晋中盆地Q2湿陷性研究001剖析.docx
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晋中盆地Q2湿陷性研究001剖析
晋中盆地离石黄土湿陷性研究
晋中盆地位于山西省中部，是汾河流域的一个晚新生代断陷盆地。
其北起石岭关,南到韩侯岭,西为吕梁山，东为太岳山，大致呈北东向展布。
盆地南北长200多km,东西宽12～40km,面积约6000km2。
盆地边山最高海拔大于2000m，盆地海拔一般700m～900m。
过去，我们对Q2离石黄土的湿陷性描述一般为“离石黄土总体湿陷不大，仅上部有部分湿陷，下部无湿陷[1]”。
从而造成我们在勘察中常出现见离石黄土后，再下挖一段，见姜石层或第一层非湿陷土层即终止。
但是随着近些年来，建（构）筑物高度增加或地下部分加深，为安全起见，常较规范的执行黄土规范，探井较严格的挖至非湿陷土层，从而发现，进入离石黄土后，虽见非湿陷土层，但其下又有湿陷土层，而且多次变化，很多时候，此现象涉及土层很深。
因此，很多人为了附合原认识，常把Q3马兰黄土的下限往下移，或把Q4下限下移，人为的划分成离石黄土湿陷厚度不大，湿陷性不强。
但经过我们对大量资料分析，并经对晋中盆地第四纪地史和不同地段的黄土沉积剖面对比研究，认为至少在晋中盆地边山地区大厚度黄土覆盖区的上述认识是不正确的，Q2离石黄土的湿陷厚度和湿陷量很多地区是很大的。
1、晋中盆地的第四纪地史及其沉积物特征
经地质、石油、地震、水利等部门长期勘查和研究证明：
晋中盆地在上新世以前的地壳漫长上升剥蚀后，自上新世初盆地周边开始发生普遍断裂活动，造成盆地基底西低东高，使西部积水，形成新的河流相冲积层。
同时，两侧的上升区，风化剥蚀强烈，形成了大量碎屑洪积物。
至上新世晚期，经构造运动多次朔造和气候湿暖——干冷的多次交替，盆地周边与内部差异性沉降不断增大，虽内部河——湖多次交替，但晋中盆地中西部凹陷区一直处于湖相地层沉积，最终，随着盆地不断上升，太原古湖也由东向西退缩，解体，直至全部干涸。
且在盆地边缘普遍发育了厚度不等的富含铁锰质、钙质结核且有石英颗粒的紫红、紫褐色上新统三趾马红粘土。
强烈的地壳运动，造成了其后的下更新统与上新统之间的不整合接触。
更新世以来，太原盆地的地壳运动在继承和发展了上新世的基础之上，山区不断上升，盆地不断相对下降，地势差异越加明显。
上兰村及南部汾河峡谷中发育的四至五级阶地说明了这种运动的阶段性和不均匀性。
其中一、二级为堆积阶地，三、四级为基座阶地或侵蚀阶地；西山晋祠一带普遍存在断崖,大谷南山一带完整的断层三角面等圴显示，直到目前，这种差异仍在不断增加。
太原盆地中部的阶地沉积物均为河湖相。
边山则沉积了厚度不等，岩性略有差异（粘粒含量不同、钙质物不同），古土壤层数不等的午城黄土和离石黄土。
但受河湖水渐退影响，午城黄土不仅分布面积较小，靠山边更近，且分布极不均匀，许多地势高低变化大，湖水退却较晚的地段，午城黄土很薄或缺失，其底部常有砂、卵砾石半胶结地层，有时还可见石膏晶体、大量螺壳、散发臭味淤泥或灰绿色细砂等沉积物（阳曲镇洛阳村附近）。
越远离山区，沉积物越细（见榆次区长凝镇剖面，郝家沟剖面，河曲洛阳村剖面，杏花岭区西山剖面，王家峰剖面等）。
中更新世（Q2，距今78.1万年）时期，盆地大部分湖水退却，陆地面积增加，离石黄土普遍沉积，且厚度较大，但也呈现出山边较薄，低山丘陵区的黄土台塬、梁峁区较厚，远山至阶地渐薄直至消失并过渡为河、湖相沉积的特点。
晚更新世（Q3，距今12.6万年）黄土沉积范围进一步扩大，总体有向盆地中部超覆趋势，覆盖于边山、山前、河流阶地等地段。
进入全新世（1.2万年）以来，边山仍在不断上升，从汾河多级阶地中一、二级阶地多为沉积阶地，三级以上阶地或不明显，或多为基座阶地的特点表明：
除盆地中部不断沉积外（冲、洪积，风积均有），盆地周边的山区不断风化剥蚀，山前黄土区主要受侵蚀、剥蚀作用，新沉积黄土厚度很小或无沉积，导致黄土覆盖区的丘陵（台、梁、峁）与汾河高阶地（三级以上）区，Q4很薄或缺失。
二级以下阶地、山区河谷和平原区Q4沉积较厚，但多为次生黄土。
综上所述，晋中盆地黄土覆盖的丘陵（台、梁、峁）与汾河高阶地（三级以上）区，Q2离石黄土厚度较大，但由于其处于山前活动带附近，上覆地层厚度较小，且埋藏压实固结时间较短，使该层黄土密实性较差，湿陷性不可小视。
