输水管线黄土地质研究及处理措施

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[摘要]通过对输水管线黄土工程地质勘察研究，查明黄土的特征及其变化规律，了解分析其工程地质特征，通过《规范》评价与现场代表点试验分析对比，类比就近其它工程，提出适合工程建设的处理措施，为工程设计及施工建设提供参考依据。

[关键词]输水管线 湿陷性黄土 工程地质 工程处理措施

[中图分类号] TV221.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-3-260-2

1工程概况

工程位于山西省南中部，是为运城、临汾六县市工业、农业供水以及农村生活用水的保障性给水工程。供水管线全长68.8km，其中总线48.8km，支线20.0km，管线通过湿陷性黄土地区，在湿陷性黄土规范中属山西-冀北地区Ⅵ，多属自重湿陷性黄土，地基湿陷等级一般为Ⅱ～Ⅲ级。

2黄土的工程地质特性

2.1地貌特征

工程区在地貌上处于临汾盆地的中南部，海拔高程一般320～750m，最高1250m。主要分为剥蚀中山区、山前洪冲积倾斜平原区、洪冲积平原区三个地貌单元。

2.2地层岩性特征

本区主要地层岩性为洪积、洪冲积成因黄土或黄土状土，以第四系全新统洪冲积（Q4pal）卵石混合土、级配不良砾、级配不良砂；上更新统洪冲积（Q3pal）、中更新统洪积（Q2pl）淡黄、浅红色低液限粘土、低液限粉土间夹级配不良砂、级配不良砾、卵石混合土层。覆盖层厚度大，堆积交错复杂，土体结构松散，具大孔隙和垂直节理，是一种非饱和的欠压密土体，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土体强度显著降低，在附加压力下引起湿陷变形，这种下沉量大，下沉速度快的失稳变形，对建筑物危害性大。

2.3黄土的物理力学特征

与输水管线工程地基有关的地层主要是上更新统冲洪积（Q3pal）、中更新统洪积（Q2pl）低液限粘土、低液限粉土，在工程勘察时也主要对这两种成因的土进行了详细的勘察、取样、分析、试验。通过对500多组土样试验资料按深度取平均值进行统计分析。土体含水量大多小于20%；干密度大多小于1.5g/cm3；粉粒含量平均值一般在80%以上，湿陷深度一般在13m左右，个别为18m左右。

2.4黄土湿陷性质与物理性质的关系

（1）含水量：黄土的湿陷系数随含水量的增大而减小，当黄土含水量小于12%时，湿陷系数大于0.1，最大可达0.176；当含水量为12～15%时，湿陷系数变化于0.079～0.013之间，当含水量大于15%时，湿陷系数小于0.015，为不湿陷土。

（2）干密度：黄土的湿陷系数随干密度的增大而减小，当黄土干密度小于1.35g/cm3时，湿陷系数大于0.065，最大可达0.176；当干密度为1.30～1.45g/cm3时，湿陷系数变化于0.079～0.013之间，当干密度大于1.45g/cm3时，湿陷系数小于0.015，为不湿陷土。

（3）孔隙比：黄土的湿陷系数随孔隙比的增加而增大，当孔隙比大于0.9时，湿陷系数大于0.7，当孔隙比小于0.8时，湿陷系数小于0.015，一般说来，浅层土的孔隙比较大，湿陷系数也较大。

（4）压力：黄土的湿陷随着压力的不同而变化，黄土湿陷起始压力随着深度的增加而加大。位于浅层的黄土在相对不大的压力下，可以产生强烈湿陷，而位于深层的黄土只有在较大压力作用下才产生湿陷，当地基上覆荷重不超过黄土湿陷起始压力值，黄土也不产生湿限。

3黄土湿陷性等级评价

按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），对工程区湿陷性黄土场地自重湿陷量及地基湿陷量分别进行计算，输水管线场地自重湿陷量的计算值为18.0～1137.0mm，地基湿陷量的计算值为72.0～1470.0mm，属（非）自重Ⅰ级（轻微）～IV（很严重）湿陷性场地，湿陷深度一般在10～13m，个别地段为18m。其中非自重Ⅰ级（轻微）占21.4%，自重II级（中等）占39.6%，自重III级（严重）占32.8%，自重IV级（很严重）占6.2%。

4现场湿陷性试验分析

根据勘察试验成果分析及湿陷性黄土评价结果，选取有代表性的两场地进行现场试验。

（1）北庄村（桩号22+300），现场试坑浸水试验显示：累计沉降量最大为74.2mm，日最大沉降量为7mm，其中试验浸水阶段沉降量为69.8mm，停水阶段沉降量为4.4mm，该地段黄土湿陷沉降主要集中在浸水试验阶段。试坑浸水沉降后呈锅底型，试坑周边沉降量较小，中心沉降量最大。现场静载荷试验依据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004的规定，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。试验成果见表1。该段为自重Ⅱ级（中等）湿陷性黄土地基。

