曹 杰，鄭建國，張繼文，3，李 波，劉 智，李 攀

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省特殊土工程性質(zhì)與處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；4.長江科學(xué)院 水利部 巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

不同邊界條件下黃土高填方沉降離心模型試驗(yàn)

曹 杰1，2，鄭建國1，2，張繼文1，2，3，李 波4，劉 智1，2，李 攀1，2

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省特殊土工程性質(zhì)與處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；4.長江科學(xué)院 水利部 巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

本文針對“V”形溝谷中的黃土高填方沉降問題，進(jìn)行了兩種溝谷類型的離心模型試驗(yàn)，研究不同邊界（柔性和剛性）效應(yīng)下的施工期和工后沉降。同時，進(jìn)行了離心狀態(tài)下的增濕模擬試驗(yàn)，就不同邊界條件下填筑體增濕沉降規(guī)律進(jìn)行了初步探討。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土高填方土體的沉降和變形與邊界條件密切相關(guān)，填筑體自身沉降在“柔性”和“剛性”兩種溝谷地基模型中存在明顯差異。由于兩種溝谷地基的約束能力不同，使得地基模量的變化對于“V”形溝谷中填筑體各階段沉降（施工期沉降、工后沉降、濕化沉降）存在顯著影響。

離心模型試驗(yàn)；高填方工程；黃土；沉降變形；邊界條件

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部黃土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，越來越多的工程要求在丘陵溝壑區(qū)進(jìn)行高填方以修建公路、鐵路、機(jī)場，或者用于增加人居與農(nóng)業(yè)用地面積，拓展山區(qū)城鎮(zhèn)的民用、工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展空間。由于問題涉及地質(zhì)地形條件復(fù)雜的原始地基、水敏特性明顯的黃土填料、填方厚度不均勻的填筑體，黃土高填方這一復(fù)雜系統(tǒng)工程的長期沉降預(yù)測極具難度。如何在修筑之前，把握高填方土基的變形與穩(wěn)定特性，對于保證工程質(zhì)量和合理安排后續(xù)工期尤為重要，其沉降預(yù)測及控制技術(shù)的研究，有著非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［1-3］。

目前，對于高填方工后沉降的研究成果主要偏向于數(shù)值分析［4-6］及預(yù)測［7-10］，數(shù)值模擬在輸入?yún)?shù)的可靠性方面受到不少限制，且土的本構(gòu)關(guān)系極為復(fù)雜，由此造成了數(shù)值計算與實(shí)際情況的差異，并且不易為工程設(shè)計人員掌握；工程預(yù)測方法雖然較為簡單可行，但對實(shí)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性依賴程度過高，不同階段的預(yù)測結(jié)果存在差異；土工離心模型試驗(yàn)方法跨越了土力學(xué)中研究建立土體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型這一難點(diǎn)［11］在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持兩者應(yīng)力應(yīng)變相同、破壞機(jī)理相同、變形相似，可在短時間再現(xiàn)原型特征，被廣泛應(yīng)用于土基的變形預(yù)測與分析［12-14］。

本文就黃土高填方的沉降與變形進(jìn)行了離心試驗(yàn)?zāi)M，采用“柔性”和“剛性”兩種“V”形溝谷地基模型，研究了邊界條件對填筑體沉降的影響；同時進(jìn)行了離心狀態(tài)下的增濕模擬，就不同邊界條件下黃土填筑體濕化變形規(guī)律進(jìn)行了初步探討。

2 離心模型試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 試驗(yàn)方案與步驟試驗(yàn)中所用模型填料選用重塑Q2黃土，液限、塑限分別為16.8%、29.9%，最大干密度1.77 g/cm3，最優(yōu)含水率16.0%。T1模型采用重塑黃土預(yù)先固結(jié)，再開槽模擬原溝谷地基，由于離心機(jī)無法全真模擬其漫長的沉積、固結(jié)過程，難以形成原始溝谷的天然結(jié)構(gòu)性，本文稱之為“柔性溝谷”。T2模型溝谷采用預(yù)制混凝土塊體制作，與T1模型及原狀黃土溝谷相比基本不發(fā)生變形，本文稱之為“剛性溝谷”。T1與T2模型在幾何尺寸上完全一致，模型溝谷坡度60o模型填土高度均為60 cm，離心加速度100 g，模擬原型60 m填筑高度（如圖1所示）。

