鈣質結核土工程地質特性試驗方法分析

任 玲

（山東省地質礦產勘查開發局第五地質大隊，山東 泰安 271000）

鈣質結核歸屬于沉積物的范疇，主要成分為碳酸鈣，它的形成與氣候因素有關。通常情況下，降水量較少的地區，鈣質結核土的形成可能性大。在工程建設中，施工場地若是存在鈣質結核土，則會使土體自身呈現出非常明顯的各向異性，這種土的性質與其他土體完全不同，不能將之列入已知的土類中。為此需要在開工前，對鈣質結核土進行相關測試，確定其承載力、滲透性及壓縮性等特性。

1 鈣質結核土的成因及成分

1.1 成因

鈣質結核土的形成主要與氣候、河道變化、海平面升降、地下水作用等因素有關。在大自然中，淺層地下水是碳酸鈣的主要來源，相關研究結果表明，鈣質結核的體積大小，與淺層地下水的保持時間和蒸發率有直接關聯。通過碳十四斷代法可以推算出最早的鈣質結核出現的年份距今有（1715±65）年到（1825±65）年。

1.2 成分

在對鈣質結核土的成分進行研究的過程中，通常都是以化學成分為主，土層剖面中的鈣質結核多數是以聚集的形式存在，有的是一層、有的是多層。由于鈣質結核在土層中的形態及化學成分有所不同，因此出現了以下幾種鈣質結核，如雛形、完形和硬磐層等。鈣質結核中含有少量的有機碳，富含碳酸鹽，pH值為8.4～8.7。鈣質結核從核心向外生長，它的核心在從小變大的過程中，內層會富集鈣，外層則會富集硅、鐵、鋁、鈦等元素[1]。

2 鈣質結核土工程地質特性試驗方法

為深入了解鈣質結核土的工程地質特性，可以進行如下試驗：承載力試驗、滲透性試驗、壓縮性試驗等。

2.1 承載力試驗

在對鈣質結核土的承載力進行測試時，可以采用較為成熟的靜力荷載試驗，具體過程如下。

（1）試驗方法。靜力荷載試驗可以在工程現場進行，具體操作要點如下：①在場地中選取具有代表性的部位，依據基礎設計深度開挖試坑，確保坑底的寬度為承壓板寬度的3倍以上。②在測試過程中，為使地基土體保持原狀結構及天然的濕潤程度，可在開挖試坑時，在底部預留出一定厚度的土層，以25cm左右為宜，荷載測試開始后，將這部分土層挖除，下入承壓板。③參考靜力荷載試驗示意圖安裝相關設備，具體要求為試坑挖好后，在對承壓板進行安裝前，應當先對坑底進行整平處理，并在其上鋪設一層厚度為2cm左右的砂墊層[2]；對荷載臺架、千斤頂等設備進行安裝，保證設備中心與承壓板的中心相一致；以對稱的形式安裝沉降觀測裝置。④當所有設備及裝置全部安裝就位后，便可采用分級的方法施加荷載。其中首級荷載應當計入所有設備的重量，并盡可能接近卸除土體的自重，對之后的每一級荷載進行增量時，可以取土層預估極限壓力的1/10。⑤可在每級荷載下觀測沉降情況，合理確定沉降觀測的間隔時間。根據相關經驗，并結合規范要求，在施加荷載后的首個30min內，共計觀測3次，每次的間隔時間為10min；之后每隔15min觀測1次，共觀測2次；最后每隔30min觀測1次，直至全部荷載施加完畢為止。當每小時的累計沉降量保持在0.1mm以下，說明沉降達到穩定的標準，此時可施加下一級荷載[3]。⑥靜力荷載試驗的結束標準為，承壓板周圍的土體出現較為明顯的裂縫；荷載一定沉降速度為常數。卸荷時可以對回彈進行觀測，卸荷量為施加荷載量的2倍，在60min內完成4次觀測，每間隔15min觀測1次。

（2）確定承載力。設鈣質結核土地基的承載力基本值為f0，根據上文的靜力荷載試驗結果，可對f0進行確定，具體如下：①如果荷載-沉降曲線上存在較為明確的比例界限荷載，那么可以取與該荷載相對應的值，并使其等于f0；若能夠確定極限荷載，則可取其1/2作為f0。②當上述兩個條件全都無法確定時，在承壓板面積已知的前提下，可以取與s/b對應的荷載值[4]。

