钙华物理力学性质试验研究*

孟庆洲 王殿斌 孙 玺 汪名友

(①青岛岩土工程技术研究中心， 青岛 266000， 中国)(②青岛岩土基础工程公司， 青岛 266000， 中国)(③青岛市勘察测绘研究院， 青岛 266000， 中国)

0 引 言

钙华(Travertine或Tufa)是一种大孔隙次生碳酸钙，是岩溶水在适宜的环境下碳酸钙过饱和沉积而形成(李华举等， 2006； Hammer et al.， 2007； Rainey et al.， 2010)，一般具有多孔隙的海绵状结构，薄层壳状或块状构造。根据沉积模式，钙华可分为泉水钙华、河流障钙华、湖泊钙华和沼泽钙华，不同沉积成因的钙华造就了绚丽多彩的自然景观，如我国四川的黄龙景区、九寨沟五彩池、云南白水台和土耳其的棉花堡等。钙华对气候和环境极具敏感性，且沉积速率较快，因而适合高分辨率和短时间尺度的古气候环境重建(王海静， 2014)，国内外专家对钙华在气候方面的意义做了大量的研究(胡欣欣等， 2008； Sierralta et al.， 2010； 刘再华等， 2016； 汪智军等， 2018)。

由于钙华主要分布于水流活动频繁的碳酸岩地区，很少用于建筑物的持力层，因此对钙华的工程特性研究较少。Dolezel et al.(2004)对钙华的棱柱体抗压强度和弹性模量进行了室内测试，结果表明，钙华的抗压强度为50.8MPa，弹性模量可达20.19GPa，但对于钙华的野外原位测试，国内外文献鲜有涉及。随着我国“一带一路”倡议的实施，岩土工程领域在服务工程建设中遇到的特殊岩土越来越多，系统地评价这类岩土的特性对于推动我国海外的工程建设具有重要指导意义(张先伟等， 2018)。本文以南美洲玻利维亚东南地区的钙华层为研究对象，对这一特殊岩土的物理及力学性质进行试验研究。

1 工程概况

钙华层具有较高的SPT值，上部2～3m范围内标准贯入N值为39～77击，平均47.4击； 3m以下深度范围内标贯50击时的平均贯入深度为13.4cm，对钙华层进行重型动力触探测试，发现穿心锤有反弹现象，探头无法连续贯入。

工程勘察中发现，钙华浸水后的稳定性较差，笔者在上部2m范围内的钙华层中采取试样，放入杯中，向杯中注入清水并没过试样，观察试样的变化情况，结果显示钙华在水中逐渐崩解， 2个小时后分解为碎块(图1，图2)。

图1 水杯中钙华试样Fig.1 Travertine sample in cup

图2 钙华试样在水中崩解Fig.2 Decomposition of travertine

2 试验布置

试验分为岩矿鉴定和现场测试。岩矿鉴定试验用于了解钙华的主要矿物成分和结构特征； 现场试验分为渗水试验、载荷试验和湿陷性试验，渗水试验用于测试水在钙华中的渗透速率，载荷试验用于测试钙华在原位条件和浸水条件下的地基承载力，分析水对钙华承载力的影响，湿陷性试验测试钙华在恒定荷载和长时间浸水状态下的变形特征，为判定钙华地基的长久稳定性提供依据。

2.1 岩矿鉴定

岩矿鉴定所选标本呈黄白色，泥状结构，块状构造，表观密度为2.2g·cm-3，加稀盐酸后剧烈起泡。鉴定结果显示，本场区钙华的矿物成分主要为方解石，方解石菱形解理、闪突起显著，干涉色为高级白、一轴晶，负光性(图3)。

图3 岩矿鉴定单偏光10×5镜像图Fig.3 Single polarized photo

2.2 渗水试验

渗透系数是渗流分析的基础，是研究土体稳定性的重要参数(赵梦怡等， 2018)，为测得钙华层的渗透系数，笔者在现场进行了大型试坑的渗水试验，试验参照《水文地质手册》(中国地质调查局， 2012)关于试坑渗水试验的要求进行(图4)。开挖试坑深度为3.65m，坑底尺寸0.7 m×2.4m，揭露钙华层厚度2.0m。向坑底注水，保持常水头高度为0.1m，按照5 min、10 min、20 min、30 min、30 min的时间间隔记录入渗水量的变化情况，当渗入水量持续稳定2个小时后，试验结束。

