孟慶洲 王殿斌 孫 璽 汪名友

(①青島巖土工程技術(shù)研究中心， 青島 266000， 中國)(②青島巖土基礎(chǔ)工程公司， 青島 266000， 中國)(③青島市勘察測繪研究院， 青島 266000， 中國)

0 引 言

鈣華(Travertine或Tufa)是一種大孔隙次生碳酸鈣，是巖溶水在適宜的環(huán)境下碳酸鈣過飽和沉積而形成(李華舉等， 2006； Hammer et al.， 2007； Rainey et al.， 2010)，一般具有多孔隙的海綿狀結(jié)構(gòu)，薄層殼狀或塊狀構(gòu)造。根據(jù)沉積模式，鈣華可分為泉水鈣華、河流障鈣華、湖泊鈣華和沼澤鈣華，不同沉積成因的鈣華造就了絢麗多彩的自然景觀，如我國四川的黃龍景區(qū)、九寨溝五彩池、云南白水臺(tái)和土耳其的棉花堡等。鈣華對(duì)氣候和環(huán)境極具敏感性，且沉積速率較快，因而適合高分辨率和短時(shí)間尺度的古氣候環(huán)境重建(王海靜， 2014)，國內(nèi)外專家對(duì)鈣華在氣候方面的意義做了大量的研究(胡欣欣等， 2008； Sierralta et al.， 2010； 劉再華等， 2016； 汪智軍等， 2018)。

由于鈣華主要分布于水流活動(dòng)頻繁的碳酸巖地區(qū)，很少用于建筑物的持力層，因此對(duì)鈣華的工程特性研究較少。Dolezel et al.(2004)對(duì)鈣華的棱柱體抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行了室內(nèi)測試，結(jié)果表明，鈣華的抗壓強(qiáng)度為50.8MPa，彈性模量可達(dá)20.19GPa，但對(duì)于鈣華的野外原位測試，國內(nèi)外文獻(xiàn)鮮有涉及。隨著我國“一帶一路”倡議的實(shí)施，巖土工程領(lǐng)域在服務(wù)工程建設(shè)中遇到的特殊巖土越來越多，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)這類巖土的特性對(duì)于推動(dòng)我國海外的工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義(張先偉等， 2018)。本文以南美洲玻利維亞東南地區(qū)的鈣華層為研究對(duì)象，對(duì)這一特殊巖土的物理及力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 工程概況

鈣華層具有較高的SPT值，上部2～3m范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入N值為39～77擊，平均47.4擊； 3m以下深度范圍內(nèi)標(biāo)貫50擊時(shí)的平均貫入深度為13.4cm，對(duì)鈣華層進(jìn)行重型動(dòng)力觸探測試，發(fā)現(xiàn)穿心錘有反彈現(xiàn)象，探頭無法連續(xù)貫入。

工程勘察中發(fā)現(xiàn)，鈣華浸水后的穩(wěn)定性較差，筆者在上部2m范圍內(nèi)的鈣華層中采取試樣，放入杯中，向杯中注入清水并沒過試樣，觀察試樣的變化情況，結(jié)果顯示鈣華在水中逐漸崩解， 2個(gè)小時(shí)后分解為碎塊(圖1，圖2)。

圖1 水杯中鈣華試樣Fig.1 Travertine sample in cup

圖2 鈣華試樣在水中崩解Fig.2 Decomposition of travertine

2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)分為巖礦鑒定和現(xiàn)場測試。巖礦鑒定試驗(yàn)用于了解鈣華的主要礦物成分和結(jié)構(gòu)特征； 現(xiàn)場試驗(yàn)分為滲水試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，滲水試驗(yàn)用于測試水在鈣華中的滲透速率，載荷試驗(yàn)用于測試鈣華在原位條件和浸水條件下的地基承載力，分析水對(duì)鈣華承載力的影響，濕陷性試驗(yàn)測試鈣華在恒定荷載和長時(shí)間浸水狀態(tài)下的變形特征，為判定鈣華地基的長久穩(wěn)定性提供依據(jù)。

