1、高填方路基沉降变形离心模型试验研究摘要：本实验重点是用离心模型模拟高填方土石混填路基在不同填筑材料（土石比） 、不同填筑高度、不同施工工艺条件下，土石混填路基沉降变形规律和影响因数，为土石混填路基沉降预测模型以及控制沉降的施工方法提供离心试验资料。 关键词：高填方路基；沉降变形；土石混填；离心模型 中图分类号：U213.1 文献标识码：A 文章编号： 0.引言 土工离心模型试验是近年来才在我国逐步发展起来的。基本思想是用离心机来模拟土工构筑物的自重效应。它是将欲试验的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度 g 的离心加速度作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物原型自重的损失，从
2、而保持模型的应力状态与原型相同或近似。 1.实验目的 本实验采用 60g.t 土工离心机，模型箱尺寸：长 60cm，宽 35cm，高50cm。结合研究的重点，土石混填路基离心模型实验主要做以下三个方面内容研究：（1）土石混填路基在不同填料（土石比为100:0、75:25、50:50）条件下的沉降变形特征；（2）土石混填路基在不同填筑高度（20m、30m、40m）条件下的沉降变形特征；（3）土石混填路基在不同填筑工艺（分层强夯、分层碾压） ，即夯实功能不同条件下的沉降变形特征。通过以上三个方面试验研究结果，进一步分析路堤沉降变形与不同土石填筑材料（土石比） 、不同填筑高度和不同施工工艺之间的相互
3、关系。 2.实验基本资料及说明 为了更直观的研究土石混填路基在不同填筑材料、不同填筑高度、不同施工工艺下，路堤自身荷载的压缩沉降变形，离心模型的制作采用同一模型箱里一次成型两个模型（在模型箱底板面的中部垂直加一块与模型箱宽度相等的硬质木板，木板厚度 d=2cm） ，观测点的间距为 5cm,模型的高度、填料、边界条件相同，唯一不同的是填筑工艺，左侧模拟分层强夯，右侧模拟分层碾压。因此，使试验模型具有可比性。试样填料物理参数依照重型击实实验获得的最佳含水量、最大干容重进行取值。本次离心模型试验的重心坐标参数：X=30cm、Y=22cm。离心率参照模型箱的高度以及离心机的额定功率设计。 3.实验模型
4、设计及说明 试样采用依托工程现场物理参数一致的材料，依托工程现场填筑材料来源于高填方路基两侧的隧道和路堑开挖弃渣，弃渣的最大粒径超过90cm。离心模型设计的最大离心率，试样用料的最大粒径，依据缩尺原理，设计为 9.5mm。用筛孔为 4.75mm、9.5mm 两档筛控制试样粒径进行筛分，粒径小于的材料定义为土，粒径定义为石，试样粒径小于填料的含量（）定义为土的含量，粒径填料的含量（）定义为石的含量，选择了三个土石比例（:=100：0，:=75：25，:=50：50）的填筑材料进行离心模型试验研究。本实验进行了 3 组离心模型试验，共 6 个模型。 模型 1#：填料土石比例为 100:0，即素土。
5、用重型击实曲线的最佳含水率 W=9.5%、最大干容重，分层强夯侧（代号：AQ）压实度取 88%，分层碾压侧（代号：A）压实度取 78%进行试样计算与填筑。设计试样的含水率 W=9.5%，AQ 设计最大干容重，设计湿容重，A 设计最大干容重，设计湿容重。 模型 2#：填料土石比例为 25:75，用重型击实曲线的最佳含水量 W=8%，最大干容重，分层强夯侧（代号：BQ）压实度取 88%，分层碾压侧（代号：B）压实度取 78%进行试样计算与填筑。设计试样的含水率 W=8%，BQ 设计最大干容重，设计湿容重，B 设计最大干容重,设计湿容重。 模型 3#：填料土石比例为 50:50，用重型击实曲线的最佳
6、含水量W=6.2%，最大干容重,分层强夯侧（代号：CQ）压实度取 88%，分层碾压侧（代号：C）压实度取 78%进行试样计算与填筑。设计试样的含水率W=6.2%，CQ 设计最大干容重，设计湿容重，C 设计最大干容重,设计湿容重。 4.试验结果分析 4.1 填筑材料相同条件下试验分析 4.1.1 土石比例为 100：0 试验结果分析 填筑混合料土石比例为 100:0（素土） ，试验模型设计即模型 1#，模型在不同加速度、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比关系见图 1 。 图 1 土石比例为 100:0，填筑高度、填筑工艺不同的条件下沉降对比曲线 通过对图 1 沉降对比关系曲线分析，可以得到以下规律
7、： 素土填筑路基随着填筑高度的递增沉降值变大，与文献资料结论一致；填筑体分层沉降规律显著，填筑体 1/3 填筑高度范围内的填筑体的沉降值较小；填筑体 1/32/3 高度范围内沉降值开始增大，分层观测的沉降值几乎一致；填筑体 2/3 高度以上的填筑范围内沉降值继续变大且分层观测的沉降值相近；最大沉降值出现在填筑体 2/3 高度以上范围内。4.1.2 土石比例为 75：25 试验分析 填筑混合料土石比例为 75:25，试验模型设计即模型 2#，模型在不同加速度、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比关系见图 2 。 依据图 2 的沉降对比曲线，可分析得到以下规律：:=75：25 条件下，填筑体沉降随着填
