《禹門口提水東擴(kuò)工程初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》中修正系數(shù)β0取值的探討

李偉

（1.山西省水利水電科學(xué)研究院 太原 030002 2.太原理工大學(xué) 太原 030024）

1 工程地質(zhì)概況

山西省禹門口提水東擴(kuò)工程是為臨汾、運(yùn)城五縣市（新絳、襄汾、侯馬、曲沃、翼城）工業(yè)、農(nóng)業(yè)供水以及農(nóng)村生活用水的保障性供水工程。工程輸水主管線采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP），全長48.8 km，經(jīng)過的主要地貌單元為山前沖洪積傾斜平原區(qū)、汾河河谷、漫灘及階地，本段汾河主要發(fā)育一級(jí)階地和三級(jí)階地。該工程管道線路主要經(jīng)過區(qū)域地表覆蓋晚更新世Q3f（新絳、襄汾、侯馬、曲沃）、Q3L（翼城）以及全新世Q4f，主管線經(jīng)過區(qū)域是典型濕陷性黃土地區(qū)。參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025-2004（以下簡稱《黃土規(guī)范》），山西濕陷性黃土地區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)域，分別為：Ⅱ區(qū)（隴東－陜北－晉西）、Ⅳ區(qū)（山西－冀北）。禹門口提水東擴(kuò)工程主管線分布在Ⅳ區(qū)（山西－冀北）上。該地區(qū)低階地多屬非自重濕陷性黃土，高階地多數(shù)自重濕陷性黃土，濕陷性黃土層多為5～10m，濕陷等級(jí)一般為Ⅱ－Ⅲ級(jí)。

2 黃土濕陷性評(píng)價(jià)的方法

《黃土規(guī)范》對濕陷性的評(píng)價(jià)方法：①依據(jù)自重濕陷量的計(jì)算值（Δzs）或自重濕陷量實(shí)測值（Δzs′）判定濕陷性黃土場地的濕陷類型；②依據(jù)濕陷量的計(jì)算值（Δs）和（Δzs）判定濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)。場地濕陷類型（自重濕陷黃土場地還是非自重濕陷黃土場地）、地基濕陷等級(jí)（地基的濕陷程度）都是濕陷性黃土地區(qū)重要工程屬性，決定著地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì)。評(píng)價(jià)中用到的參數(shù)Δzs、Δs由室內(nèi)壓縮試驗(yàn)來確定；Δzs′由現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)來確定。由于黃土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果Δzs來判定場地濕陷類型及地基濕陷等級(jí)時(shí)往往與實(shí)際存在差異，因此《黃土規(guī)范》規(guī)定計(jì)算Δzs時(shí)需用β0進(jìn)行修正，使Δzs與Δzs′盡量接近，計(jì)算公式為，式中 δZsi為第 i層土的自重濕陷系數(shù)（上覆土飽和自重壓力下的濕陷系數(shù)），hi為第i層土的厚度，β0為地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)。我國黃土土質(zhì)具有區(qū)域性差異的特點(diǎn)，β0的取值也具有相似的區(qū)域性差異?！饵S土規(guī)范》對β0的取值做了如下注解：在缺乏實(shí)測資料時(shí)可按下列規(guī)定取值，①隴西地區(qū)取1.5，②隴東-陜北-晉西地區(qū)取1.2，③關(guān)中地區(qū)取0.9，④其他地區(qū)取0.5。規(guī)范建議的β0是在不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大量Δzs與相對應(yīng)的Δzs′比較而得到的統(tǒng)計(jì)值，是近似計(jì)算的修正系數(shù)。

3 工程地質(zhì)資料的分析

《禹門口提水東擴(kuò)工程初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》（以下簡稱《勘查報(bào)告》）采用了探井取樣室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，計(jì)算自重濕陷量計(jì)算值Δzs的方法對主管線黃土地基進(jìn)行濕陷性評(píng)價(jià)。對《勘察報(bào)告》中主管線地質(zhì)勘察資料進(jìn)行整理分析，根據(jù)探井所代表的地基濕陷類型及濕陷等級(jí)將探井進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，見表1。從表1中可以看出濕陷等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)的探井占探井總數(shù)的34%，這么多的探井濕陷等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)與《黃土規(guī)范》中“Ⅳ區(qū)，濕陷等級(jí)一般為Ⅱ－Ⅲ級(jí)”有較大的出入。經(jīng)深入分析發(fā)現(xiàn)《勘查報(bào)告》中β0取值為1.2，較《黃土規(guī)范》中該區(qū)域β0建議值0.5偏大，β0取值的偏大造成Δzs計(jì)算結(jié)果偏大，地基濕陷等級(jí)也相應(yīng)偏大。為了驗(yàn)證《勘查報(bào)告》中β0取值的合理性，根據(jù)《勘查報(bào)告》在管線上選取了一自重濕陷場地進(jìn)行試坑浸水試驗(yàn)，目的在于獲得該場地的自重濕陷量實(shí)測值Δzs′，并與室內(nèi)試驗(yàn)得到的Δzs比較，從而得到該場地的實(shí)際的β0值。

表1 探井分級(jí)統(tǒng)計(jì)表

4 試驗(yàn)概況

4.1 試驗(yàn)場地工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)場地位于侯馬市北莊村禹門口東擴(kuò)工程二級(jí)泵站旁，地貌單元為汾河三級(jí)階地，地下水埋深60 m。探井深度為10 m，取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探井揭露試驗(yàn)場地的地層結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 試驗(yàn)場地地層結(jié)構(gòu)

