徐州含砂姜黏土形成機制及其富水性討論

周 獻 富

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100020)

1 概述

徐州市區(qū)位于魯南山區(qū)向黃淮海平原過渡的部位，以平原為主，中部斜插丘陵山區(qū)。平原是黃淮平原的一部分，其中黃河故道地勢較高，海拔標高36 m～42 m，其余地勢低平，海拔標高32 m～36 m，自北西向南東微傾斜。根據(jù)地貌形態(tài)、成因、微地貌特征，徐州市區(qū)內(nèi)的地貌形態(tài)主要有剝蝕～溶蝕丘陵(殘丘)和堆積平原兩大類。

堆積平原普遍分布有第四系上更新統(tǒng)(Q3)老黏土地層(層號⑤-3a-4)，根據(jù)徐州1號，2號，3號，6號線勘察資料，該層土含有較多的鈣質(zhì)結(jié)核(砂姜)Φ≈0.5 cm～4 cm，部分粒徑可達10 cm，分布不規(guī)律，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，含量約15%～30%。

2 砂姜形成機理

在Q3老黏土中一般含有一定量的鈣質(zhì)結(jié)核(俗稱“砂姜”)，其成因為Ca(HCO3)2溶液在土層沉積過程中由于環(huán)境的改變，逸出CO2形成難溶于水的CaCO3結(jié)核狀沉積物。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

Ca(HCO3)2CaCO3↓+CO2↑+H2O

散落于土層中的CaCO3在一定條件下會被含有CO2的水重新溶解，形成Ca(HCO3)2溶液。Ca(HCO3)2溶液在一定條件下又被分解為CaCO3，形成CaCO3二次富集，粒徑也相應(yīng)增大，形成層狀結(jié)核[1]。

3 富水性探討

本章通過對比徐州1號線人民廣場站抽水試驗[2]及徐州6號線黃東路站抽水試驗，對含砂姜黏土層富水性進行討論。

3.1 徐州1號線人民廣場站抽水試驗

3.1.1工程概況

人民廣場站位于淮海西路和二環(huán)西路交叉口。車站開挖深度16.5 m～17.5 m。場地地貌單元屬于沖積平原地貌單元，近地表廣泛分布全新世砂性土和黏性土。人民廣場站地層信息詳見表1。

表1 人民廣場站基坑開挖地層一覽表

3.1.2抽水試驗布置

抽水試驗井及觀測孔總體設(shè)置于段莊環(huán)刀東側(cè)基坑的北側(cè)邊緣，沿淮海西路近NE-SW向布置于一條線上，如圖1所示。

為驗證深層砂姜層的抽水試驗，抽水井和深層觀測井采用變徑井孔。

抽水井DW上部采用φ168 mm鉆進至②-3a-3至10.0 m后，向孔內(nèi)灌滿1∶0.8水泥漿，下入相同直徑鋼套管，并打入1 m的深度即至11.0 m，靜置48 h待水泥充分固井后于抽水內(nèi)繼續(xù)施工φ146 mm孔至20.0 m深度，最后下入φ125 mm濾管及井壁管。

深層觀測井S1和S2上部采用φ127 mm鉆進至②-3a-3至10.0 m后，下入相同直徑鋼套管，并打入1 m的深度即至11.0 m，后于套管內(nèi)繼續(xù)施工φ108 mm孔至20.0 m深度，最后下入φ50 mm濾管及井壁管。

兩口潛水觀測孔采用統(tǒng)一φ108 mm成孔，并下入φ50 mm濾管。

抽水井及觀測孔結(jié)構(gòu)圖詳見圖2。

3.1.3砂姜含量

在水文孔成孔過程中共取樣19件，均取自⑤-3a-4層，完成滲透試驗19組，測定砂姜含量2組，試驗成果見表2。

表2 室內(nèi)試驗成果表

由室內(nèi)滲透試驗及砂姜含量測試成果可以看出：在⑤-3a-4之間地層，砂姜含量局部較大，可達到20%，同時在相鄰取樣深度內(nèi)，滲透系數(shù)存在差別較大情況(可達到3個～4個數(shù)量級)，與砂姜層的韻律分布相吻合。其中砂姜富集段滲透系數(shù)在數(shù)量級別可達到1E-4～1E-3，較常規(guī)Q3黏性土大出2個～4個數(shù)量級。含砂姜黏土層巖芯見圖3。

3.1.4抽水試驗成果

抽水試驗成果見表3，抽水井Q—s及q—s關(guān)系見圖4。

表3 抽水試驗三降深穩(wěn)定值成果表

DW抽水井Q—s曲線為拋物線型，為可能存在紊流影響的承壓井流類型，與含砂姜層為承壓水且抽水井稍受周圍施工環(huán)境影響相吻合。

1)影響半徑計算。

采用GB 50027—2001供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范[3]中承壓水完整井公式：

其中，R為影響半徑，m；r為主抽水井井徑，m；r1為觀測井與抽水井距離，m；s為抽水井穩(wěn)定降深，m；s1為觀測孔穩(wěn)定降深，m。計算結(jié)果見表4。

表4 砂姜富集層影響半徑計算表 m

2)滲透系數(shù)計算。

采用承壓完整井穩(wěn)定流抽水試驗公式，計算結(jié)果如表5所示。

其中，K為滲透系數(shù)，m/d；Q為涌水量，m3/d；s為抽水井穩(wěn)定降深，m；M為含水層厚度，取平均厚度7.0 m；R為影響半徑，m；r為濾水管半徑，取0.062 5 m。