2.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定所選標(biāo)本呈黃白色，泥狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，表觀密度為2.2g·cm-3，加稀鹽酸后劇烈起泡。鑒定結(jié)果顯示，本場區(qū)鈣華的礦物成分主要為方解石，方解石菱形解理、閃突起顯著，干涉色為高級(jí)白、一軸晶，負(fù)光性(圖3)。

圖3 巖礦鑒定單偏光10×5鏡像圖Fig.3 Single polarized photo

2.2 滲水試驗(yàn)

滲透系數(shù)是滲流分析的基礎(chǔ)，是研究土體穩(wěn)定性的重要參數(shù)(趙夢怡等， 2018)，為測得鈣華層的滲透系數(shù)，筆者在現(xiàn)場進(jìn)行了大型試坑的滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)參照《水文地質(zhì)手冊》(中國地質(zhì)調(diào)查局， 2012)關(guān)于試坑滲水試驗(yàn)的要求進(jìn)行(圖4)。開挖試坑深度為3.65m，坑底尺寸0.7 m×2.4m，揭露鈣華層厚度2.0m。向坑底注水，保持常水頭高度為0.1m，按照5 min、10 min、20 min、30 min、30 min的時(shí)間間隔記錄入滲水量的變化情況，當(dāng)滲入水量持續(xù)穩(wěn)定2個(gè)小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 現(xiàn)場滲水試驗(yàn)Fig.4 Water injection test

根據(jù)滲水試驗(yàn)達(dá)西公式：

v=Q/F

(1)

式中：v為滲透速率(cm·s-1)；Q為入滲水量(cm)；F為時(shí)間(s)。

計(jì)算各時(shí)間段的平均滲透速度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制滲透速度歷時(shí)曲線圖(圖5)。

(4)道路周邊狀況，除以上三個(gè)反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)外，馬拉松運(yùn)動(dòng)對(duì)城市道路以及沿途條件有一些獨(dú)特要求。因?yàn)槌鞘旭R拉松對(duì)城市形象的展示與城市文化的傳播具有積極的作用。所以，馬拉松線路應(yīng)涉及該城市區(qū)域內(nèi)能反映城市歷史、城市風(fēng)貌與城市精神的主要景點(diǎn)，沿途秀麗的風(fēng)景中既要有歷史遺址的厚重文化，又要有日新月異的時(shí)代風(fēng)貌。

圖5 滲透速度歷時(shí)曲線圖Fig.5 Graph of permeation velocity versus time

圖5中曲線表明，水在鈣華層中的滲透速度隨時(shí)間延長而逐漸減小。在前20min內(nèi)，滲透速度由8.0×10-3cm·s-1降低至4.0×10-3cm·s-1， 20 min至50 min變化梯度有所降低，由4.0×10-3cm·s-1降低至2.0×10-3cm·s-1，在1.5個(gè)小時(shí)之后滲透速度基本維持不變。本次試驗(yàn)測得鈣華層最終的滲透系數(shù)為1.7×10-3cm·s-1，屬于中等透水地層。

2.3 載荷試驗(yàn)

鈣華是本場區(qū)建筑物擬選用的持力層，鑒于鈣華試樣在水杯中迅速崩解的現(xiàn)象，筆者在現(xiàn)場安排了浸水載荷試驗(yàn)，以研究鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征。

由于目前缺少針對(duì)鈣華的載荷試驗(yàn)規(guī)程，本次載荷試驗(yàn)依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T50942-2014)進(jìn)行。試驗(yàn)共分2組，其中P1試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)前進(jìn)行浸水，水頭高度為30cm，浸水5d后進(jìn)行分級(jí)加載，用以測試鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征； P2試驗(yàn)點(diǎn)的鈣華保持天然狀態(tài)，先分級(jí)加載至200kPa，待沉降穩(wěn)定后保持荷載不變，向試坑內(nèi)均勻注水，水頭高度恒定為30cm，測試鈣華在恒載作用下的總?cè)芟萘浚袛噔}華層的溶陷性。

