鈣華物理力學性質試驗研究*

孟慶洲 王殿斌 孫 璽 汪名友

(①青島巖土工程技術研究中心， 青島 266000， 中國)(②青島巖土基礎工程公司， 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構，薄層殼狀或塊狀構造。根據沉積模式，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、云南白水臺和土耳其的棉花堡等。鈣華對氣候和環(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間尺度的古氣候環(huán)境重建(王海靜， 2014)，國內外專家對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頻繁的碳酸巖地區(qū)，很少用于建筑物的持力層，因此對鈣華的工程特性研究較少。Dolezel et al.(2004)對鈣華的棱柱體抗壓強度和彈性模量進行了室內測試，結果表明，鈣華的抗壓強度為50.8MPa，彈性模量可達20.19GPa，但對于鈣華的野外原位測試，國內外文獻鮮有涉及。隨著我國“一帶一路”倡議的實施，巖土工程領域在服務工程建設中遇到的特殊巖土越來越多，系統(tǒng)地評價這類巖土的特性對于推動我國海外的工程建設具有重要指導意義(張先偉等， 2018)。本文以南美洲玻利維亞東南地區(qū)的鈣華層為研究對象，對這一特殊巖土的物理及力學性質進行試驗研究。

1 工程概況

鈣華層具有較高的SPT值，上部2～3m范圍內標準貫入N值為39～77擊，平均47.4擊； 3m以下深度范圍內標貫50擊時的平均貫入深度為13.4cm，對鈣華層進行重型動力觸探測試，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，結果顯示鈣華在水中逐漸崩解， 2個小時后分解為碎塊(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 試驗布置

試驗分為巖礦鑒定和現(xiàn)場測試。巖礦鑒定試驗用于了解鈣華的主要礦物成分和結構特征； 現(xiàn)場試驗分為滲水試驗、載荷試驗和濕陷性試驗，滲水試驗用于測試水在鈣華中的滲透速率，載荷試驗用于測試鈣華在原位條件和浸水條件下的地基承載力，分析水對鈣華承載力的影響，濕陷性試驗測試鈣華在恒定荷載和長時間浸水狀態(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。

2.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定所選標本呈黃白色，泥狀結構，塊狀構造，表觀密度為2.2g·cm-3，加稀鹽酸后劇烈起泡。鑒定結果顯示，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，干涉色為高級白、一軸晶，負光性(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

滲透系數(shù)是滲流分析的基礎，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)場進行了大型試坑的滲水試驗，試驗參照《水文地質手冊》(中國地質調查局， 2012)關于試坑滲水試驗的要求進行(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的時間間隔記錄入滲水量的變化情況，當滲入水量持續(xù)穩(wěn)定2個小時后，試驗結束。

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

根據滲水試驗達西公式：

v=Q/F

(1)

式中：v為滲透速率(cm·s-1)；Q為入滲水量(cm)；F為時間(s)。

計算各時間段的平均滲透速度，根據試驗結果繪制滲透速度歷時曲線圖(圖5)。

(4)道路周邊狀況，除以上三個反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標外，馬拉松運動對城市道路以及沿途條件有一些獨特要求。因為城市馬拉松對城市形象的展示與城市文化的傳播具有積極的作用。所以，馬拉松線路應涉及該城市區(qū)域內能反映城市歷史、城市風貌與城市精神的主要景點，沿途秀麗的風景中既要有歷史遺址的厚重文化，又要有日新月異的時代風貌。

圖5 滲透速度歷時曲線圖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間延長而逐漸減小。在前20min內，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個小時之后滲透速度基本維持不變。本次試驗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

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，以研究鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征。

由于目前缺少針對鈣華的載荷試驗規(guī)程，本次載荷試驗依據《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》(GB/T50942-2014)進行。試驗共分2組，其中P1試驗點在試驗前進行浸水，水頭高度為30cm，浸水5d后進行分級加載，用以測試鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征； P2試驗點的鈣華保持天然狀態(tài)，先分級加載至200kPa，待沉降穩(wěn)定后保持荷載不變，向試坑內均勻注水，水頭高度恒定為30cm，測試鈣華在恒載作用下的總溶陷量，判斷鈣華層的溶陷性。

