徐州含砂姜黏土形成机制及其富水性讨论

周 献 富

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100020)

1 概述

徐州市区位于鲁南山区向黄淮海平原过渡的部位，以平原为主，中部斜插丘陵山区。平原是黄淮平原的一部分，其中黄河故道地势较高，海拔标高36 m～42 m，其余地势低平，海拔标高32 m～36 m，自北西向南东微倾斜。根据地貌形态、成因、微地貌特征，徐州市区内的地貌形态主要有剥蚀～溶蚀丘陵(残丘)和堆积平原两大类。

堆积平原普遍分布有第四系上更新统(Q3)老黏土地层(层号⑤-3a-4)，根据徐州1号，2号，3号，6号线勘察资料，该层土含有较多的钙质结核(砂姜)Φ≈0.5 cm～4 cm，部分粒径可达10 cm，分布不规律，局部钙质结核富集，含量约15%～30%。

2 砂姜形成机理

在Q3老黏土中一般含有一定量的钙质结核(俗称“砂姜”)，其成因为Ca(HCO3)2溶液在土层沉积过程中由于环境的改变，逸出CO2形成难溶于水的CaCO3结核状沉积物。其化学反应方程式为：

Ca(HCO3)2CaCO3↓+CO2↑+H2O

散落于土层中的CaCO3在一定条件下会被含有CO2的水重新溶解，形成Ca(HCO3)2溶液。Ca(HCO3)2溶液在一定条件下又被分解为CaCO3，形成CaCO3二次富集，粒径也相应增大，形成层状结核[1]。

3 富水性探讨

本章通过对比徐州1号线人民广场站抽水试验[2]及徐州6号线黄东路站抽水试验，对含砂姜黏土层富水性进行讨论。

3.1 徐州1号线人民广场站抽水试验

3.1.1工程概况

人民广场站位于淮海西路和二环西路交叉口。车站开挖深度16.5 m～17.5 m。场地地貌单元属于冲积平原地貌单元，近地表广泛分布全新世砂性土和黏性土。人民广场站地层信息详见表1。

表1 人民广场站基坑开挖地层一览表

3.1.2抽水试验布置

抽水试验井及观测孔总体设置于段庄环刀东侧基坑的北侧边缘，沿淮海西路近NE-SW向布置于一条线上，如图1所示。

为验证深层砂姜层的抽水试验，抽水井和深层观测井采用变径井孔。

抽水井DW上部采用φ168 mm钻进至②-3a-3至10.0 m后，向孔内灌满1∶0.8水泥浆，下入相同直径钢套管，并打入1 m的深度即至11.0 m，静置48 h待水泥充分固井后于抽水内继续施工φ146 mm孔至20.0 m深度，最后下入φ125 mm滤管及井壁管。

深层观测井S1和S2上部采用φ127 mm钻进至②-3a-3至10.0 m后，下入相同直径钢套管，并打入1 m的深度即至11.0 m，后于套管内继续施工φ108 mm孔至20.0 m深度，最后下入φ50 mm滤管及井壁管。

两口潜水观测孔采用统一φ108 mm成孔，并下入φ50 mm滤管。

抽水井及观测孔结构图详见图2。

3.1.3砂姜含量

在水文孔成孔过程中共取样19件，均取自⑤-3a-4层，完成渗透试验19组，测定砂姜含量2组，试验成果见表2。

表2 室内试验成果表

由室内渗透试验及砂姜含量测试成果可以看出：在⑤-3a-4之间地层，砂姜含量局部较大，可达到20%，同时在相邻取样深度内，渗透系数存在差别较大情况(可达到3个～4个数量级)，与砂姜层的韵律分布相吻合。其中砂姜富集段渗透系数在数量级别可达到1E-4～1E-3，较常规Q3黏性土大出2个～4个数量级。含砂姜黏土层岩芯见图3。

3.1.4抽水试验成果

抽水试验成果见表3，抽水井Q—s及q—s关系见图4。

表3 抽水试验三降深稳定值成果表

DW抽水井Q—s曲线为抛物线型，为可能存在紊流影响的承压井流类型，与含砂姜层为承压水且抽水井稍受周围施工环境影响相吻合。

1)影响半径计算。

采用GB 50027—2001供水水文地质勘察规范[3]中承压水完整井公式：

其中，R为影响半径，m；r为主抽水井井径，m；r1为观测井与抽水井距离，m；s为抽水井稳定降深，m；s1为观测孔稳定降深，m。计算结果见表4。

表4 砂姜富集层影响半径计算表 m

2)渗透系数计算。

采用承压完整井稳定流抽水试验公式，计算结果如表5所示。

其中，K为渗透系数，m/d；Q为涌水量，m3/d；s为抽水井稳定降深，m；M为含水层厚度，取平均厚度7.0 m；R为影响半径，m；r为滤水管半径，取0.062 5 m。

