禹门口提水东扩工程湿陷性黄土试验研究

邢 征

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

1 工程地质概况

禹门口提水东扩工程位于山西省中南部，是向临汾、运城6县市（新绛、稷山、襄汾、侯马、曲沃、翼城）工、农业以及农村生活供水的保障性给水工程。工程输水主管线采用预应力钢筒混凝土管，全长48.8km，管道线路主要经过的区域是典型的湿陷性黄土地区，地表覆盖晚更新世Q3f（新绛、襄汾、侯马、曲沃）、Q3L（翼城）以及全新世Q4f地层，主要地貌单元为山前冲洪积倾斜平原区、汾河河谷、漫滩及阶地，该段汾河主要发育一级阶地和三级阶地。

参照《湿陷性黄土地区建筑规范》（以下简称《黄土规范》），山西湿陷性黄土地区可分为两个区域，分别为：Ⅱ区（陇东—陕北—晋西）、Ⅳ区（山西—冀北），主管线分布在Ⅳ区。该地区低阶地多属非自重湿陷性黄土，高阶地多属自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层5~10m，湿陷等级为Ⅱ~Ⅲ级。

2 黄土湿陷性评价方法

《黄土规范》对黄土湿陷性的评价方法为：第一，依据自重湿陷量的计算值Δzs或自重湿陷量实测值Δzs′判定湿陷性黄土场地的湿陷类型；第二，依据湿陷量的计算值Δs和Δzs判定湿陷性黄土地基的湿陷等级。场地湿陷类型（无论是自重湿陷黄土场地还是非自重湿陷黄土场地）、地基湿陷等级（地基的湿陷程度）都是湿陷性黄土地区的重要工程属性，决定着地基处理方案的合理选择和设计。由于黄土的性质及结构复杂，采用Δzs来判定场地湿陷类型及地基湿陷等级时往往与实际存在差异，因此《黄土规范》规定计算Δzs时需用修正系数β0进行修正，使Δzs与Δzs′尽量接近，计算公式为：

式中：δzsi——第i层土的自重湿陷系数（上覆土饱和自重压力下的湿陷系数）；

hi——第i层土的厚度，mm；

β0——因地区土质而异的修正系数。

我国黄土土质具有区域性差异的特点，β0的取值也具有相似的区域性差异。《黄土规范》对β0的取值做了如下注解：在缺乏实测资料时可按下列规定取值：陇西地区取1.5；陇东—陕北—晋西地区取1.2；关中地区取0.9；其他地区取0.5。规范建议的β0是在不同区域内进行大量Δzs与相对应的Δzs′比较而得到的统计值，是近似计算的修正系数。

3 试验概况

3.1 试验场地工程地质条件

试验场地位于侯马市北庄村禹门口东扩工程二级泵站旁，地貌单元为汾河三级阶地，地下水埋深60m，探井深度为10m。通过取样进行室内试验，探井揭露试验场地的地层结构如表1所示。

表1 试验场地地层结构

3.2 现场静荷载试验

依据《黄土规范》，采用单线法试验方法，在同一场地的相同标高及相同土层分别按照50kPa，100kPa，150kPa，200kPa四级压力进行试验。承压板采用方形，边长0.71m，面积0.5m2，试坑边长2.13m，压板底部使用10～15mm厚的粗中砂找平，压板距地表高度为1.5m。试验每级加压增量为25kPa，连续2h内，每小时的下沉量小于0.1mm时，压板下沉趋于稳定即加下一级压力。试坑深度为1.5m，试验成果见图1。

图1 北庄村p-Ss曲线

由图1可知，该试验点距地表1.5m处湿陷起始压力为40kPa。

3.3 现场试坑浸水试验

试坑浸水试验依据《黄土规范》的要求实施，在进行现场试坑浸水试验之前，对试验场地进行钎探时，确定试验场地没有墓穴等干扰因素存在。试坑为圆形，直径10m，坑深0.5m，坑底铺设厚100mm的砂砾石层。试坑内共设置13个标点，呈十字型布置，标点均为浅标点，埋深30cm；试坑外布置12个地面观测标点并设置2个基准点，使用水准仪测量坑内外标尺（观测点）与基准点的高度差计算标尺（观测点）相对基准点的沉降量。

浸水试验共历时54d，其中浸水36d，停水后继续观测18d，浸水过程总注水量4187m3。试验前期日注水量较大，随着土层自上而下逐渐饱和，日注水量趋于稳定，日均注水量120m3。试验期间，试坑外围出现若干细微裂缝段，最长裂缝约2.5m，位于试坑正北方向距坑边2.5m处，试坑外围地面无塌陷。至观测结束，实测最大沉降量发生在Ⅰ号标点（试坑中心），其最终累计沉降量为74.1mm，其中试验浸水阶段沉降量为69.8mm，停水阶段沉降量仅4.3mm。自试坑中心向外各标点累计沉降量逐渐减小，试坑外地面观测标点无明显沉降。

为便于说明场地自重湿陷发生发展的全过程，以试坑中心Ⅰ号标尺的沉降（累计沉降、单日沉降）随时间变化曲线（见图2和图3）为例进行详细说明（试坑内其他标点的沉降具有与Ⅰ号标点相似的发展过程）。从图2和图3可以看出，试坑沉降大致可分为3个阶段，第一阶段自第1d至第6d，这个阶段累计沉降量曲线的斜率较小，试验前6d的平均日沉降量小于2mm/d，湿陷速率较缓慢。第二阶段自第7d至第23d，第7d出现了单日沉降量的峰值，湿陷速度加快，累计沉降量曲线的斜率明显增大，随后日沉降量缓慢减小，至浸水第23d单日沉降量的5d移动平均线减小到1mm/d，湿陷速率非常缓慢。第三阶段自第24d至第54d，累计沉降量曲线的斜率逐渐减小并最终走平，单日沉降量的5d移动平均线逐渐接近于0，沉降趋于稳定。通过上述三个阶段分析可以看出，浸水湿陷过程呈现慢—快—慢（稳定）的发展规律。

图2 Ⅰ号标点累计沉降量

图3 Ⅰ号标点单日沉降量

以Ⅰ号标尺的最终沉降量74.1mm作为该场地的 Δzs′。以该试验场地 Δzs′=74.1mm，Δzs（β0′=1）=198mm反算该场地的实际β0值为0.37，与《黄土规范》建议的该地区β0取0.5比较接近。依据《黄土规范》规定，判定为自重湿陷场地。

4 结语

此次试验场地湿陷性黄土层厚度为10m，现场静荷载试验实测距地面1.5m深度处湿陷起始压力值为40kPa，现场试坑浸水试验实测自重湿陷量为74.1mm，为自重湿陷场地。

禹门口提水东扩工程主管线分布在湿陷性黄土Ⅳ区，该区域《黄土规范》建议的β0取值为0.5，与现场试验实测β0比较接近。