近年来，在太原盆地东、西山山前丘陵区的很多项目勘察中发现的Q2离石黄土的湿陷厚度较大和湿陷性较强都证明了这一点。
我院于2012年10月至2013年4月在榆次区郝家沟黄土台塬所做大型浸水试验也证明了这一点。
2、离石黄土的湿陷性
2.1场地地层及其代表性
浸水试验场地（图2-1）位于晋中盆地东部山前丘陵区，原地形东北高西南低，坡度1.3%，地貌单元属黄土台塬。
场地地层见表2-1：
表2-1试验场地地层岩性特征表
地层
深度
岩性
岩性特征
全新统（Q4ml）
0~0.3m
新黄土
淡黄色，耕植土，干，硬塑大孔隙发育，土质不均，含大量植物根系。
晚更新统（Q3eol）
0.3~6.3m
新黄土
0.3~5mQ3马兰黄土，浅灰黄色，浅灰黄色粉土，均匀，较干，硬塑，大、中空隙发育，偶见植物根、菌丝状钙质物，无钙质结核。
中更新统（Q2eol）
6.3~24m
老黄土
5~24mQ2离石黄土，黄褐色粉土或粉粘夹红褐色粉粘土（古土壤），古土壤层一般有明显的钙质结核淀积层、淋滤层、土壤层三层组成，总厚0.5~1.5m，其间的黄土层厚0.5~4.5m，常见直径小于3cm的小姜石结核，菌丝状钙质物常呈网状、短树枝状或呈片密集与整体稀疏分布；稍湿，硬塑，孔隙发育，无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性中等，底部有厚1.5~2m的大直径（d=5~20cm）钙质结核层。
早更新统（Q1eol）
24~30m
老黄土
褐黄色~褐红色，上离石黄土，粉质粘土或粘土，稍湿，可塑，孔隙不发育，土质较均匀，无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性中等。
各层土的物性指标见表2-2，2-3：
表2-2试验场地黄土的物理力学性质指标（T5）
取样深度
天然含水量W0
天然密度ρ0
空隙比
e
饱和度
Sr
液限
WL
塑限
WP
塑性指数
IP
液性指数IL
压缩系数av1~2
湿陷变形系数200
δs
饱和自重压力
PZ
自重湿陷系数δzs
m
%
g/cm3
―
%
%
%
―
―
MPa-1
―
KPa
―
1
14.9
1.70
0.825
48.8
26.9
17.1
9.8
-0.22
0.351
0.045
19
0.007
2
12.8
1.43
1.130
30.6
27.2
17.2
10.0
-0.44
0.275
0.094
34
0.022
3
9.1
1.42
1.082
22.8
27.5
17.3
10.2
-0.80
0.131
0.130
52
0.047
4
10.4
1.46
1.042
27.0
26.6
17.0
9.6
-0.69
0.576
0.068
70
0.039
5
9.9
1.40
1.120
23.9
26.3
16.9
9.4
-0.74
0.386
0.082
86
0.054
6
11.2
1.45
1.078
28.1
28.6
17.6
11.0
-0.58
0.143
0.089
105
0.063
7
9.4
1.58
0.883
28.9
30.6
18.3
12.3
-0.72
0.112
0.117
129
0.100
8
8.7
1.52
0.945
25.0
31.3
18.5
12.8
-0.77
0.113
0.068
145
0.054
9
12.7
1.51
1.030
33.5
30.9
18.4
12.5
-0.46
0.216
0.073
159
0.069
10
14.7
1.65
0.891
44.9
31.2
18.5
12.7
-0.30
0.303
0.123
184
0.097
11
14.1
1.56
0.989
38.8
31.5
18.6
12.9
-0.35
0.091
0.063
197
0.053
12
9.8
1.55
0.927
28.8
31.0
18.4
12.6
-0.68
0.074
0.051
218
0.053
13
9.0
1.56
0.894
27.3
29.8
18.0
11.8
-0.76
0.088
0.039
238
0.048
14
