禹門口提水東擴工程濕陷性黃土試驗研究

邢 征

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

1 工程地質概況

禹門口提水東擴工程位于山西省中南部，是向臨汾、運城6縣市（新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城）工、農業(yè)以及農村生活供水的保障性給水工程。工程輸水主管線采用預應力鋼筒混凝土管，全長48.8km，管道線路主要經過的區(qū)域是典型的濕陷性黃土地區(qū)，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地層，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，該段汾河主要發(fā)育一級階地和三級階地。

參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（以下簡稱《黃土規(guī)范》），山西濕陷性黃土地區(qū)可分為兩個區(qū)域，分別為：Ⅱ區(qū)（隴東—陜北—晉西）、Ⅳ區(qū)（山西—冀北），主管線分布在Ⅳ區(qū)。該地區(qū)低階地多屬非自重濕陷性黃土，高階地多屬自重濕陷性黃土，濕陷性黃土層5~10m，濕陷等級為Ⅱ~Ⅲ級。

2 黃土濕陷性評價方法

《黃土規(guī)范》對黃土濕陷性的評價方法為：第一，依據自重濕陷量的計算值Δzs或自重濕陷量實測值Δzs′判定濕陷性黃土場地的濕陷類型；第二，依據濕陷量的計算值Δs和Δzs判定濕陷性黃土地基的濕陷等級。場地濕陷類型（無論是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（地基的濕陷程度）都是濕陷性黃土地區(qū)的重要工程屬性，決定著地基處理方案的合理選擇和設計。由于黃土的性質及結構復雜，采用Δzs來判定場地濕陷類型及地基濕陷等級時往往與實際存在差異，因此《黃土規(guī)范》規(guī)定計算Δzs時需用修正系數β0進行修正，使Δzs與Δzs′盡量接近，計算公式為：

式中：δzsi——第i層土的自重濕陷系數（上覆土飽和自重壓力下的濕陷系數）；

hi——第i層土的厚度，mm；

β0——因地區(qū)土質而異的修正系數。

我國黃土土質具有區(qū)域性差異的特點，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：在缺乏實測資料時可按下列規(guī)定取值：隴西地區(qū)取1.5；隴東—陜北—晉西地區(qū)取1.2；關中地區(qū)取0.9；其他地區(qū)取0.5。規(guī)范建議的β0是在不同區(qū)域內進行大量Δzs與相對應的Δzs′比較而得到的統(tǒng)計值，是近似計算的修正系數。

3 試驗概況

3.1 試驗場地工程地質條件

試驗場地位于侯馬市北莊村禹門口東擴工程二級泵站旁，地貌單元為汾河三級階地，地下水埋深60m，探井深度為10m。通過取樣進行室內試驗，探井揭露試驗場地的地層結構如表1所示。

表1 試驗場地地層結構

3.2 現(xiàn)場靜荷載試驗

依據《黃土規(guī)范》，采用單線法試驗方法，在同一場地的相同標高及相同土層分別按照50kPa，100kPa，150kPa，200kPa四級壓力進行試驗。承壓板采用方形，邊長0.71m，面積0.5m2，試坑邊長2.13m，壓板底部使用10～15mm厚的粗中砂找平，壓板距地表高度為1.5m。試驗每級加壓增量為25kPa，連續(xù)2h內，每小時的下沉量小于0.1mm時，壓板下沉趨于穩(wěn)定即加下一級壓力。試坑深度為1.5m，試驗成果見圖1。

圖1 北莊村p-Ss曲線

由圖1可知，該試驗點距地表1.5m處濕陷起始壓力為40kPa。

3.3 現(xiàn)場試坑浸水試驗

試坑浸水試驗依據《黃土規(guī)范》的要求實施，在進行現(xiàn)場試坑浸水試驗之前，對試驗場地進行釬探時，確定試驗場地沒有墓穴等干擾因素存在。試坑為圓形，直徑10m，坑深0.5m，坑底鋪設厚100mm的砂礫石層。試坑內共設置13個標點，呈十字型布置，標點均為淺標點，埋深30cm；試坑外布置12個地面觀測標點并設置2個基準點，使用水準儀測量坑內外標尺（觀測點）與基準點的高度差計算標尺（觀測點）相對基準點的沉降量。

浸水試驗共歷時54d，其中浸水36d，停水后繼續(xù)觀測18d，浸水過程總注水量4187m3。試驗前期日注水量較大，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120m3。試驗期間，試坑外圍出現(xiàn)若干細微裂縫段，最長裂縫約2.5m，位于試坑正北方向距坑邊2.5m處，試坑外圍地面無塌陷。至觀測結束，實測最大沉降量發(fā)生在Ⅰ號標點（試坑中心），其最終累計沉降量為74.1mm，其中試驗浸水階段沉降量為69.8mm，停水階段沉降量僅4.3mm。自試坑中心向外各標點累計沉降量逐漸減小，試坑外地面觀測標點無明顯沉降。

為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Ⅰ號標尺的沉降（累計沉降、單日沉降）隨時間變化曲線（見圖2和圖3）為例進行詳細說明（試坑內其他標點的沉降具有與Ⅰ號標點相似的發(fā)展過程）。從圖2和圖3可以看出，試坑沉降大致可分為3個階段，第一階段自第1d至第6d，這個階段累計沉降量曲線的斜率較小，試驗前6d的平均日沉降量小于2mm/d，濕陷速率較緩慢。第二階段自第7d至第23d，第7d出現(xiàn)了單日沉降量的峰值，濕陷速度加快，累計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23d單日沉降量的5d移動平均線減小到1mm/d，濕陷速率非常緩慢。第三階段自第24d至第54d，累計沉降量曲線的斜率逐漸減小并最終走平，單日沉降量的5d移動平均線逐漸接近于0，沉降趨于穩(wěn)定。通過上述三個階段分析可以看出，浸水濕陷過程呈現(xiàn)慢—快—慢（穩(wěn)定）的發(fā)展規(guī)律。

圖2 Ⅰ號標點累計沉降量

圖3 Ⅰ號標點單日沉降量

以Ⅰ號標尺的最終沉降量74.1mm作為該場地的 Δzs′。以該試驗場地 Δzs′=74.1mm，Δzs（β0′=1）=198mm反算該場地的實際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。依據《黃土規(guī)范》規(guī)定，判定為自重濕陷場地。

4 結語

此次試驗場地濕陷性黃土層厚度為10m，現(xiàn)場靜荷載試驗實測距地面1.5m深度處濕陷起始壓力值為40kPa，現(xiàn)場試坑浸水試驗實測自重濕陷量為74.1mm，為自重濕陷場地。

禹門口提水東擴工程主管線分布在濕陷性黃土Ⅳ區(qū)，該區(qū)域《黃土規(guī)范》建議的β0取值為0.5，與現(xiàn)場試驗實測β0比較接近。