土工離心模型試驗研究土石混合填料的沉降變形特性

孫靜， 孫琳

(1.重慶能源職業(yè)學院 土木工程系， 重慶市 402260； 2.河北交通職業(yè)技術(shù)學院 土木工程系)

在中國西部山區(qū)高速公路建設(shè)中，由于地形起伏較大，高填方路堤逐步成為山區(qū)公路路基的重要結(jié)構(gòu)形式。與一般路堤相比，高填方路堤具有填筑高度大、施工時間長、累積沉降大等特點。高填方路堤的變形破壞是路基工程質(zhì)量的通病之一，表現(xiàn)為路堤填土開裂、路基滑動、邊坡坍塌和與之有關(guān)的路基結(jié)構(gòu)破壞、路基整體下沉或局部沉降，為確保高填方路堤的施工質(zhì)量和長期穩(wěn)定性，非常有必要開展填筑材料沉降變形特性的相關(guān)研究。

重慶江津至四川合江段高速公路，地形起伏相對較大，路線跨越溝谷較多，高填深挖頻繁。龍井溝高填方路堤位于江合高速公路二期工程D7合同段，采用高填方路堤替代高架橋的設(shè)計方案，以消化大量的挖方等。龍井溝高填路堤區(qū)采用土石混合填料填筑，最大填筑高度達38.6 m。土石混合填料是一種常用的路基填筑材料，具有成分復雜、粒徑變化較大、顆粒形狀不規(guī)則等特點。土工離心模型試驗是巖土工程領(lǐng)域最佳的物理模型試驗，可以有效解決工程實際問題。A.G.I.Hjortnas-Pedersen和H.Broers利用大型離心機模型試驗和PLAXIS有限元軟件分析了路堤不同施工過程中軟土地基的力學特性和變形特性。馮研等采用離心模型試驗預測復合地基沉降的精度。目前，采用離心模型試驗研究不同路堤沉降的研究較多，但針對土石混合填料高填方路堤鮮有報道。為了保證龍井溝土石混合填料高路堤沉降變形滿足設(shè)計要求，文中采用土工離心模型試驗研究土石混合料在不同土石比、填筑高度、填筑工藝下高路堤填方的沉降變形特性，為山區(qū)公路建設(shè)土石混填高填方路基提供參考。

1 土工離心模型試驗原理

土工離心模型試驗是研究高填方路基沉降變形的重要方法。在室內(nèi)采用小比例尺物理模型試驗模擬現(xiàn)場原型結(jié)構(gòu)在重力場作用下的應力應變，從而再現(xiàn)原型特性。其過程是將原型構(gòu)造物按1/n比例制成的土工模型置于離心機中，以ng離心加速度進行高速旋轉(zhuǎn)，以離心力模擬重力，補償因模型縮尺所產(chǎn)生的自重損失，從而使土工模型保持與原型構(gòu)造物相同的力學性態(tài)。

2 離心模型試驗方案

2.1 試驗設(shè)計

采用土工離心模型試驗模擬土石混合填料高填方路基，研究在不同土石比、不同填筑高度、不同填筑工藝條件下的沉降變形規(guī)律。以龍井溝高填方路堤為原型，該填方長寬分別為200和300 m，中心線最大填方高度為38.6 m，填料粒徑不超過90 cm，以4.75 mm為標準定義土石，即填料小于4.75 mm的為土，反之則為石。設(shè)計了3種土石混填料土石比即100∶0、70∶30、30∶70；3種填筑高度即20、30、40 m；兩種填筑工藝即分層強夯、分層碾壓。同時要求模型土料與原型相同。

2.2 模型試驗參數(shù)

模型率n是土工離心模型試驗中最重要的參數(shù)。土工離心模型試驗原則上要求土工模型盡可能地接近原型，進而更加準確地量測應力和應變，更方便地安裝量測儀器。模型率n的計算公式如下：

(1)