图4 现场渗水试验Fig.4 Water injection test

根据渗水试验达西公式：

v=Q/F

(1)

式中：v为渗透速率(cm·s-1)；Q为入渗水量(cm)；F为时间(s)。

计算各时间段的平均渗透速度，根据试验结果绘制渗透速度历时曲线图(图5)。

(4)道路周边状况，除以上三个反映区域生态环境的重要指标外，马拉松运动对城市道路以及沿途条件有一些独特要求。因为城市马拉松对城市形象的展示与城市文化的传播具有积极的作用。所以，马拉松线路应涉及该城市区域内能反映城市历史、城市风貌与城市精神的主要景点，沿途秀丽的风景中既要有历史遗址的厚重文化，又要有日新月异的时代风貌。

图5 渗透速度历时曲线图Fig.5 Graph of permeation velocity versus time

图5中曲线表明，水在钙华层中的渗透速度随时间延长而逐渐减小。在前20min内，渗透速度由8.0×10-3cm·s-1降低至4.0×10-3cm·s-1， 20 min至50 min变化梯度有所降低，由4.0×10-3cm·s-1降低至2.0×10-3cm·s-1，在1.5个小时之后渗透速度基本维持不变。本次试验测得钙华层最终的渗透系数为1.7×10-3cm·s-1，属于中等透水地层。

2.3 载荷试验

钙华是本场区建筑物拟选用的持力层，鉴于钙华试样在水杯中迅速崩解的现象，笔者在现场安排了浸水载荷试验，以研究钙华在浸水状态下的承载力和变形特征。

由于目前缺少针对钙华的载荷试验规程，本次载荷试验依据《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T50942-2014)进行。试验共分2组，其中P1试验点在试验前进行浸水，水头高度为30cm，浸水5d后进行分级加载，用以测试钙华在浸水状态下的承载力和变形特征； P2试验点的钙华保持天然状态，先分级加载至200kPa，待沉降稳定后保持荷载不变，向试坑内均匀注水，水头高度恒定为30cm，测试钙华在恒载作用下的总溶陷量，判断钙华层的溶陷性。

本试验采用重型挖掘机作为反力装置，液压千斤顶逐级加载，通过试验分析仪记录每级荷载下的压力和位移。承压板采用正方形钢板，P1点承压板的面积为0.25m2，P2点承压板的面积为0.50m2。

图6 载荷试验Fig.6 Bearing capacity test

图7 溶陷性试验Fig.7 Collapsibility test

试验严格按照规范的要求进行，在第1个小时内，每间隔15 min测量一次沉降量，以后每隔0.5 h测一次沉降量，若连续2 h沉降量小于0.1 mm，则施加下一级荷载。若出现以下情况，则终止试验：

(1)承压板周围土体有隆起或挤出现象；

(2)地基沉降量急剧增加，P-s曲线斜率突变；

(3)沉降量s与承压板宽度b的比值大于0.06。

在计算钙华的变形模量(E0)时，选取P-s关系曲线的初始直线段，根据《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)的公式计算：

(2)

式中：P为试验施加的荷载(kPa)；b为承压板的边长(m)；s为每级荷载的沉降量(mm)；m为泊松比(取0.27)；I0为承压板形状系数(取0.886)。

3 试验成果分析

P1试验点用以测试钙华在浸水状态下的承载力和变形特征。试验设定每级加载80kPa，加载7级后反力用尽而停止试验，实际最大荷载为560kPa。根据实测的荷载与沉降数值，绘制出P-s关系曲线图(图8)。

图8 P1试验点P-s曲线Fig.8 P-s curve at P1 test point

在试验荷载作用下，P1点的地基未发生破坏，P-s曲线的斜率变化较小，未出现比例界限。根据《建筑地基检测技术规范》规定：P-s曲线未出现比例界限时，可采用相对变形值确定承载力特征值，且所取的承载力不应大于最大试验荷载的一半。根据规范规定，本试验的相对变形值取0.01b，其对应的荷载为388kPa，而最大加载量的一半为280kPa，因此判定钙华的地基承载力特征值为280kPa，通过式(2)计算得到该点的变形模量E0为36.85MPa。