10.2
1.53
0.945
29.2
27.9
18.4
9.5
-0.86
0.191
0.053
252
0.069
15
8.3
1.54
0.906
24.8
27.7
17.4
10.3
-0.88
0.102
0.051
274
0.053
16
9.5
1.54
0.927
27.8
28.6
17.6
11.0
-0.74
0.073
0.010
290
0.025
17
8.1
1.58
0.854
25.7
28.3
17.5
10.8
-0.87
0.122
0.021
315
0.011
18
13.3
1.66
0.856
42.2
30.9
18.4
12.5
-0.41
0.071
0.012
334
0.016
19
11.8
1.65
0.843
38.1
31.2
18.5
12.7
-0.53
0.093
0.056
354
0.091
20
13.1
1.72
0.789
45.2
30.9
18.4
12.5
-0.42
0.081
0.009
379
0.014
21
12.7
1.77
0.732
47.2
30.6
18.3
12.3
-0.46
0.083
0.024
405
0.114
22
13.8
1.69
0.832
45.1
30.9
18.4
12.5
-0.37
0.100
0.004
412
0.007
23
12.3
1.57
0.938
35.5
29.4
17.9
11.5
-0.49
0.073
0.004
416
0.005
24
11.5
1.76
0.723
43.3
30.8
18.4
12.4
-0.56
0.121
0.008
464
0.012
表2-3试验场地黄土的物理力学性质指标（T6）
取样深度
天然含水量W0
天然密度ρ0
空隙比
e
饱和度
Sr
液限
WL
塑限
WP
塑性指数
IP
液性指数IL
压缩系数av1~2
湿陷变形系数200
δs
饱和自重压力
PZ
自重湿陷系数δzs
m
%
g/cm3
―
%
%
%
―
―
MPa-1
―
KPa
―
1
15.2
1.60
0.944
43.5
26.5
17.0
9.5
-0.19
0.240
0.047
18
0.007
2
13.0
1.53
1.002
35.2
27.3
17.2
10.1
-0.42
0.392
0.054
36
0.013
3
12.4
1.42
1.145
29.3
27.8
17.4
10.4
-0.48
0.265
0.094
52
0.033
4
11.1
1.42
1.112
26.9
26.5
17.0
9.5
-0.62
0.512
0.091
69
0.043
5
11.7
1.52
0.984
32.1
26.7
17.0
9.7
-0.55
0.268
0.071
89
0.016
6
11.5
1.48
1.049
29.8
30.3
18.2
12.1
-0.55
0.135
0.057
106
0.035
7
12.1
1.58
0.930
35.4
30.9
18.4
12.5
-0.50
0.200
0.123
127
0.076
8
13.6
1.54
1.006
36.8
30.6
18.3
12.3
-0.38
0.119
0.090
143
0.080
9
11.3
1.47
1.052
29.1
29.8
18.0
11.8
-0.57
0.108
0.077
158
0.074
10
10.5
1.54
0.945
30.1
30.2
18.2
12.0
-0.64
0.157
0.058
181
0.050
11
10.1
1.56
0.920
29.9
30.8
18.4
12.4
-0.67
0.101
0.083
201
0.081
12
11.6
1.56
0.946
33.4
31.2
18.5
12.7
-0.54
0.125
0.083
217
0.087
13
10.6
1.62
0.857
33.6
30.6
18.3
12.3
-0.63
0.074
0.046
241
0.050
14
11.5
1.57
0.932
33.6
31.3
18.5
12.8
-0.55
0.181
0.091
255
0.101