圖1 離心試驗(yàn)實(shí)體模型照片

試驗(yàn)步驟可簡要概括為：制作溝谷地基→填筑體模型分層擊實(shí)，同步埋設(shè)分層沉降標(biāo)示→吊裝模型箱與配重→安裝表層位移傳感器→數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試→分級提升離心加速度，模擬現(xiàn)場填筑施工過程→加速度100 g穩(wěn)定運(yùn)行至沉降穩(wěn)定為止，模擬工后長期沉降→停機(jī)安裝降雨設(shè)備（T1）或者模型浸水24 h（T2）→離心機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn)至100 g進(jìn)行增濕模擬→濕化沉降穩(wěn)定后停機(jī)，結(jié)束試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一直工作到試驗(yàn)結(jié)束為止。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備本次試驗(yàn)在長江科學(xué)院CKY-200土工離心機(jī)上完成，最大加速度200 g，有效半徑3.7 m，模型箱尺寸為100 cm（長）×40 cm（寬）×80 cm（高）。模型表面對稱分布5支激光位移傳感器，用于各階段沉降監(jiān)測；在模型箱玻璃擋板內(nèi)壁，隨填土壓實(shí)制樣過程，同步分層布設(shè)位移場標(biāo)示點(diǎn)，通過高速攝像系統(tǒng)拍攝離心機(jī)運(yùn)行過程中斷面照片，采用GeoPIV技術(shù)分析得到斷面內(nèi)的位移場變化過程。

本次離心模型試驗(yàn)采用了基于介質(zhì)霧化的增濕系統(tǒng)（如圖2所示），其基本原理是采用二流體的空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，借助一定壓力的空氣射流，使液體霧化。其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）離心場霧化水滴細(xì)小，模擬降雨更加均勻；（2）可控制增濕強(qiáng)度和增濕時長。噴頭均勻布置在模型箱的中間斷面，可覆蓋模型頂部全部區(qū)域。

圖2 離心場中增濕模擬系統(tǒng)霧化噴頭布置

3 試驗(yàn)成果分析

篇幅所限，本文僅列出部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)與成果進(jìn)行分析。為了試驗(yàn)曲線能夠清晰識別，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了稀釋采樣處理，并將試驗(yàn)各階段沉降量、壓縮比和沉降比集中匯總于表1，以便下文使用。其中，壓縮比是指測點(diǎn)階段沉降量與其對應(yīng)填土厚度的比值，沉降比是階段沉降量與總沉降量（施工沉降量+工后沉降量）的比值，即各階段完成的沉降占總沉降量的比例。

表1 各階段沉降量匯總

3.1 施工期沉降對比施工期沉降量隨時間增加而增加，且與離心加速度變化保持同步，加速度提升階段，沉降量增加顯著，加速度平臺期，沉降曲線走勢緩慢（圖3），施工階段模擬成果表明：

圖3 填筑體施工階段沉降時程曲線

“柔性溝谷”中填土施工期沉降量明顯高于“剛性溝谷”地基條件。60 m填方處，T1試驗(yàn)最大沉降1530 mm，是T2試驗(yàn)中填土最大沉降的2.5倍。

施工期沉降量隨著填筑厚度的增加而增大，但是施工期壓縮比隨填筑厚度的增加反而越?。ㄒ姳?），即大厚度填方體施工期沉降量值雖然較大，但是占自身填筑厚度的比例（與低填方體相比）反而相對較小。例如，T2試驗(yàn)中，60 m處施工沉降622 mm，占自身厚度1.04%，20 m處施工沉降雖然只有293～359 mm，但施工期壓縮比達(dá)1.47%～1.80%，體現(xiàn)出填土的非線彈性壓縮特性。

填筑體沉降主要發(fā)生在施工階段（表1），兩種溝谷條件下施工期（1年）沉降量明顯高于工后（5年）沉降量，最大厚度處，T1、T2施工期沉降分別占總沉降量71.5%和72.2%，工后沉降所占總沉降比例在30%以內(nèi)。

3.2 工后沉降對比兩種溝谷條件下最大工后沉降均發(fā)生在填方厚度最大處，初始沉降曲線較陡，沉降速率較大，隨著時間推移沉降速率減小，沉降曲線趨緩（圖4），試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）工后沉降可劃分為兩個階段，工后半年屬于沉降快速發(fā)展階段。T1試驗(yàn)60 m填方處，工后0.5年、1年、3年、5年內(nèi)可分別完成工后總沉降量（沉降曲線擬合預(yù)測工后最終沉降量625 mm）的60%、72%、89%、95%，T2試驗(yàn)成果也同樣表明，半年內(nèi)可完成工后總沉降量的一半以上量值。

（2）T2各測點(diǎn)工后長期沉降均小于T1試驗(yàn)的沉降值（詳見表1），減小60.8%～74.7%的工后沉降量，即T2“剛性溝谷”地基對填土變形具有更好的約束能力。

（3）T1試驗(yàn)工后沉降量值雖然大于T2，但是其差異沉降量和差異沉降率均小于T2試驗(yàn)結(jié)果，T1、T2試驗(yàn)最大工后差異沉降量分別為50和95 mm（詳見表1和圖4），差異沉降率分別為1.8‰和3.4‰（測點(diǎn)水平距離28 m），即T1“柔性溝谷”地基具有更好的變形協(xié)調(diào)能力，地表沉降更為均勻。

