現過的最大壓力，稱之為“前期固結壓力”。現在讓我們來討論這幾個要素對於形成區域性土和土結構的作用。

土的物質起源於岩石的風化，物理風化影響土顆粒的大小，化學風化影響土顆粒的礦物成分。構成土結構的是骨架顆粒，一般為固體物質，這些物質無論它們是由於氣候的強烈變化造成的還是冰川移動時生成的或其他地質營力（風力、水力）的搬運過程中產生的，這些都是物理風化的結果。構成土結構的“結構連結”的主要成分是粘土礦物、微晶氧化物和溶劑化水膜，它們都是固體物質在化學風化過程的產物。當然大自然不會分工得如此明確，常常是物理的和化學的風化同時或者前後交叉地進行。不過隨着區域氣候條件的不同，在發生風化的先後和程度上是不同的。

乾旱而寒冷的地區物理風化佔優勢，土中固體物質顆粒的含量高一些，粘土礦物、遊離的微晶氧化物和溶劑化介質的含量就低一些；潮濕而炎熱的地區化學風化佔優勢，土中粘土礦物、遊離氧化物和溶劑化介質的含量就高，而固體物質顆粒尤其是容易分解的碎屑礦物顆粒較少。這就説明“氣候條件”這一因素對於形成“土的組分”是非常重要的。尤其是堆積地區的“氣候條件”更為重要，因為它比搬運過程經歷的時間要長得多。可以這樣説，即使是來源於氣候條件不同地區的不同物質成分，搬運到本地區之後經過長期的風化作用，也會發生“本地化”的過程，最終會被本地的氣候條件基本上或完全“改造和同化”。所以，可以認為“物質來源”和“搬運動力”這兩個因素對於地質學家來説是重要的。但對於近代土質學工作者來説最感興趣的是地區“氣候條件”。

堆積後的“上覆土的壓力”和“堆積持續時間”對於形成“土結構”是有意義的。土的組分在堆積起來之後，並不是立即就形成工程意義上的“土”，而是“鬆散堆積物”。在岩土工作者看來，顆粒之間沒有任何膠結聯繫，排列得十分疏鬆，孔洞大而多，這時並沒有形成穩定的“土結構”。在堆積物逐漸增厚達到一個比較穩定的時期，堆積物在當地的水熱環境的作用下，顆粒之間逐漸產生一些“膠結聯繫”，這時“鬆散堆積物”才算是初步形成“土”。堆積相對穩定以後的“土”，繼續受到土層增厚和當地氣候條件的影響，承受着乾濕和冷熱的交替作用，粒間膠結物的集聚、沉澱和結晶，導致“本地化”結構連結的生成，在這沉積週期形成相對穩定的土結構。這就是“區域性土”形成的一般過程 ^[2]  。

黃土高原西北部的粒度粗，東南部的粒度細，這是著名的地質學家劉東生髮現的，也是“風成論”的有力佐證。劉東生認為旋風從騰格里大沙漠的中心把黃土物質吹揚到高空，順着西伯利亞的寒冷氣流向東南飄落到東南西三面環山的有利於堆積的袋形地區，就是現在的西起烏鞘嶺、東到太行山、南至秦嶺的黃土高原地區。黃土物質經過自然風選粗顆粒就落在沙漠附近，細顆粒散落在運離沙漠的地方，導致粗細顆粒有規律地自西北到東南的堆積。根據顆粒的粗細可以把黃土劃分為砂黃土、粉黃土和粘黃土三帶。

砂黃土和粉黃土地區的氣候雖然比較乾燥，但還是有一定的化學風化作用，除了鈉離子被淋溶隨雨水流走外，鉀離子一淋出就被分解的硅鋁晶體吸收形成少量的次生粘土礦物；這時大量的鈣離子淋出後就地和空氣中的二氧化碳形成微晶碳酸鈣，附着在骨架顆粒表面和粒間接觸處成為“接觸膠結連接”結構，這就是“濕陷性黃土”發生過程的特徵。可是在粘黃土地區，這種微晶碳酸鈣隨着氣候由西北而東南變濕熱，鈣離子再度從微晶碳酸鈣淋出，澱積在黃土層的底層，這時“濕陷性黃土”程度逐漸減弱，黃土的濕陷性也由強變弱，黃土的濕陷性質也由自重濕陷性演變成非自重濕陷性黃土。

這種黃土濕陷性的變化已經從黃土“結構理論”中得到解釋。就是通過黃土外觀顏色也可以看出西北黃土是淺灰黃色而東南黃土是深灰黃色。顯然這和反映氣候變化的遊離氧化鐵含量的多少有關。

我們在研究南方紅土時，也發現同是紅土也有地區性差別。貴州貴陽的粘紅土的無側限強度遠比雲南昆明的砂紅土低得多。可是決定它們強度的遊離氧化鐵含量卻相差不多，這就引起了我們的重視。我們注意到貴州貴陽紅土的顏色是棕黃的，而昆明紅土的顏色卻是深紅的，結合物化、和現代儀器分析表明，雖然兩者的遊離氧化鐵含量差不了多少，但其賦存狀態卻大不相同。前者大量以含水氧化鐵賦存，只含少量針鐵礦；而後者則幾乎都是以赤鐵礦賦存，連針鐵礦也很少有。顯然，這與貴陽的潮濕氣候和昆明的乾燥氣候有關。這也就是説，在高温條件礦物中鐵離子大量淋出，隨着土中濕度減少，遊離氧化鐵由離子態和凝膠態轉化為隱晶質和晶質態。根據土壤學家的研究，由於氣候條件不同，土中有時存在一種以上形態的氧化鐵。下面是我國南方紅土的物理化學力學和礦物分析成果。