15
11.9
1.56
0.951
34.0
30.3
18.2
12.1
-0.52
0.093
0.051
271
0.052
16
8.8
1.51
0.960
24.9
30.6
18.3
12.3
-0.77
0.080
0.022
289
0.021
17
8.2
1.48
0.981
22.6
27.5
17.3
10.2
-0.89
0.072
0.040
304
0.064
18
10.4
1.57
0.906
31.1
29.8
18.0
11.8
-0.64
0.088
0.018
329
0.021
19
9.6
1.61
0.845
30.8
28.9
17.7
11.2
-0.72
0.079
0.018
353
0.024
20
12.7
1.67
0.829
41.5
30.2
18.2
12.0
-0.46
0.141
0.028
373
0.046
21
14.8
1.68
0.859
46.9
31.0
18.4
12.6
-0.29
0.423
0.022
390
0.024
22
13.9
1.72
0.801
47.2
30.8
18.4
12.4
-0.36
0.070
0.003
415
0.004
23
10.6
1.71
0.759
38.0
30.4
18.2
12.2
-0.62
0.110
0.006
440
0.008
24
13.0
1.73
0.777
45.5
30.9
18.4
12.5
-0.43
0.110
0.019
457
0.025
两组试验探井马兰与离石黄土部分物性指标平均值对比如下：
地层时代
天然含水量W0
天然密度ρ0
空隙比
e
饱和度
Sr
液限
WL
塑限
WP
塑性指数
IP
液性指数IL
压缩系数av1~2
%
g/cm3
―
%
%
%
―
―
MPa-1
马兰黄土
11.4
1.48
1.040
30.6
26.9
17.1
9.80
-0.578
0.344
12.7
1.50
1.037
33.4
27.0
17.1
9.84
-0.452
0.335
离石黄土
11.3
1.60
0.894
34.7
30.1
18.2
11.93
-0.590
0.118
11.4
1.59
0.911
34.4
30.3
18.2
12.12
-0.565
0.130
自重湿陷土层深度（m）
19
20
21
22
23
24
25
26
27
探井眼数
1
7
9
9
23
8
3
2
2
山西第三地质工程勘察院在试验场地东、南两侧的64眼探井，143眼取样和鉴别孔实验资料（2011年9月）显示，90%以上钻孔和探井在4~10m见第一层粉粘，也就是上述Q2顶部，若去掉整平厚度，则马兰黄土底界应在3~6米，Q2底界在25米以下。
不同自重湿陷土层深度的探井数统计如下：
本场地东为中航美运汽车场地，分布于台塬顶部，2012年9月由山西省勘察设计研究院勘察，取土孔115眼（孔深15~35米），探井77眼（井深15~25米），全部钻孔和探井在5.4~9.0m见第一层粉粘，即Q2顶部，考虑到场地整平填土2----7米，马兰黄土底界埋深也3----5米。
沿郝家沟踏勘发现：
沟头马兰黄土厚3米左右，离石黄土厚5—6米，Q2下部为冲洪积卵砾石层，无午城黄土；沟中马兰黄土厚5-7米左右，离石黄土厚20米左右，其下为半胶结的冲洪积卵砾石层浅褐红色黄土互层，厚2—5米；沟尾马兰黄土厚5-7米左右，离石黄土厚7--10米左右，其下为无胶结或半胶结的冲洪积中、粗砂，砾石层互层，厚5—7米。
2.2浸水试验
标点布设方法如图2-2，标点埋置深度如表2-4。
浸水试验自2012年9月21日至12月07日，历时78天，注入水量为30469m3。
监测自9月21日起开始，截止于12月20日，历时91天。
试坑单日渗水量及累计注水量随时间变化曲线见图2--3。
图2-3试坑注水量变化曲线
按国标《湿陷性黄土规范》的要求进行实验，结果为：
沉降量最大处为84.45cm，最小处为61.15cm，根据各观测点绘制的沉降量等值线图2-4，在湿陷土层厚度构成的直径范围内，将沉降量分成5个区域，以每个区域的面积所占面积的比例为权重，以每个区域的平均沉降量为基本量，见表2-5，2-6，做加权平均得到实际自重湿陷量为72.83cm。