（4）不同填筑厚度下，工后沉降量隨著填筑厚度的增加而增大，但是壓縮比（工后沉降量/填土厚度）隨著填土厚度增大而減?。ㄒ姳?），這一結(jié)論與施工期模擬結(jié)果相一致；T1“柔性溝谷”填土壓縮比比T2“剛性溝谷”更大，如圖5所示，60 m厚度處，T1、T2最大壓縮比分別不超過1.0%和0.5%。

圖4 填筑體工后長期沉降時程曲線

圖5 不同溝谷條件下的填土壓縮比

圖6 填筑體濕化沉降時程曲線

3.3 增濕沉降對比增濕試驗(yàn)時，降雨設(shè)備安裝（T1）或1 g條件下浸水（T2），均需要先停機(jī)再次重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，模型存在重復(fù)卸載、加載的問題，其應(yīng)力路徑與應(yīng)力歷史與工程實(shí)際存在區(qū)別；T1中降雨霧化噴頭與激光位移傳感器有所沖突，減少了位移傳感器的數(shù)量，并調(diào)整了相應(yīng)位置。T1降雨模擬強(qiáng)度高、持時長，雨水短時間內(nèi)無法迅速入滲，在填土頂面蓄積形成水面，并伴隨離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)具有所波動，對位移計激光光束具有反射和折射，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動明顯（圖6）。

根據(jù)我國氣象部門采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)：小雨，12h內(nèi)雨量小于5 mm，或24 h內(nèi)雨量小于10 mm；中雨，12h內(nèi)雨量為5～14.9 mm，或24h內(nèi)雨量為10～24.9 mm；大雨，12 h內(nèi)雨量為15～29.9 mm，或24h內(nèi)雨量為25～49.9 mm；暴雨的定量標(biāo)準(zhǔn)，各地并不一致，視具體情況而定。例如，多雨的廣東和少于的陜西延安地區(qū)，日雨量分別達(dá)到80和30 mm以上稱暴雨。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)對延安2013年夏季降雨信息分別按照12h和24h兩種計量方式進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示，可以看出，兩種計量方式所獲得的大雨天數(shù)不盡相同，而本文研究重點(diǎn)是不利工況下的填筑體濕化沉降變形與災(zāi)害預(yù)測，因此取降雨天數(shù)47 d全為強(qiáng)降雨。

表2 實(shí)際降雨量統(tǒng)計

試驗(yàn)結(jié)果表明：T1模擬降雨強(qiáng)度為2.1 mm/h，12 h降雨量25.2 mm，歷時47 d連續(xù)降雨，最大填方60 m處，濕化引起沉降為250mm，占工后5年沉降量的40%，需300 d左右（接近1年）方可穩(wěn)定；T2模擬最不利工況下的填方體整體浸水，濕化沉降為300 mm，是工后5年沉降量的1.3倍，需500 d左右（接近1.5年）左右方可穩(wěn)定。由此可見，即使重塑黃土填方體工后沉降基本穩(wěn)定，但是只要對填筑體進(jìn)行增濕，仍舊會發(fā)生顯著沉降與變形，而且濕化穩(wěn)定時間依舊需要較長時間。

3.4 沉降矢量對比為便于對比，矢量箭頭比例進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，如圖7、圖8所示（均為模型值）：（1）填筑體頂面均呈現(xiàn)下“凹”形沉降，中部填土厚度越大，位移矢量越明顯。T2“剛性溝谷”中僅有填筑體產(chǎn)生沉降，而T1“柔性溝谷”自身在工后階段和增濕階段仍舊會產(chǎn)生沉降變形。（2）矢量大小和等值線密度表明，T1“柔性溝谷”中填土在工后長期沉降較T2“剛性溝谷”條件更為顯著；T2完全浸水條件下的沉降比T1降雨增濕沉降更為明顯。

3.5 含水率與壓實(shí)度對比離心狀態(tài)下無法測定模型內(nèi)填土含水率與壓實(shí)度變化，如圖9所示，本文在試驗(yàn)完全結(jié)束后取樣進(jìn)行不同點(diǎn)位的對比檢測。T1模型表層中間部位含水率僅為13.15%是由于降雨后需等待沉降穩(wěn)定方可停機(jī)，離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下有表面風(fēng)干作用。對比檢測結(jié)果表明：（1）T1模型淺層填土含水率較兩側(cè)同層位含水率低，而中、下部含水率較兩側(cè)同層位“柔性溝谷”內(nèi)含水量高，表明“柔性溝谷”經(jīng)過先期固結(jié)密實(shí)雨水更加難以入滲，積聚于其頂部填土內(nèi)，與之相比，后期填筑土體更易形成雨水入滲。（2）T1平均含水率由模型填筑時16.1%增加至19.3%，填方體平均含水率每增濕一個百分點(diǎn)，濕化沉降增大78 mm；T2平均含水率增大加至20.3%，填方體平均含水率每增濕一個百分點(diǎn)，濕化沉降增大71 mm。