砂姜富集层渗透系数见表5。

表5 砂姜富集层渗透系数计算表

砂姜富集层取渗透系数平均值K=7.41 m/d(8.57×10-3cm/s)。

3.2 徐州6号线黄河东路站抽水试验

3.2.1工程概况

黄河东路站为地下两层岛式车站，底板埋深17 m。场地地貌单元属于山前冲洪积平原地貌单元，浅表层由更新统黏土以及全新统黏土构成。基坑开挖范围内地层如表6所示。

表6 黄河东路站基坑开挖地层一览表

3.2.2抽水试验布置

在黄河东路站主体结构南侧布置一组水文井D6C2S4S2(一主井一观测井)，查明砂姜黏土层中是否含水、水量及渗透系数等参数。

D6C2S4S2水文井井孔施工，设备采用以GXY-2型钻机，先采用168 mm钻进至3.0 m，然后采用锤击法下入168 mm套管至4.0 m，隔住浅部的潜水，然后采用108 mm岩心管进行全取芯，每钻不超过1.0 m，每米取一组原状土样进行室内颗分试验，全孔采用干钻施工工艺，每钻后静置30 min进行水位观测，成孔孔深14.0 m。水文井观测完成后，采用146 mm钻头进行扩孔处理，扩孔完成后下入146 mm的打孔PVC-U管，外包滤网，3.5 m～13.0 m，13.0 m～14.0 m为沉淀管。

观测孔下入127 mm套管至4.0 m，在孔内采取108 mm直径钻进至14.0 m，下入90 mm PVC-U管打孔缠丝，3.5 m～13.0 m为过滤段，下部为沉淀管。

抽水井及观测孔结构详见表7。

表7 抽水井、观测井结构设计表

3.2.3砂姜含量

在水文孔成孔过程中每隔1 m取1组土样进行室内颗分试验，测定黏土中砂姜含量，测试成果见表8。

表8 砂姜含量室内土工试验成果表

根据土工试验成果表，砂粒(>0.075 mm)含量4.6%～69.2%，砾粒(>2 mm)含量2.2%～60.7%，石粒(>20 mm)占1.4%～27.6%，砂姜含量分布不均匀(见图5)。

3.2.4抽水试验成果

D6C2S4S2组水文井钻进过程中观测，未见明显地下水。24 h后测得主井稳定水位7.50 m，观测孔水位7.40 m，采用3 m3/h泵抽约30 s抽完，抽完进行恢复水位观测，水位恢复速度约4.0 cm/h，抽水过程中观测孔水位无变化。水文井恢复曲线见图6。

由于本水文井水量较小，无法进行稳定降深的抽水试验，故本次采用潜水完整井根据水位恢复速度公式估算渗透系数，公式[4]如下：

其中，rw为抽水孔半径，m；s1,s2均为水位降深，m；H为有效水头高度，m；t为时间，d。

计算得渗透系数为7.6×10-3m/d。

3.3 砂姜黏土富水性探讨

从徐州1号线工农北站及6号线黄河东路站抽水试验结果对比，两个工点老黏土层⑤-3-4中砂姜分布无明显规律，部分区段富集，富水性差异较大。

综合徐州地区勘察经验，综合分析认为砂姜为黏土层中良好的过水通道。当场地地层类型为砂土—老黏土多元结构或者场地周边具有稳定补给源时，砂姜黏土层富水性较好；场地周边无稳定补给源时，其富水性较差，含少量水，主要为Ca(HCO3)2逸出CO2形成砂姜结核过程中产生的水，其含量与砂姜含量成正比。

4 对工程的影响

1)当含砂姜黏土层富水性较好时，其往往具有一定承压性，基坑开挖过程中若未采取止水措施或降水措施，会对基坑侧壁及坑底稳定性产生影响。

2)以往地铁建设未对含砂姜黏土的富水性进行研究，仅仅将其作为普通黏土层，地铁盾构施工时首先考虑土压平衡盾构。但在砂姜黏土富水性好的地层里采用土压盾构易导致涌水、掘进面失稳、地面沉降等风险。

3)砂姜黏土局部富集，粒径大，桩基施工时浆液易流失，导致浅部粉砂性土塌孔等现场。

5 结语

1)老黏土中砂姜含量无明显规律，韵律性较差，该层土室内渗透试验测出的渗透系数与现场抽水试验往往偏差较大(普遍差3个～4个量级)。建议在勘察过程中结合砂姜分布规律布置现场水文试验，通过水文试验确定该层土的水文参数。

2)基坑支护选型时不可简单将砂姜黏土作为普通黏土层，应根据其富水性设置必要的止水措施。

3)部分区段含砂姜黏土富水性好，具有承压性，对基坑开挖具有一定影响，施工过程中应结合具体工况按需降压。

4)盾构选型时应考虑砂姜黏土的富水性，应充分比选泥水平衡盾构机和土压盾构机。