式中：Hp、Hm分別為原型、模型的高度(m)。

由于土工離心機模型箱的尺寸固定，某些大型結(jié)構(gòu)物按式(1)計算的模型率n，可能會超過離心機所容許的最大值。該試驗采用25g-t的土工離心機，模型箱尺寸為600 mm×350 mm×500 mm。龍井溝高填方路堤原型幾何尺寸較大，若采用按式(1)計算得到的模型率n，其離心加速度ng超過了離心機的最大容許加速度，故為了滿足試驗要求，采用線彈性小比尺模型來確定模型率，試樣最大粒徑設(shè)計為9.5 mm。

2.3 模型制作

土工離心模型制作斷面形式如圖1所示。為了更好地對比不同填筑工藝對土石混合填料沉降變形的影響，試驗模型制作時采用在模型箱中部垂直放置一塊與模型箱寬度相等的硬質(zhì)木板，厚度為2 cm，從而按不同填筑工藝一次成型兩個模型，除填筑工藝外，其模型的高度、填料、邊界條件等均相同。

圖1 模型制作示意圖

為了研究土石混合填料高填方路基的沉降變形規(guī)律，該文設(shè)計了3組土工離心模型試驗，其設(shè)計參數(shù)如表1所示。其分層碾壓的代號分別為A、B、C；分層強夯的代號分別為AQ、BQ、CQ。

2.4 模型加載

考慮實際模型制作存在的困難，文中采用一次性加載模擬分層填筑的施工過程。每個模型加載過程約為100 min，其中固定轉(zhuǎn)速持續(xù)加載60 min。模型加載歷程如圖2所示。

表1 不同模型的設(shè)計參數(shù)

圖2 離心機加載歷程示意圖

3 離心模型試驗結(jié)果分析

在模型箱有機玻璃一側(cè)的模型斷面上按矩陣式布設(shè)位移觀測點，以加載前后的坐標變化計算各點的水平和垂直位移。該試驗的重心坐標：X=30 cm、Y=22 cm。圖1中，模型箱左邊數(shù)字為分層觀測點的行數(shù)，模型箱下面的數(shù)字為分層觀測點的列數(shù)。為了避免邊界條件對數(shù)據(jù)采集的影響，文中以2、3、4列觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。不同土石比的土石混合填料模型在不同加速度試驗時的位移觀測點布置圖如圖3所示。圖中：0g-100∶0 為例，表示離心加速度-土石比。

3.1 3種不同土石比填料的試驗結(jié)果

3種不同土石比(100∶0、70∶30、30∶70)在不同

圖3 不同土石比的土石混合填料模型在不同加速度試驗時的位移觀測點布置照片

填筑工藝、不同填筑高度的土石混合填料填筑體內(nèi)的沉降變形對比曲線如圖4所示。圖中A-50g-100∶0表示填筑工藝-離心加速度-土石比。

圖4 不同土石配合比的土石混合填料填筑體內(nèi)

由圖4可知：

(1) 3種不同土石比的土石混合填料填筑體均隨著填筑高度的遞增，其沉降變形逐漸增大。填筑體均在1/3填筑高度范圍內(nèi)沉降變形較小。但土石比100∶0的土石混合填料在(1/3～2/3)填筑高度范圍內(nèi)，沉降變形逐漸增大，超過2/3填筑高度，沉降變形繼續(xù)增大。填筑體最大沉降值出現(xiàn)在2/3填筑高度以上范圍內(nèi)。土石比70∶30的土石混合填料填筑體最大沉降值出現(xiàn)在1/3填筑高度以上范圍內(nèi)。土石比30∶70的土石混合填料填筑體的沉降規(guī)律與土石比70∶30的一致。

(2) 填筑混合料中的石含量是填筑體沉降變化重要的影響因素。填筑體沉降值隨著混合填料中石的含量增加而減小。土石比70∶30的填筑體的沉降值比土石比100∶0的填筑體減小1/2左右。土石比30∶70的填筑體沉降值較土石比100∶0的填筑體減小2/3左右。在該試驗中，土石比為30∶70的模型試驗值已經(jīng)接近讀數(shù)誤差，因為石含量較大對填筑體容易形成大空隙的骨架結(jié)構(gòu)，從而導致采用離心模型試驗研究其沉降規(guī)律的效果并不明顯，因此建議采用土工離心模型試驗研究的土石混合填料填筑路基沉降變形的土石比控制在70∶30～30∶70之間。