2.2 滲透性試驗

在對鈣質結核土的滲透性進行測試時，可以采用抽水試驗法，具體的操作要點如下。

（1）抽水試驗過程。對鈣質結核土的滲透系數進行確定的過程中，可以選用穩態抽水試驗的方法，該試驗的操作要點是分別設置抽水孔及觀測孔，二者的關鍵參數見表1。

表1 抽水孔與觀測孔的基本參數 單位：m

穩態抽水試驗采用相關的水文地質模型（見圖1）。

圖1 穩態抽水試驗水文地質模型示意圖

根據圖1中的模型，借助相關公式，可以計算出鈣質結核土的滲透系數k，具體的計算公式如下：

式中：Q為抽水孔的實際出水量，m3/s；s為抽水孔的水位降深，m；s1為觀測孔的水位降深，m；rw為抽水孔的鉆孔半徑，m；r1為抽水孔與觀測孔之間的距離，m；l0 為孔深[5]，m。l=l0-0.5(s+s1)。

（2）試驗結果。根據水文地質模型，將相關數值帶入公式中，通過計算能夠得出穩態抽水3次降深后的土層滲透系數，見表2。抽水孔q-s曲線見圖2。

表2 抽水試驗結果

圖2 抽水孔q-s曲線

由圖2可以判斷出試驗土層的滲透性比較好，具有較大的出水量。與室內滲透試驗結果進行對比后，得出如下結論：在工程現場對土層進行抽水試驗所得的滲透系數比室內試驗所得的滲透系數高一些，究其根本原因是現場土層中含一定的鈣質結核。由于鈣質結核的存在，因此使得原土體的性質發生改變，給水流提供了良好的滲透條件，滲透性能超過常規的黏性土，在工程建設中需要注意。

2.3 壓縮性實驗

（1）分析方法。工程地質中鈣質結核的存在，會對土體的壓縮性指標造成一定程度的影響。鈣質結核的剛度要比黏粒本身的剛度大很多，假定其在受到外界壓力時不會發生變形，據此可從如下幾個方面對鈣質結核的影響進行分析：①鈣質結核豎向上的粒徑與固結儀試樣盒的厚度相等，或大于其厚度。在外部荷載相對較小的情況下，鈣質結核的應變量也比較小，在這一前提下，經過測試得到的壓縮性比較小，壓縮模量與實際不符。因為壓縮性試驗中，通常都會將粒徑比較大的鈣質結核剔除掉，所以上述情況基本不會出現。②鈣質結核豎向上的粒徑比試樣盒的厚度小，但卻比黏粒的變形量大。在固結的前提下，試樣的高度將會無限接近于鈣質結核的粒徑大小，但由于鈣質結核的剛度比較大，因此測得的壓縮模量偏大，這種情況在實際測試中比較常見。③鈣質結核豎向上的粒徑比試樣盒的厚度小，并且比黏粒的變形量小。這是最為合理的一種情況，由此測得的土層壓縮性與實際最為接近。但需要注意的是，如果試驗過程中，過分剔除鈣質結核，或是擾動程度比較大，那么可能會使試驗結果中的土體壓縮性增大。

（2）環刀試驗。在測定鈣質結核土壓縮性時，為獲得較為準確的試驗結果，可以采用環刀試驗。同時，在綜合考慮上述三種情況的前提下，可以選用尺寸較大的環刀[6]。此次試驗中，選擇的環刀尺寸為Φ79.8mm×10mm，得到的壓縮模量ES結果見表3。

表3 壓縮模量結果

此次試驗所得結果的歸一性比較好，極大值與極小值的出現頻率不高，說明環刀尺寸足夠大時，能夠獲得準確的壓縮模量測試結果。

3 結束語

綜上所述，鈣質結核土的存在，會對工程建設施工造成一定的影響。故此開工前，要對鈣質結核土的特性進行確定，為施工提供指導依據。在具體測定時，可以采用相應的試驗方法，并保證試驗結果的準確性。鈣質結核土的工程地質特性相對較多，限于篇幅，文章僅對其中比較關鍵的承載力、滲透性以及壓縮性的試驗方法進行分析。未來一段時期，應加大對鈣質結核土試驗方法的研究力度，通過優化改進，提高試驗結果的準確性。