利用现场实测自重湿陷量和室内试验计算自重湿陷量，反算当地因土质而异的修正系数β0。
式中：
δzsi为第i层土的自重湿陷系数
β0为因地区而异的修正系数
H为现场自重湿陷量实测值
hi为第i层土的厚度
经计算，若按现场沉降量取最大值，即H=84.45cm，反算得出β0为0.82。
按现场沉降量取最小值，即H=61.15cm，反算得出β0为0.59。
按现场沉降量取加权平均值，即H=72.83cm，反算得出β0为0.70，较黄土规范中建议取值大40%（黄土规范中所例该区β0取值为0.50）。
表2-5各沉降区域权重表
区域
沉降量
面积
权重
沉降贡献量
60-65
62.5
59.31
0.13
8.13
65-70
67.5
112.76
0.25
16.88
70-75
72.5
95.88
0.21
15.23
75-80
77.5
99.37
0.22
17.05
80-84
82
85.06
0.19
15.58
总体
-
452.39
-
72.86
表2-6湿陷土层厚度在地面投影区沉降量
项目
自重湿陷室内计算未修正值
实测最大值
实测最小值
加权平均值
取值（cm）
103.5
84.45
61.15
72.83
3、离石黄土的沉降分析
本次试验布置测量不同深度处自重湿陷量的深标点共计52个。
试验监测深度范围为0-25m，综合考虑土层湿陷系数和上覆土层的饱和自重压力，将土层划分为浅层0-5m，中层5-12m，深层12-25m（如表3-1），分别加以分析停水前后各深标点发生的沉降量及最终沉降量并根据测量数据,绘制了各深标点随时间变化的沉降曲线见图3-1、3-2、3-3。
表3-1深标点分层
湿陷系数
饱和自重压力
（kPa）
分层
标点
浅层
E06、E07、F06、F07、G01、E`01、E`02、F`01、F`02、G`07
中层
E04、E05、F04、F05、G02、G03、E`03、E`04、F`03、F`04、G`05、G`06
深层
E01、E02、E03、F01、F02、F03、G04、G05、G06、G07、E`05、E`06、E`07、F`05、F`06、F`07、G`01、G`02、G`03、G`04
图3-1浅层深标点累积沉降量随时间变化曲线
图3-2中层深标点累积沉降量随时间变化曲线
图3-3深层深标点累积沉降量随时间变化曲线
综合上图总结出不同深度、不同时间各土层累计自重湿陷量图3-4：
图3-4深部累计沉降量随土层深度发展曲线
从中可以看出：
A、累计自重湿陷量计算值和试验终止时的实测自重湿陷量差别很大，且越靠近地面差别越大，除12-14m、18-20m段略大于实测值外，其余计算值均小于实测值，由此可见该地区的修正系数β0偏小，导致对室内试验计算结果的修正结果偏小。
B、图4-48中横坐标为累计湿陷量，纵坐标为土层深度，所以曲线斜率与湿陷系数呈反比关系，即斜率越大湿陷系数越小，该深度段土层湿陷性越弱，相反斜率越小湿陷系数越大，该深度段土层湿陷性越强。
C、4-6m及10-12m两段土层斜率较小，即单位深度累积湿陷量更大，5米以下土层贡献了65%以上的累积湿陷量，说明离石黄土的湿陷在此类场地的湿陷是相当严重的。
另外，可以看出12m以下土层斜率突然开始变大，表明该深度处为Q2上下两段的分界点。
D、14-16m段实测原位湿陷系数已经小于0.015，但是由于16-18m段湿陷性略有增强，所以16m不能视为自重湿陷土层底界。
18m以下斜率再次变大，并近乎无穷大，表明其下土层已经基本没有自重湿陷性，原位湿陷系数再次进入小于0.015的区间，由此判定该场地自重湿陷土层下限深度为18m。
4、离石黄土单天变形量
根据测量结果绘制的单天深标点变形量见图4-1、4-2、4-3。
图4-1浅层深标点单天沉降量随时间变化曲线
图4-2中层深标点单天沉降量随时间变化曲线
图4-3深层深标点单天沉降量随时间变化曲线
上述图件显示出单天深部沉降变形有如下特点：
A、单天沉降量随深度的增大而减小，并逐渐趋于0。
这显然是由黄土总体湿陷特征决定的。
B、不同深度湿陷土层均呈现出开始沉降小且慢，经一段时间后突然增大
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