4.2 試驗(yàn)布置

試坑浸水試驗(yàn)依據(jù)《黃土規(guī)范》的要求實(shí)施，在進(jìn)行現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)之前，對試驗(yàn)場地進(jìn)行了勘探，確定試驗(yàn)場地沒有墓穴等干擾因素存在。試坑為圓形，直徑10 m，坑深0.5 m，坑底鋪設(shè)厚100 mm的砂礫石層。浸水試坑布置見圖1，試坑內(nèi)共設(shè)置標(biāo)點(diǎn)13個(gè)，成十字型布置，標(biāo)點(diǎn)均為淺標(biāo)點(diǎn)，埋深為30 cm；試坑外布置12個(gè)地面觀測標(biāo)點(diǎn)；試坑外設(shè)置兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。使用水準(zhǔn)儀測量坑內(nèi)外標(biāo)尺（觀測點(diǎn)）與基準(zhǔn)點(diǎn)的高度差計(jì)算標(biāo)尺（觀測點(diǎn)）相對基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量。

圖1 浸水試坑布置示意圖

4.3 試驗(yàn)過程

浸水試驗(yàn)共歷時(shí)54天，其中浸水36天。停水后又繼續(xù)觀測了18天，浸水過程總注水量為4 187 m3，試驗(yàn)前期日注水量較大，隨著土層自上而下逐漸飽和，日注水量趨于穩(wěn)定，日均注水量120 m3。試驗(yàn)期間試坑外圍出現(xiàn)若干細(xì)微裂縫段，最長裂縫約2.5 m，位于試坑正北方向距坑邊2.5 m處，試坑外圍地面無塌陷。至觀測結(jié)束，實(shí)測最大沉降量發(fā)生在Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)（試坑中心），其最終的累計(jì)沉降量為74.1 mm，其中試驗(yàn)浸水階段沉降量為69.8 mm，停水階段沉降量僅為4.3 mm。自試坑中心向外各標(biāo)點(diǎn)累計(jì)沉降量逐漸減小。試坑外的地面觀測標(biāo)點(diǎn)無明顯沉降。

為了便于說明場地自重濕陷發(fā)生發(fā)展的全過程，以試坑中心的Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)的沉降（累計(jì)沉降、單日沉降）隨時(shí)間變化曲線（見圖2、圖3）為例進(jìn)行詳細(xì)說明（試坑內(nèi)其他標(biāo)點(diǎn)的沉降具有與Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)相似的發(fā)展過程）。

圖2 Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)累計(jì)沉降量圖

圖3 Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)單日沉降量圖

從圖2、圖3可以看出試坑沉降大致可分為三個(gè)階段，第一階段自第1天至第6天，這個(gè)階段累計(jì)沉降量曲線的斜率較平緩，試驗(yàn)前6日的平均沉降量小于2 mm/d，濕陷速率較緩慢。第二階段自第7天至第23天，第7日當(dāng)天出現(xiàn)了單日沉降量的峰值，濕陷的速度加快，累計(jì)沉降量曲線的斜率明顯增大，隨后日沉降量緩慢減小，至浸水第23天單日沉降量的5日移動(dòng)平均線減小到1 mm/d,濕陷速率非常緩慢。第三階段自第24天至第54天，累計(jì)沉降量曲線的斜率逐漸減小并最終走平，單日沉降量的5日移動(dòng)平均線逐漸接近于零，沉降趨于穩(wěn)定。通過以上三個(gè)階段分析，可以看出浸水濕陷過程的慢-快-慢（穩(wěn)定）的發(fā)展規(guī)律。以Ⅰ號(hào)標(biāo)點(diǎn)的最終沉降量74.1 mm做為該場地的Δzs′，依據(jù)《黃土規(guī)范》的規(guī)定，該場地判定為自重濕陷場地。

4.4 β0取值對Δzs計(jì)算結(jié)果的影響

通過室內(nèi)壓縮試驗(yàn)得到自重濕陷系數(shù)（δzs）及Δzs成果見表 3。以該試驗(yàn)場地 Δzs′=74.1 mm,Δzs（β0=1）=198 mm 反算該場地的實(shí)際β0值為0.37，與《黃土規(guī)范》建議的該地區(qū)β0取0.5比較接近。當(dāng)β0按《黃土規(guī)范》建議取0.5時(shí)，Δzs=99 mm比較接近Δzs′；當(dāng) β0按《勘查報(bào)告》取 1.2時(shí)，Δzs=237.6 mm 與Δzs′,差異非常顯著。

表3 自重濕陷量計(jì)算成果表

5 結(jié)論

（1）本次試驗(yàn)位于山西省侯馬市，地貌單元為汾河三級(jí)階地，屬于濕陷性黃土Ⅳ區(qū)（山西－冀北）。該場地濕陷性黃土層厚度為10 m，實(shí)測自重濕陷量為74.1 mm，為自重濕陷場地。

（2）將實(shí)測最大沉降量作為自重濕陷量實(shí)測值，與室內(nèi)自重濕陷試驗(yàn)結(jié)果相比較，可得該試驗(yàn)場地的實(shí)際β0（因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)）為0.37。

（3）禹門口提水東擴(kuò)工程主管線分布在濕陷性黃土Ⅳ區(qū)（山西－冀北），該區(qū)域《黃土規(guī)范》建議的β0取值為0.5，試驗(yàn)證明該建議值與實(shí)際β0是較為接近的?！犊辈靾?bào)告》中β0取1.2是值得商榷的，β0取1.2會(huì)導(dǎo)致管線黃土地基濕陷性評(píng)價(jià)結(jié)果比實(shí)際濕陷情況嚴(yán)重的多，采取的地基處理措施可能會(huì)偏于保守，造成不必要的浪費(fèi)。