圖7 T1沉降矢量等值線

圖8 T2沉降矢量等值線

4 結(jié)論

兩組試驗(yàn)填筑體材料和壓實(shí)度均相同，模型頂面各測點(diǎn)所表現(xiàn)出的沉降差異主要是“柔性溝谷”自身豎向壓縮沉降和形變沉降在模型頂面的體現(xiàn)。通過離心模型試驗(yàn)，初步得到以下結(jié)論：

（1）離心試驗(yàn)雖然難以模擬原狀溝谷的天然結(jié)構(gòu)性，存在一定局限，但可在短時間內(nèi)直觀體現(xiàn)高填方工程的宏觀沉降規(guī)律，是研究黃土高填方沉降特性的有效手段。（2）“剛性溝谷”邊界條件清晰，剔除了原始地基的變形因素，更加有利于填筑體各階段的沉降與變形研究。（3）“柔性溝谷”自身存在沉降與變形，因此，試驗(yàn)所得填土表面施工期沉降和工后沉降均大于“剛性溝谷”條件下的沉降值，但“柔性溝谷”無論是差異沉降量還是差異沉降率均小于“剛性溝谷”條件，即“柔性溝谷”地基具有更好的變形協(xié)調(diào)能力。（4）填筑體沉降量隨著厚度增加而增大，但是壓縮比隨著厚度增大而減小，填土體現(xiàn)出非線彈性壓縮沉降特性；填筑土體的壓實(shí)沉降主要發(fā)生在施工期間，尤其是大厚度填筑體，在施工期所完成的總沉降比例（施工期沉降量/總沉降量）更高，本文試驗(yàn)中，施工階段可完成總沉降量的70%左右；而工后沉降又可大致分為兩個階段，工后半年為快速發(fā)展階段，可完成工后沉降量的50%以上。（5）由于黃土的水敏特性，即使重塑填方體工后沉降趨于穩(wěn)定，但是只要對填筑體進(jìn)行增濕，仍舊會發(fā)生顯著沉降與變形。

圖9 含水率、壓實(shí)度檢測對比

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Abstract：This paper focuses on the loess high-filled settlement in V-shaped valley.Centrifugal modeling technique with two valley models was employed to consider different boundary（flexible and rigid） effects during construction and post-construction settlement.Meanwhile，precipitation was also simulated，and the settlements of filled soil during moistening process were observed.The rule of loess filled body moistening de?formation under different boundary conditions was discussed.The results indicate，the settlement and defor?mation of loess high-filled soil are closely related to the boundary conditions.There are significant differenc?es between the soft and rigid valleys.The change of foundation modulus has a significant effect on the filled soil settlement（construction period， long-term settlement， moistening settlement， etc.） in the V-shaped valley，due to the different constraint degree of the original valley foundation.

Keywords：centrifugal model test；high-fill embankment；loess；settlement and deformation；boundary con?dition

（責(zé)任編輯：李福田）

Centrifuge model tests of loess high-filled settlement under different boundary condations

CAO Jie1，2，ZHENG Jianguo1，2，ZHANG Jiwen1，2，3，LI Bo4，LIU Zhi1，2，LI Pan1，2
（1.China JIKAN Research Institute of Engineering Investigations and Design，Co，Ltd，Xi’an 710043，China；2.Shannxi Key Laboratory of Engineering Behavior and Foundation Treatment for Special Soil，Xi’an 710043，China；3.School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；4.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

TV554

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.003

1672-3031（2017）04-0256-07

2017-06-15

黃土丘陵溝壑區(qū)（延安新區(qū)）工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（2013BAJ06B00）；黃土地區(qū)造地工程水環(huán)境控制關(guān)鍵技術(shù)研究（2016KTZDSF03-02）；研發(fā)治溝造地工程地質(zhì)與土壤濕陷穩(wěn)定技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)（2017YFD0800501）；地鐵隧道地震響應(yīng)的動力離心模型試驗(yàn)和簡化分析方法（CKSF2017012/YT）；深厚淤泥爆破擠淤作用機(jī)理及設(shè)計方法研究（2016GY19）

曹杰（1980-），男，陜西西安人，高級工程師，博士，主要從事離心機(jī)振動臺模型試驗(yàn)、地下結(jié)構(gòu)抗震和高填方工程設(shè)計。E-mail：caojie801014@126.com