8、筑高度的增大而变大，填筑体 1/3 填筑高度范围内的填筑体的沉降值较小；填筑体 1/3 高度以上填筑体的沉降有所增大，分层观测的沉降值几乎一致；最大沉降发生在 2/3 高度以上填 图 2 土石比例为 75:25，填筑高度、填筑工艺不同的条件下沉降对比曲线 筑体内。 4.1.3 土石比例为 50：50 试验分析 填筑混合料土石比例为 50:50，试验模型设计即模型 3#，模型在不同加速度、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比关系见图 3。 图 3 土石比例为 50:50，填筑高度、填筑工艺不同的条件下沉降对比曲线 由图 3 的沉降对比曲线，可以得到以下认识：:=50：50 条件下填筑体的沉降规律与:
9、=75：25 沉降规律一致，但是沉降值有所减小，相对于:=100：0 条件下沉降值减小 2/3 左右。 填筑体沉降值随着混合填料中石的含量增加而减小，:=50：50 时，用同一离心模型试验研究沉降规律效果不明显。分析其原因，由于石形成大空隙的骨架结构，土的含量不能满足空隙的体积，整体由石嵌锁结构为主，这与混合料的重型击实规律一致。建议混合料中土石比例:=75：25:=50：50 为益。 4.2 填筑高度相同条件下试验分析 4.2.1 试验分析 试验模型在，不同填筑混合料、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比曲线见图 1、2、3，可分析获得以下的认识：填筑体显示出区域性分层沉降的规律，下部区域的沉降
10、值较小，中部区域沉降值开始增加，到了上部区域沉降达到最大值。 4.2.2 试验分析 试验模型在，不同填筑混合料、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比曲线见图 1、2、3，可分析获得以下的认识：填筑体沉降规律与条件下的一致，下部区域的沉降值没有变化，1/3 填筑高度以上的区域沉降值明显增大。 4.2.3 试验分析 试验模型在，不同填筑混合料、不同填筑工艺条件下填筑体沉降对比曲线见图 1、2、3，填筑体沉降规律与条件下的一致，沉降值增大。 填筑体在不同的加载条件下，沉降值随着模拟路基高度的增加而增大，沉降规律一致，分层区域性沉降明显，最大沉降值出现在上部区域。填筑混合料相同条件下，填筑体沉降与填筑高度
11、相关。填筑体沉降相对于沉降增大 3 陪左右；填筑体沉降较沉降增大至 4 陪左右。 4.3 填筑工艺相同的条件下试验分析 4.3.1 分层碾压工艺下试验分析 试验模型在不同填筑混合料、不同填筑高度条件下沉降对比关系见图 1、2、3。跟据沉降对比曲线，可分析获得以下的认识：分层碾压工艺条件下的沉降值随着填土高度增加而增大，沉降变化规律也分为三个沉降变化区域，分区规律与相同填筑材料、相同填筑高度的试验规律一致；土石比例的影响规律也相同。 4.3.2 分层强夯工艺下试验分析 试验模型在同填筑填筑混合料、不同填筑高度条件下沉降对比关系见图 1、2、3。分层强夯工艺下的沉降影响因数与分层碾压工艺下的试验分
12、析一致，下部区域的沉降几乎没有变化，中、上部区域的沉降值明显减小。在模拟的填筑填筑高度为 30m40m、:=75：25:=50：50 条件下，分层强夯工艺对减小沉降的效果达到最佳。 填筑体在不同填筑高度下，分层强夯工艺下的沉降值比分层碾压工艺下的沉降值较小，沉降分布规律一致。在 1/3 填筑高度内填筑体的沉降与填筑工艺几乎无关，即分层强夯与分层碾压的工艺对填筑体沉降影响一致；填筑体 1/32/3 高度范围内，分层强夯工艺下的沉降显著的得到改善，沉降值比分层碾压下减小 1/2 左右；不同填筑工艺下的最大沉降出现规律一致，最大沉降发生在填筑体 2/3 高度以上的填筑范围内，但分层强夯工艺下的沉降最
13、大值是分层碾压工艺下的 1/2 左右。填筑混合料相同条件下，填筑体沉降与填筑工艺有关；模型模拟路基填筑高度为 20m 时，分层强夯工艺能使填筑体沉降减小，但是工程成本增加。 5 结论 由试验结果分析，可获得以下结论： （1）模型模拟路基高度为 20m 的工况下，分层强夯与分层碾压的施工工艺对沉降的影响较小；模型模拟路基高度为 30m、40m 的工况下，分层强夯比分层碾压的施工工艺的最大沉降值减小 1/3 左右。建议路基填筑高度为 20m 以下时，可以不考虑强夯工艺。 （2）填筑混合料中的石含量是填筑体沉降变化影响因数之一。增大时，填筑体沉降减小；:=75：25 的填筑体沉降值相对于:=100：
14、0 减小1/2 左右；:=50：50 的填筑体沉降值较:=100：0 减小 2/3 左右；:=50：50 的模型试验值已经接近读数误差，因此石的含量大于 50%混合填料的模型试验值较难与误差值分辨。 （3）在模拟的填筑填筑高度为 30m40m、:=75：25:=50：50 条件下，分层强夯工艺对减小填筑体沉降的效果达到最佳。 参考文献 1 马松林，王龙，王哲人.土石混合料室内振动压实研究J.中国公路学报，2001,14（1）：5-8. 2柴贺军，阎宗岭，贾学明.土石混填路基修筑技术J.北京：人民交通出版社，2009.5. 3南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册M.北京：人民交通出版社，2003. 4Ghassem Habibagahi,Post-construction settlement of rockfill dams analyzed via adaptive network-based fuzzy inference systems,computer and Geotechnics,29,2002,211-233. 5蒋洋，柴贺军.高填方路堤沉降变形离心模型试验研究.现代交通技术.2007,4(6).-5-8.