砂姜富集層滲透系數(shù)見表5。

表5 砂姜富集層滲透系數(shù)計算表

砂姜富集層取滲透系數(shù)平均值K=7.41 m/d(8.57×10-3cm/s)。

3.2 徐州6號線黃河?xùn)|路站抽水試驗

3.2.1工程概況

黃河?xùn)|路站為地下兩層島式車站，底板埋深17 m。場地地貌單元屬于山前沖洪積平原地貌單元，淺表層由更新統(tǒng)黏土以及全新統(tǒng)黏土構(gòu)成?；娱_挖范圍內(nèi)地層如表6所示。

表6 黃河?xùn)|路站基坑開挖地層一覽表

3.2.2抽水試驗布置

在黃河?xùn)|路站主體結(jié)構(gòu)南側(cè)布置一組水文井D6C2S4S2(一主井一觀測井)，查明砂姜黏土層中是否含水、水量及滲透系數(shù)等參數(shù)。

D6C2S4S2水文井井孔施工，設(shè)備采用以GXY-2型鉆機，先采用168 mm鉆進至3.0 m，然后采用錘擊法下入168 mm套管至4.0 m，隔住淺部的潛水，然后采用108 mm巖心管進行全取芯，每鉆不超過1.0 m，每米取一組原狀土樣進行室內(nèi)顆分試驗，全孔采用干鉆施工工藝，每鉆后靜置30 min進行水位觀測，成孔孔深14.0 m。水文井觀測完成后，采用146 mm鉆頭進行擴孔處理，擴孔完成后下入146 mm的打孔PVC-U管，外包濾網(wǎng)，3.5 m～13.0 m，13.0 m～14.0 m為沉淀管。

觀測孔下入127 mm套管至4.0 m，在孔內(nèi)采取108 mm直徑鉆進至14.0 m，下入90 mm PVC-U管打孔纏絲，3.5 m～13.0 m為過濾段，下部為沉淀管。

抽水井及觀測孔結(jié)構(gòu)詳見表7。

表7 抽水井、觀測井結(jié)構(gòu)設(shè)計表

3.2.3砂姜含量

在水文孔成孔過程中每隔1 m取1組土樣進行室內(nèi)顆分試驗，測定黏土中砂姜含量，測試成果見表8。

表8 砂姜含量室內(nèi)土工試驗成果表

根據(jù)土工試驗成果表，砂粒(>0.075 mm)含量4.6%～69.2%，礫粒(>2 mm)含量2.2%～60.7%，石粒(>20 mm)占1.4%～27.6%，砂姜含量分布不均勻(見圖5)。

3.2.4抽水試驗成果

D6C2S4S2組水文井鉆進過程中觀測，未見明顯地下水。24 h后測得主井穩(wěn)定水位7.50 m，觀測孔水位7.40 m，采用3 m3/h泵抽約30 s抽完，抽完進行恢復(fù)水位觀測，水位恢復(fù)速度約4.0 cm/h，抽水過程中觀測孔水位無變化。水文井恢復(fù)曲線見圖6。

由于本水文井水量較小，無法進行穩(wěn)定降深的抽水試驗，故本次采用潛水完整井根據(jù)水位恢復(fù)速度公式估算滲透系數(shù)，公式[4]如下：

其中，rw為抽水孔半徑，m；s1,s2均為水位降深，m；H為有效水頭高度，m；t為時間，d。

計算得滲透系數(shù)為7.6×10-3m/d。

3.3 砂姜黏土富水性探討

從徐州1號線工農(nóng)北站及6號線黃河?xùn)|路站抽水試驗結(jié)果對比，兩個工點老黏土層⑤-3-4中砂姜分布無明顯規(guī)律，部分區(qū)段富集，富水性差異較大。

綜合徐州地區(qū)勘察經(jīng)驗，綜合分析認為砂姜為黏土層中良好的過水通道。當場地地層類型為砂土—老黏土多元結(jié)構(gòu)或者場地周邊具有穩(wěn)定補給源時，砂姜黏土層富水性較好；場地周邊無穩(wěn)定補給源時，其富水性較差，含少量水，主要為Ca(HCO3)2逸出CO2形成砂姜結(jié)核過程中產(chǎn)生的水，其含量與砂姜含量成正比。

4 對工程的影響

1)當含砂姜黏土層富水性較好時，其往往具有一定承壓性，基坑開挖過程中若未采取止水措施或降水措施，會對基坑側(cè)壁及坑底穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2)以往地鐵建設(shè)未對含砂姜黏土的富水性進行研究，僅僅將其作為普通黏土層，地鐵盾構(gòu)施工時首先考慮土壓平衡盾構(gòu)。但在砂姜黏土富水性好的地層里采用土壓盾構(gòu)易導(dǎo)致涌水、掘進面失穩(wěn)、地面沉降等風(fēng)險。

3)砂姜黏土局部富集，粒徑大，樁基施工時漿液易流失，導(dǎo)致淺部粉砂性土塌孔等現(xiàn)場。

5 結(jié)語

1)老黏土中砂姜含量無明顯規(guī)律，韻律性較差，該層土室內(nèi)滲透試驗測出的滲透系數(shù)與現(xiàn)場抽水試驗往往偏差較大(普遍差3個～4個量級)。建議在勘察過程中結(jié)合砂姜分布規(guī)律布置現(xiàn)場水文試驗，通過水文試驗確定該層土的水文參數(shù)。

2)基坑支護選型時不可簡單將砂姜黏土作為普通黏土層，應(yīng)根據(jù)其富水性設(shè)置必要的止水措施。

3)部分區(qū)段含砂姜黏土富水性好，具有承壓性，對基坑開挖具有一定影響，施工過程中應(yīng)結(jié)合具體工況按需降壓。

4)盾構(gòu)選型時應(yīng)考慮砂姜黏土的富水性，應(yīng)充分比選泥水平衡盾構(gòu)機和土壓盾構(gòu)機。