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

圖6 載荷試驗Fig.6 Bearing capacity test

圖7 溶陷性試驗Fig.7 Collapsibility test

試驗嚴格按照規(guī)范的要求進行，在第1個小時內，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，則施加下一級荷載。若出現(xiàn)以下情況，則終止試驗：

(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。

在計算鈣華的變形模量(E0)時，選取P-s關系曲線的初始直線段，根據《建筑地基檢測技術規(guī)范》(JGJ340-2015)的公式計算：

(2)

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

3 試驗成果分析

P1試驗點用以測試鈣華在浸水狀態(tài)下的承載力和變形特征。試驗設定每級加載80kPa，加載7級后反力用盡而停止試驗，實際最大荷載為560kPa。根據實測的荷載與沉降數(shù)值，繪制出P-s關系曲線圖(圖8)。

圖8 P1試驗點P-s曲線Fig.8 P-s curve at P1 test point

在試驗荷載作用下，P1點的地基未發(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《建筑地基檢測技術規(guī)范》規(guī)定：P-s曲線未出現(xiàn)比例界限時，可采用相對變形值確定承載力特征值，且所取的承載力不應大于最大試驗荷載的一半。根據規(guī)范規(guī)定，本試驗的相對變形值取0.01b，其對應的荷載為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)計算得到該點的變形模量E0為36.85MPa。

P2試驗點用于測試鈣華的溶陷性，試驗設定每級加載100kPa。首先保持地基的天然狀態(tài)，分級加載至200kPa，沉降穩(wěn)定后保持壓力不變，向試坑內均勻注入清水，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。根據荷載和實測沉降數(shù)得到P-s關系曲線(圖9)。

圖9 P2試驗點P-s曲線Fig.9 P-s curve at P2 point

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

載荷試驗結束后，試驗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，用以計算鈣華在浸水狀態(tài)下的溶陷系數(shù)。經測量，在浸水3h后，鈣華層的實際浸潤深度為0.65m。

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

δ=Δs/hs

(3)

式中：hs為浸潤深度(m)； Δs為浸水后的沉降增量(m)。當溶陷系數(shù)大于或等于0.01時應判定為溶陷性土。

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

綜合P1和P2點的試驗成果，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45.39MPa，浸水后的變形模量雖然有所降低，但仍然可以達到36.85MPa，鈣華具有承載力高、壓縮性低的特點，是一種良好的建筑物持力層。

4 鈣華對工程的影響和應對措施

鈣華是場區(qū)大部分建筑物的基底持力層，對建筑物的安全、造價和工期等均會產生重要影響，在建筑設計和施工過程中，應根據鈣華的特性采取相應的措施。

(1)鈣華遇水后穩(wěn)定性較差，在浸水狀態(tài)下會產生崩解現(xiàn)象，這種特性會對基坑邊坡的穩(wěn)定性產生不利影響。在流水沖刷溶蝕作用下，鈣華邊坡表面可能會有巖塊滑落，影響邊坡安全。宜將基坑和基礎施工安排在旱季，若在雨季施工，應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，應盡可能保持基槽的干燥狀態(tài)，做好防水墊層并及時澆筑混凝土； 若遇到降雨天氣，應做好地基土的覆蓋，將水流迅速排出基槽。根據試驗結果，鈣華的滲透系數(shù)較小，短時間的水流對鈣華層的浸潤深度較小，當建筑物基底鈣華層受到雨水影響時，可將受影響的鈣華層挖除，將基礎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，應采用黏性土分層回填并壓實，達到隔斷地表水滲入鈣華層的目的。

5 結 論

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

(1)鈣華的主要成分為碳酸鹽，在微觀狀態(tài)下呈實心或空心球狀。

(2)鈣華屬于非溶陷性土，具有承載力高、壓縮性低的特點，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，可有效降低水流對地基承載力的不利影響。