《禹门口提水东扩工程初步设计阶段工程地质勘察报告》中修正系数β0取值的探讨

李伟

（1.山西省水利水电科学研究院 太原 030002 2.太原理工大学 太原 030024）

1 工程地质概况

山西省禹门口提水东扩工程是为临汾、运城五县市（新绛、襄汾、侯马、曲沃、翼城）工业、农业供水以及农村生活用水的保障性供水工程。工程输水主管线采用预应力钢筒混凝土管（PCCP），全长48.8 km，经过的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，本段汾河主要发育一级阶地和三级阶地。该工程管道线路主要经过区域地表覆盖晚更新世Q3f（新绛、襄汾、侯马、曲沃）、Q3L（翼城）以及全新世Q4f，主管线经过区域是典型湿陷性黄土地区。参照《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004（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）。禹门口提水东扩工程主管线分布在Ⅳ区（山西－冀北）上。该地区低阶地多属非自重湿陷性黄土，高阶地多数自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层多为5～10m，湿陷等级一般为Ⅱ－Ⅲ级。

2 黄土湿陷性评价的方法

《黄土规范》对湿陷性的评价方法：①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；②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（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重要工程属性，决定着地基处理方案的合理选择和设计。评价中用到的参数Δzs、Δs由室内压缩试验来确定；Δzs′由现场试坑浸水试验来确定。由于黄土的性质及结构复杂，采用室内压缩试验结果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β0进行修正，使Δzs与Δzs′尽量接近，计算公式为，式中 δZsi为第 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为第i层土的厚度，β0为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，①陇西地区取1.5，②陇东-陕北-晋西地区取1.2，③关中地区取0.9，④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 工程地质资料的分析

《禹门口提水东扩工程初步设计阶段工程地质勘察报告》（以下简称《勘查报告》）采用了探井取样室内压缩试验，计算自重湿陷量计算值Δzs的方法对主管线黄土地基进行湿陷性评价。对《勘察报告》中主管线地质勘察资料进行整理分析，根据探井所代表的地基湿陷类型及湿陷等级将探井进行分类统计，见表1。从表1中可以看出湿陷等级达到Ⅳ级的探井占探井总数的34%，这么多的探井湿陷等级达到Ⅳ级与《黄土规范》中“Ⅳ区，湿陷等级一般为Ⅱ－Ⅲ级”有较大的出入。经深入分析发现《勘查报告》中β0取值为1.2，较《黄土规范》中该区域β0建议值0.5偏大，β0取值的偏大造成Δzs计算结果偏大，地基湿陷等级也相应偏大。为了验证《勘查报告》中β0取值的合理性，根据《勘查报告》在管线上选取了一自重湿陷场地进行试坑浸水试验，目的在于获得该场地的自重湿陷量实测值Δzs′，并与室内试验得到的Δzs比较，从而得到该场地的实际的β0值。

表1 探井分级统计表

4 试验概况

4.1 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60 m。探井深度为10 m，取样进行室内试验，探井揭露试验场地的地层结构如表2所示。

表2 试验场地地层结构

4.2 试验布置

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，对试验场地进行了勘探，确定试验场地没有墓穴等干扰因素存在。试坑为圆形，直径10 m，坑深0.5 m，坑底铺设厚100 mm的砂砾石层。浸水试坑布置见图1，试坑内共设置标点13个，成十字型布置，标点均为浅标点，埋深为30 cm；试坑外布置12个地面观测标点；试坑外设置两个基准点。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。

图1 浸水试坑布置示意图

4.3 试验过程

浸水试验共历时54天，其中浸水36天。停水后又继续观测了18天，浸水过程总注水量为4 187 m3，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120 m3。试验期间试坑外围出现若干细微裂缝段，最长裂缝约2.5 m，位于试坑正北方向距坑边2.5 m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），其最终的累计沉降量为74.1 mm，其中试验浸水阶段沉降量为69.8 mm，停水阶段沉降量仅为4.3 mm。自试坑中心向外各标点累计沉降量逐渐减小。试坑外的地面观测标点无明显沉降。

为了便于说明场地自重湿陷发生发展的全过程，以试坑中心的Ⅰ号标点的沉降（累计沉降、单日沉降）随时间变化曲线（见图2、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）。

图2 Ⅰ号标点累计沉降量图

图3 Ⅰ号标点单日沉降量图

从图2、图3可以看出试坑沉降大致可分为三个阶段，第一阶段自第1天至第6天，这个阶段累计沉降量曲线的斜率较平缓，试验前6日的平均沉降量小于2 mm/d，湿陷速率较缓慢。第二阶段自第7天至第23天，第7日当天出现了单日沉降量的峰值，湿陷的速度加快，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23天单日沉降量的5日移动平均线减小到1 mm/d,湿陷速率非常缓慢。第三阶段自第24天至第54天，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5日移动平均线逐渐接近于零，沉降趋于稳定。通过以上三个阶段分析，可以看出浸水湿陷过程的慢-快-慢（稳定）的发展规律。以Ⅰ号标点的最终沉降量74.1 mm做为该场地的Δzs′，依据《黄土规范》的规定，该场地判定为自重湿陷场地。

4.4 β0取值对Δzs计算结果的影响

通过室内压缩试验得到自重湿陷系数（δzs）及Δzs成果见表 3。以该试验场地 Δzs′=74.1 mm,Δzs（β0=1）=198 mm 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。当β0按《黄土规范》建议取0.5时，Δzs=99 mm比较接近Δzs′；当 β0按《勘查报告》取 1.2时，Δzs=237.6 mm 与Δzs′,差异非常显著。

表3 自重湿陷量计算成果表

5 结论

（1）本次试验位于山西省侯马市，地貌单元为汾河三级阶地，属于湿陷性黄土Ⅳ区（山西－冀北）。该场地湿陷性黄土层厚度为10 m，实测自重湿陷量为74.1 mm，为自重湿陷场地。

（2）将实测最大沉降量作为自重湿陷量实测值，与室内自重湿陷试验结果相比较，可得该试验场地的实际β0（因地区土质而异的修正系数）为0.37。

（3）禹门口提水东扩工程主管线分布在湿陷性黄土Ⅳ区（山西－冀北），该区域《黄土规范》建议的β0取值为0.5，试验证明该建议值与实际β0是较为接近的。《勘察报告》中β0取1.2是值得商榷的，β0取1.2会导致管线黄土地基湿陷性评价结果比实际湿陷情况严重的多，采取的地基处理措施可能会偏于保守，造成不必要的浪费。