氧化鐵在一般情況下按以下序列轉化：水鐵礦（含水氧化鐵）—纖鐵礦—針鐵礦—赤鐵礦，一般稱之為“陳化”過程，在土中我們稱之為“紅土化”過程。這種轉變在一定條件下也會反方向進行，在紅土中稱之為紅土的“退化”過程。

過去對於北方的黃土、南方的紅土比較熟悉，因為它們的顏色非常鮮明，而工程性質卻非常不同，容易為人們所注意。在這兩類區域性土之間的廣大地區是否還存在着其它區域性土？隨着合肥粘土、荊襄粘土、十堰粘土、安康粘土、成都粘土等一系列Q2、Q3 老粘土的發現，把武漢到南京沿長江兩岸的下蜀粘土聯繫在一起，人們才認識到這些被山脈和丘陵分割的老粘土有着一些共同特點，即具有基本相同的主要粘土礦物成分（伊利石）和不同程度的脹縮性。而它們所處的位置，正好大部分位於黃土和紅土之間，顯然這不是偶然的。

這些老粘土所在城市的氣象資料表明，它們都處於年平均氣温14~19℃之間，平均降雨量在700~1800mm 之間。在這種氣候條件下微晶碳酸鈣大部分都被淋失。礦物中的鉀離子幾乎大部分進入硅鋁晶格中形成大量次生的粘土礦物—伊利土，這就是“粘土化”的特徵。這種“粘土化”的過程，涉及的範圍很廣，除了上述提到的老粘土外，它還波及到庇鄰的區域性土，從北鄰豫南的“粘黃土”，南到貴陽的“粘紅土”。這種過渡地區的土具有雙重工程特性。豫南的粘黃土既有輕微的濕陷性又有輕微的脹縮性；貴州的粘紅土既有較高的強度又有一定的收縮性。

根據以上分析，就不難理解處於庇鄰的過渡地區的區域性土具有的雙重性質。如果我們在這些過渡地區進行經濟建設時，必須把握住這些地區土的雙重工程特性。

海洋土是唯一與氣候條件不直接相關的區域性土，它們自南而北沿海分佈。如果説黃土、紅土和膨脹土是在陸地上堆積的，一般來説它們是不飽和的三相土，岩土力學學者稱之為非飽和土；海洋土則是在海水或湖水中沉積的，它們是飽和的二相土。太沙基的飽和固結理論，就是根據這類土發展起來的。它們的工程性質也比較特殊，強度特低和壓縮變形特大。海洋土的物質，是來源於陸地河流流入海洋的挾帶物，而且這些物質明顯地受氣候的影響。就是從遊離氧化鐵含量由北而南增加，説明這和氣候條件有關 ^[3]  。

我國地處亞洲大陸的東南部，西北部背靠亞洲大陸腹地，東南瀕臨大海。整個地勢是西高東低，秦嶺—太行山、南嶺—武夷山由西南到東北成弧形條帶，貫穿在我國西北部、中部和東南部，形成兩道自然屏障，東南温暖的海洋性季風受到阻隔，逐漸減弱，不能深入內地；而西伯利亞凜冽的寒流也被阻擋，無法長軀直入東南沿海地區。故而我國這種地理環境使得我國氣候條件由西北的乾冷到東南的濕熱很有規律地變化。這就是我國主要區域性土的地理分佈很有規律的主要原因。

雖然這些區域性土在宏觀的工程性質上有着明顯的巨大差別，是由於地區氣候條件的差異所決定的，然而由於我國氣候條件的由西北而東南變化的連續性，必然在微觀性質上存在着某種內在聯繫。為了證明這一推論，我們把主要區域性土分佈的西北、中部和東南亞地區劃分成基本水平但略帶傾斜的八個帶。

各類區域性土之間有着明顯的內在聯繫，特別是土中的pH 值、遊離氧化鐵的含量和特徵元素，有着很強的連續性。它充分地反映了在規律變化的氣候條件影響下，發生的有規律的風化淋溶作用和地球化學特徵按序變化趨勢。這表明，宏觀性質上的突變性，是微觀性質上的漸變累積到一定階段上的反映而已 ^[3]  。

通過以上討論，在研究區域性土方面，中國有着得天獨厚的條件：①有着西高東低的總地形地勢；②有着背靠世界屋脊、面臨大海的優越位置；③在大陸腹地有着廣闊的高原、平原、河谷、盆地等有利堆積環境；④北靠西北的極地寒流，南臨赤道炎熱地區，跨越寒帶、寒温帶、温帶、亞熱帶和熱帶各個氣候帶。這是世界上任何其它國家所無法比擬的。新中國成立半個多世紀以來，在區域性土上進行了大量的工業、城市、水利和交通建設，取得了極為豐富的經驗和技術資料，為開展區域性土的研究創造了極為有利的條件。尤其是我們岩土工程學術界經常召開的各種學術交流會，大大地促進了學術水平的提高 ^[1]  。