本試驗(yàn)采用重型挖掘機(jī)作為反力裝置，液壓千斤頂逐級(jí)加載，通過試驗(yàn)分析儀記錄每級(jí)荷載下的壓力和位移。承壓板采用正方形鋼板，P1點(diǎn)承壓板的面積為0.25m2，P2點(diǎn)承壓板的面積為0.50m2。

圖6 載荷試驗(yàn)Fig.6 Bearing capacity test

圖7 溶陷性試驗(yàn)Fig.7 Collapsibility test

試驗(yàn)嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行，在第1個(gè)小時(shí)內(nèi)，每間隔15 min測量一次沉降量，以后每隔0.5 h測一次沉降量，若連續(xù)2 h沉降量小于0.1 mm，則施加下一級(jí)荷載。若出現(xiàn)以下情況，則終止試驗(yàn)：

(1)承壓板周圍土體有隆起或擠出現(xiàn)象；

(2)地基沉降量急劇增加，P-s曲線斜率突變；

(3)沉降量s與承壓板寬度b的比值大于0.06。

在計(jì)算鈣華的變形模量(E0)時(shí)，選取P-s關(guān)系曲線的初始直線段，根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ340-2015)的公式計(jì)算：

(2)

式中：P為試驗(yàn)施加的荷載(kPa)；b為承壓板的邊長(m)；s為每級(jí)荷載的沉降量(mm)；m為泊松比(取0.27)；I0為承壓板形狀系數(shù)(取0.886)。

3 試驗(yàn)成果分析

P1試驗(yàn)點(diǎn)用以測試鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征。試驗(yàn)設(shè)定每級(jí)加載80kPa，加載7級(jí)后反力用盡而停止試驗(yàn)，實(shí)際最大荷載為560kPa。根據(jù)實(shí)測的荷載與沉降數(shù)值，繪制出P-s關(guān)系曲線圖(圖8)。

圖8 P1試驗(yàn)點(diǎn)P-s曲線Fig.8 P-s curve at P1 test point

在試驗(yàn)荷載作用下，P1點(diǎn)的地基未發(fā)生破壞，P-s曲線的斜率變化較小，未出現(xiàn)比例界限。根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：P-s曲線未出現(xiàn)比例界限時(shí)，可采用相對(duì)變形值確定承載力特征值，且所取的承載力不應(yīng)大于最大試驗(yàn)荷載的一半。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本試驗(yàn)的相對(duì)變形值取0.01b，其對(duì)應(yīng)的荷載為388kPa，而最大加載量的一半為280kPa，因此判定鈣華的地基承載力特征值為280kPa，通過式(2)計(jì)算得到該點(diǎn)的變形模量E0為36.85MPa。

P2試驗(yàn)點(diǎn)用于測試鈣華的溶陷性，試驗(yàn)設(shè)定每級(jí)加載100kPa。首先保持地基的天然狀態(tài)，分級(jí)加載至200kPa，沉降穩(wěn)定后保持壓力不變，向試坑內(nèi)均勻注入清水，水頭高度為30cm，觀測鈣華在常水頭恒壓條件下的溶陷特征，在持續(xù)浸水加載3h后，鈣華層的沉降趨于穩(wěn)定。根據(jù)荷載和實(shí)測沉降數(shù)得到P-s關(guān)系曲線(圖9)。

圖9 P2試驗(yàn)點(diǎn)P-s曲線Fig.9 P-s curve at P2 point

根據(jù)P2點(diǎn)的P-s曲線，鈣華在天然狀態(tài)下的荷載和變形呈現(xiàn)線彈性關(guān)系，當(dāng)荷載增大至200kPa時(shí)，地基的沉降量僅為2.57mm，變形模量E0可達(dá)45.39MPa。在恒壓條件下，浸水之后的沉降量會(huì)明顯增加，總沉降量為3.71mm，比天然狀態(tài)增加1.14mm。