P2试验点用于测试钙华的溶陷性，试验设定每级加载100kPa。首先保持地基的天然状态，分级加载至200kPa，沉降稳定后保持压力不变，向试坑内均匀注入清水，水头高度为30cm，观测钙华在常水头恒压条件下的溶陷特征，在持续浸水加载3h后，钙华层的沉降趋于稳定。根据荷载和实测沉降数得到P-s关系曲线(图9)。

图9 P2试验点P-s曲线Fig.9 P-s curve at P2 point

根据P2点的P-s曲线，钙华在天然状态下的荷载和变形呈现线弹性关系，当荷载增大至200kPa时，地基的沉降量仅为2.57mm，变形模量E0可达45.39MPa。在恒压条件下，浸水之后的沉降量会明显增加，总沉降量为3.71mm，比天然状态增加1.14mm。

载荷试验结束后，试验人员将试坑中的积水排出，并在试坑中开挖探槽，测量水在钙华中的浸润深度，用以计算钙华在浸水状态下的溶陷系数。经测量，在浸水3h后，钙华层的实际浸润深度为0.65m。

根据《盐渍土地区建筑规范》，溶陷系数可按下式计算：

δ=Δs/hs

(3)

式中：hs为浸润深度(m)； Δs为浸水后的沉降增量(m)。当溶陷系数大于或等于0.01时应判定为溶陷性土。

根据P2点的P-s曲线，该点浸水后的附加沉降量Δs为1.14mm，可计算得到钙华的溶陷系数δ为0.00175，该系数远小于0.01，因此判定钙华为非溶陷性土。

综合P1和P2点的试验成果，可知钙华具有较高的承载力，浸水后的承载力特征值不低于280kPa； 天然状态下的变形模量可达45.39MPa，浸水后的变形模量虽然有所降低，但仍然可以达到36.85MPa，钙华具有承载力高、压缩性低的特点，是一种良好的建筑物持力层。

4 钙华对工程的影响和应对措施

钙华是场区大部分建筑物的基底持力层，对建筑物的安全、造价和工期等均会产生重要影响，在建筑设计和施工过程中，应根据钙华的特性采取相应的措施。

(1)钙华遇水后稳定性较差，在浸水状态下会产生崩解现象，这种特性会对基坑边坡的稳定性产生不利影响。在流水冲刷溶蚀作用下，钙华边坡表面可能会有岩块滑落，影响边坡安全。宜将基坑和基础施工安排在旱季，若在雨季施工，应做好基坑坡顶水流的拦截和边坡坡面的覆盖，杜绝流水与钙华层的接触。

(2)钙华在天然状态下承载力较高，遇水后承载力有降低的趋势。在基槽开挖时，应尽可能保持基槽的干燥状态，做好防水垫层并及时浇筑混凝土； 若遇到降雨天气，应做好地基土的覆盖，将水流迅速排出基槽。根据试验结果，钙华的渗透系数较小，短时间的水流对钙华层的浸润深度较小，当建筑物基底钙华层受到雨水影响时，可将受影响的钙华层挖除，将基础下落至干燥的钙华层。

(3)场区表层的黏性土是良好的天然隔水层，在建筑物肥槽回填时，应采用黏性土分层回填并压实，达到隔断地表水渗入钙华层的目的。

5 结 论

本文通过岩矿鉴定、渗水试验和载荷试验，分析了钙华的矿物组成和渗透系数，并对钙华的力学性质做出研究，得出以下结论：

(1)钙华的主要成分为碳酸盐，在微观状态下呈实心或空心球状。

(2)钙华属于非溶陷性土，具有承载力高、压缩性低的特点，在天然状态和浸水状态的变形模量分别为45.39MPa和36.85MPa，地基承载力特征值大于280kPa，是一种良好的天然地基。

(3)钙华的渗透系数为1.7×10-3cm·s-1，浸水后的浸润厚度较小，通过地表截水和基槽覆盖等措施，可有效降低水流对地基承载力的不利影响。