钙质结核主要是由碳酸钙组成的结核状自生沉积物，又名碳酸盐结核或石灰结核。 钙质结核层的形成与气候因素有关，一般在半干旱地区的平原或低地由蒸发或淋滤作用形成，也有机械沉积的原生构造，其形成机制受水动力的控制。 一般是在降雨量有限的地区形成，是一种重要的气候标志。

钙质结核的大量分布是钙质结核土的重要特征。结核个体的粒径大小不一，最小的不足1cm，大的可达30cm以上，但5～10cm左右的最为常见。综合钙质结核的发育程度、化学组分和外表形态，可将其分成雏形钙质结核、完形钙质结核和钙质硬磐，具体关系见表所列。

从表可以看出，钙质结核中含有相当丰富的碳酸盐，高者可达68.3%，低者亦有31.39%。其中碳酸钙成分占绝对优势，可占到碳酸盐总量的97%以上，此外还含有一定数量的碳酸镁和碳酸锶。钙质结核的发育程度以及碳酸盐、碳酸钙和氧化钙含量随着结核年龄的增加而递增。

雏形钙质结核呈块状，与周围土体渐次过度。薄片观察表明，它主要由泥晶质碳酸盐和少量微亮晶质碳酸盐胶结而成，并且结核中通常嵌埋有较多的土壤碎屑物质以及大小为0.01～0.1mm的石英、长石、云母碎片。

完形钙质结核以姜状和不规则的球状为主，由于固结、硬化成形，而硬度较大；它由微亮晶质和亮晶质的碳酸盐，以及大小约0.005mm的方解石胶结而成，某些结核中，石英和长石的质量分数可达20%；结核中的一些大孔隙通常为方解石填充，呈晶管状或晶囊状；铁锰质浸染斑较多，还嵌有不少的铁锰结核；内部结构一般由不同色调、成分和结构的圈层组成，圈层颜色内深外浅；结晶程度内好外差；质地内密外疏；圈层多围绕某个核心由内向外同心层生长，其核心多由碎屑颗粒（如砂粒、岩屑）、矿物晶体、蜗牛化石等组成。

钙质硬磐是由泥晶质或微亮晶质的碳酸盐、土、沙，甚至动物化石胶结固化而成，体积较大，内部结构质地较均一，固结和结晶程度较差，且具有个体愈大结晶程度愈差的特点；横断面有较平整的砾状断口，颜色呈灰白-灰褐色，长轴呈近似水平排列。

通过系统观察研究区内不同地区、不同层位的钙质结核的外观特征及切片，可将其内部结构大致分为2类：

（1）均质结构，其结构特征是质地均一，含大量泥质、粉砂质及砂质的碎屑颗粒，分选及磨圆程度较差，呈次棱角状，为碳酸钙呈泥晶质或微亮晶质的基底式胶结，固结和结晶程度较差，呈块状构造；多为钙质硬磐和雏形结核，且两者又因不同的碳酸钙含量和胶结程度而表现出迥异的工程性质。

（2）同心结构，其核心多为分选及磨圆程度较好的颗粒物质，且以此为中心呈环带状向外生长；由于碳酸钙及铁锰质含量的不同而呈现出不同的颜色和结构特征，大致颜色内深外浅，结晶程度内好外差，质地内密外疏；不同层次的结构特征反映了不同形成环境的变化；完形钙质结核多为此种形式，在土层中呈分散状分布，为淮北平原最为常见的形式。

钙质结核土是由细粒黏性土和粗粒钙质结核在空间上按一定的规律展布而成。钙质结核又称石灰结核或砂姜，多呈黄白色或灰色，形状呈姜状、核状或浑圆状，粒径一般3～8cm，大的可达30cm以上，最小的不及1cm。

它是分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、三氧化物、铁和锰等吸附性物质的表面与土胶结而成的。钙质结核的形成与地质时期海平面的升降、古气候、古河道的变化、地下水作用以及土壤淋溶淀积等因素有关，碳酸钙的来源主要是富含HCO3－－Ca2+的浅层地下水，而钙质结核的大小和形态与地下水保持在这一层位的时间长短以及蒸发率有关。根据钙质结核的发育程度、化学组分和外表形态的不同，可将其分成雏形钙质结核、完形钙质结核和钙质硬磐3种形态，其中以完形钙质结核分布最广。从钙质结核的微观结构来看，又可将其分为均质结构和同心结构2类。利用X射线衍射仪和X射线荧光光谱仪对两者的微观结构和成分进行分析后发现，同心结构的钙质结核石英、金属含量相对较多，且石英结晶度较好；均质结构的钙质结核方解石含量较多，结晶度较好。由于石英硬度远大于方解石，因而同心结构的钙质结核结构稳定性要好些，强度要高些。

钙质结核土在空间上的展布具有明显的规律性。从平面分布上看，淮北平原钙质结核土集中分布在河间平地、洼地及黄泛平地上，整个中南部地区除河流水系流经之处外，均有钙质结核土的分布，而在古河道高地、泛滥微高地及河漫滩上则少见。从剖面分布看，西北部地势较高，钙质结核土埋深较深；而东南部地势较低，钙质结核土埋深也较浅。钙质结核土主要存在于黏土及粉质黏土层中，粉土中也有少量分布，埋深集中在1.0～3.5m，部分地区直接出露地表。从上到下，一般为雏形钙质结核、完形钙质结核和钙质硬磐，结核粒径随着深度增加而增大，含量也随之增多。

钙质结核土的二相结构影响着土体的力学特性。土体中所含颗粒的最大粒径、土体颗粒分布的级配特征以及粗粒钙质结核的含量都深刻影响着土体的强度和变形特征。前人的研究成果表明，土体的强度存在尺寸效应，即在开展相关土体力学试验时，所获得的数据的准确性会受到土颗粒粒径与试验仪器尺寸间的比尺的影响，在比尺较小时，所获得强度数据会偏高。而当比尺大到一定的水平时，比尺效应对强度的影响就可忽略不计。钙质结核土中结核的粒径大小不一，其颗粒粒径普遍较大，利用常规土工试验仪器所获得的数据必然受到比尺效应的影响。同时，大粒径钙质结核的存在，使得室内试验制样存在很大困难，钙质结核的尺寸往往比室内试验试样大很多，很难制样成功，即使是利用小粒径钙质结核制得了试验土样，试验时也会产生明显的应力集中的现象，使试验结果离散性明显，不具有代表性。因此，本文在研究中利用大型直剪仪开展试验，以期获得较为准确和客观的试验结果。