（2）南唐村（桩号45+440），现场试坑浸水试验显示：累计沉降量最大为7.7mm，日最大沉降量为2.2mm，其中试验浸水阶段沉降量为7.7mm，停水阶段沉降量无明显变化。该地段黄土湿陷沉降集中在浸水试验阶段。试坑浸水沉降后呈不对称锅底型。现场静载荷试验布置与北庄村相同，试验成果见表2。从150kPa到200kPa曲线段趋势出现反常，经初步分析其主要原因是与不同部位土质的不均匀性有关。该段为非自重Ⅰ级（轻微）湿陷性黄土地基。

5湿陷性分析

通过现场取样室内试验，根据规范进行的湿陷性评价，在桩号22+300段场地自重湿陷量的计算值为100.0～180.0mm，地基湿陷量的计算值为226.5～267.0mm，为自重Ⅱ级（中等）湿陷性场地，湿陷土层下限深度9.0～12.0m。与现场试验结果基本相符。在桩号45+440段场地自重湿陷量的计算值为131.5～482.0mm，地基湿陷量的计算值为310.5～849.5mm，为自重Ⅲ级（严重）湿陷性场地，湿陷土层下限深度14.0～18.0m。与现场试验结果相差较大。

另外，输水管线经过的山西晋城～侯马高速公路与输水管线位于同一黄土湿陷地区，通过收集山西晋城～侯马高速公路与输水管线相拟合的线路段工程地质勘察资料，在勘探深度为10m的探井取样试验分析评价，场地自重湿陷量的计算值为49.0～274.0mm，地基湿陷量的计算值为138.0～980.0mm，为（非）自重Ⅰ级（轻微）～Ⅲ级（严重）湿陷性地基。

输水管线勘察资料评价结果与公路勘察资料评价结果基本相符，与桩号22+300段现场试验结果也相符，勘察资料评价湿陷量值总体大于现场试验湿陷量值。勘察资料评价结果完全能反应本区湿陷性黄土的湿陷等级及其特征。

6湿陷性黄土地基特点及工程处理措施

湿陷性黄土地基的工程地质特征，在天然状态下含水率较低时具有较高的地基强度，浸水湿润时因湿陷引起强度急剧下降，在一定压力下出现地基沉降变形。黄土湿陷的诱发因素就是力和水，黄土浸泡水后，由于易溶盐类的溶解，土结构的破坏，可使其承载力成倍下降，湿陷量的大小与所受力的强度和水湿程度几乎成正比。初始含水量低，在一定压力下压缩变形小，湿陷变形大；反之，当初始含水量高时压缩变形大，湿陷变形小。

工程区湿陷性黄土层厚度大，含粉、砂粒和易溶盐量多，粘粒含量相对低，天然密度和含水量均低，天然含水量均低于饱和界限含水量；其次，工程区为干旱、半干旱季风性气候，降雨量相对少，降水排泄快，地下入渗量小，深度浅，气候干燥水份蒸发快；自然条件下黄土含水量很难有大幅度的增加，一般情况下不会发生大的湿陷变形。因此，在工程设计施工中只要采取必要的防护处理措施：防止工程内水外渗；处理好工程区地面排水，不在工程防护范围内形成长时间集水而引起地基长时间浸泡。

针对工程区湿陷性黄土特征及工程建筑物特点，泵站及前池地基处理设计按乙类建筑物考虑，消除地基土层全部湿陷性，采用灰土桩挤密法，一般而言，桩间土的最小干密度不小于1.5g/cm3，平均压实系数不小于0.90。输水管线地基处理设计基本参照丙类建筑物的地基处理要求，消除部分地基土层湿陷性，结合相关类似工程实践经验，采用灰土垫层法，结合有效防水和结构措施。具体处理方式如下：

（1）泵站及前池地基处理

采用3：7灰土桩挤密法，灰土桩桩径400mm、桩距1m、梅花形布桩；桩长根据建筑物地基湿陷土层厚度确定，一般以处理全部地基湿陷土层厚度为宜，地基处理范围外出基础外边缘5.0m。

（2）输水管道地基处理

在管基开挖后，夯筑30～50cm厚的3：7灰土垫层（非自重湿陷性场地30cm，自重湿陷性场地50cm）；然后在其上铺设0.15m厚碎石垫层。

参考文献

[1]SL237-1999，土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[2]GB/T50123-1999，土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，1999.

[3]GB50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范.北京：中国建筑工业出版社，2004.