3.2 不同填筑高度時的試驗結(jié)果分析

3種不同填筑高度(20、30、40 m)在不同土石比、不同填筑工藝的土石混合填料填筑體內(nèi)的沉降變形對比曲線如圖5所示。圖中A-50g-20 m表示碾壓方式-離心加速度-填筑高度。

圖5 不同填筑高度的土石混合填料填筑體內(nèi)的

由圖5可知：

(1) 土石混合填料填筑體的沉降變形與填筑高度密切相關(guān)。隨著填筑高度的增大，填筑體的沉降變形逐漸增大。75g-30 m的填筑體沉降變形是50g-20 m的3倍左右；100g-40 m的填筑體沉降變形是50g-20 m的4倍左右。

(2) 土石混合填料填筑體在不同填筑高度20、30、40 m下，其填筑體內(nèi)沉降規(guī)律一致，顯示出區(qū)域性分層沉降的規(guī)律，其最大沉降值出現(xiàn)在上部區(qū)域。

3.3 不同填筑工藝時的試驗結(jié)果分析

兩種不同填筑工藝(分層碾壓、分層強夯)在不同土石比、不同填筑高度的土石混合填料填筑體內(nèi)的沉降變形對比曲線如圖6、7所示。

圖6 分層碾壓工藝成型的填筑體內(nèi)沉降對比曲線

圖7 分層強夯工藝成型的填筑體內(nèi)沉降對比曲線

由圖6、7可知：

(1) 采用分層強夯工藝的土石混合填料填筑體內(nèi)的沉降變形比分層碾壓工藝下要小，約能降低1/2，但沉降分布規(guī)律一致。結(jié)合圖5可知：強夯工藝對降低土石混合填料沉降變形的效果明顯，且填筑高度越大，效果愈顯著，但其造價較高，當填筑高度為20 m以下時，建議不考慮強夯工藝，反之，可采用。

(2) 不同填筑工藝對土石混合填料填筑體的沉降分布規(guī)律幾乎沒有影響，其沉降變形均表現(xiàn)為3個沉降變化區(qū)域。其中分層強夯工藝的填筑體下部區(qū)域的沉降與分層碾壓的基本一致，中、上部區(qū)域的沉降值明顯減小。在填筑高度為30～40 m、土石比為70∶30～30∶70時，分層強夯工藝對降低填筑體沉降變形的效果達到最佳。

4 結(jié)論

依托龍井溝高路堤區(qū)施工項目，通過土工離心模型試驗，開展土石混合填料填筑體在不同土石比、不同填筑工藝、不同填筑高度的沉降變形，得出如下結(jié)論：

(1) 土石混合填料填筑體隨著填筑高度的遞增，其沉降變形逐漸增大，分層沉降規(guī)律顯著。土石比為100∶0的填筑體最大沉降值出現(xiàn)在2/3填筑高度以上范圍內(nèi)。土石比為30∶70的土石混合填料填筑體的沉降規(guī)律與土石比70∶30的一致，最大沉降值出現(xiàn)在1/3填筑高度以上范圍內(nèi)。

(2) 石含量是影響土石混合填料填筑體沉降變形的重要因素。填筑體沉降值隨著混合填料中石的含量增加而減小。同時，土石比為70∶30～30∶70的土石混合填料方可采用土工離心模型試驗，否則將會出現(xiàn)嚴重誤差。

(3) 不同填筑高度的土石混合填料填筑體的沉降變形分布規(guī)律基本一致。建議填筑高度20 m以內(nèi)采用分層碾壓工藝，有利于降低造價，反之則采用強夯工藝。

(4) 不同填筑工藝的土石混合填料填筑體的沉降變形分布規(guī)律基本一致。但土石混合填料填筑采用分層強夯工藝的沉降變形比分層碾壓工藝下約能降低1/2，效果明顯。