載荷試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)人員將試坑中的積水排出，并在試坑中開挖探槽，測量水在鈣華中的浸潤深度，用以計(jì)算鈣華在浸水狀態(tài)下的溶陷系數(shù)。經(jīng)測量，在浸水3h后，鈣華層的實(shí)際浸潤深度為0.65m。

根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范》，溶陷系數(shù)可按下式計(jì)算：

δ=Δs/hs

(3)

式中：hs為浸潤深度(m)； Δs為浸水后的沉降增量(m)。當(dāng)溶陷系數(shù)大于或等于0.01時(shí)應(yīng)判定為溶陷性土。

根據(jù)P2點(diǎn)的P-s曲線，該點(diǎn)浸水后的附加沉降量Δs為1.14mm，可計(jì)算得到鈣華的溶陷系數(shù)δ為0.00175，該系數(shù)遠(yuǎn)小于0.01，因此判定鈣華為非溶陷性土。

綜合P1和P2點(diǎn)的試驗(yàn)成果，可知鈣華具有較高的承載力，浸水后的承載力特征值不低于280kPa； 天然狀態(tài)下的變形模量可達(dá)45.39MPa，浸水后的變形模量雖然有所降低，但仍然可以達(dá)到36.85MPa，鈣華具有承載力高、壓縮性低的特點(diǎn)，是一種良好的建筑物持力層。

4 鈣華對(duì)工程的影響和應(yīng)對(duì)措施

鈣華是場區(qū)大部分建筑物的基底持力層，對(duì)建筑物的安全、造價(jià)和工期等均會(huì)產(chǎn)生重要影響，在建筑設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)根據(jù)鈣華的特性采取相應(yīng)的措施。

(1)鈣華遇水后穩(wěn)定性較差，在浸水狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生崩解現(xiàn)象，這種特性會(huì)對(duì)基坑邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在流水沖刷溶蝕作用下，鈣華邊坡表面可能會(huì)有巖塊滑落，影響邊坡安全。宜將基坑和基礎(chǔ)施工安排在旱季，若在雨季施工，應(yīng)做好基坑坡頂水流的攔截和邊坡坡面的覆蓋，杜絕流水與鈣華層的接觸。

(2)鈣華在天然狀態(tài)下承載力較高，遇水后承載力有降低的趨勢。在基槽開挖時(shí)，應(yīng)盡可能保持基槽的干燥狀態(tài)，做好防水墊層并及時(shí)澆筑混凝土； 若遇到降雨天氣，應(yīng)做好地基土的覆蓋，將水流迅速排出基槽。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，鈣華的滲透系數(shù)較小，短時(shí)間的水流對(duì)鈣華層的浸潤深度較小，當(dāng)建筑物基底鈣華層受到雨水影響時(shí)，可將受影響的鈣華層挖除，將基礎(chǔ)下落至干燥的鈣華層。

(3)場區(qū)表層的黏性土是良好的天然隔水層，在建筑物肥槽回填時(shí)，應(yīng)采用黏性土分層回填并壓實(shí)，達(dá)到隔斷地表水滲入鈣華層的目的。

5 結(jié) 論

本文通過巖礦鑒定、滲水試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)，分析了鈣華的礦物組成和滲透系數(shù)，并對(duì)鈣華的力學(xué)性質(zhì)做出研究，得出以下結(jié)論：

(1)鈣華的主要成分為碳酸鹽，在微觀狀態(tài)下呈實(shí)心或空心球狀。

(2)鈣華屬于非溶陷性土，具有承載力高、壓縮性低的特點(diǎn)，在天然狀態(tài)和浸水狀態(tài)的變形模量分別為45.39MPa和36.85MPa，地基承載力特征值大于280kPa，是一種良好的天然地基。

(3)鈣華的滲透系數(shù)為1.7×10-3cm·s-1，浸水后的浸潤厚度較小，通過地表截水和基槽覆蓋等措施，可有效降低水流對(duì)地基承載力的不利影響。