輕量土減重?fù)Q填消減黃土濕陷的方法研究

米文靜，張愛軍，任文淵，楊 濤，黃綿松，劉宏泰

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000；3.北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100044；4.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 研究背景

濕陷是指在附加壓力和浸水到飽和共同作用下，土體產(chǎn)生除壓縮變形以外的附加變形的現(xiàn)象，黃土濕陷具有突發(fā)性、不連續(xù)性和不可逆性，是黃土最為典型的特征。濕陷對黃土地區(qū)工程建設(shè)危害巨大，會(huì)造成建筑物、構(gòu)筑物基礎(chǔ)的大面積開裂、下陷，主體結(jié)構(gòu)傾斜、倒塌等[1-4]。

黃土力學(xué)中采用濕陷量和自重濕陷量值評價(jià)場地的濕陷等級?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》[5]要求，地基的濕陷處理程度取決于建筑場地的濕陷等級與建筑物的重要性，對于甲類建筑要全部消除地基的濕陷量，對于乙、丙類建筑要部分消除地基的濕陷量[6]。濕陷性黃土地基處理已開展了大量的研究與實(shí)踐，處理方法有墊層法、強(qiáng)夯法、擠密樁法、預(yù)浸水法等[7-9]。這些方法均是經(jīng)過大量工程實(shí)踐驗(yàn)證的有效方法，尤其是灰土擠密樁法非常成熟，被大量應(yīng)用，但不適用于路基等線狀工程。

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市地表的硬化面積迅猛擴(kuò)大，導(dǎo)致城市地表徑流量大幅度增加而積水災(zāi)害頻發(fā)；混凝土的大面積使用也引發(fā)了城市熱島效應(yīng)，給城市生態(tài)環(huán)境造成了較大的危害；同時(shí)，城市降雨大量排放也大大加劇了城市水資源的緊缺。為此，國家大力推動(dòng)海綿城市建設(shè)工作。海綿城市建設(shè)是指通過加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式。

濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)中存在路面透水性和黃土路基濕陷性之間的矛盾，是濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題?，F(xiàn)有的濕陷性黃土路基處理方法一般會(huì)阻斷水分下滲，使雨水資源得不到存儲(chǔ)和利用，且工程量較大、工期長、資金投入多，尚缺乏一種簡單易行、允許雨水下滲的自重濕陷性黃土路基處理方法。

本文基于黃土濕陷只有在浸水和上覆壓力共同作用才能產(chǎn)生，二者缺一不可的原理，以咸陽周陵自重濕陷性黃土為對象，在作者團(tuán)隊(duì)前期研制的透水性與素土基本相當(dāng)，密度在0.9～1.2 g/cm3之間，接近水的密度，強(qiáng)度較天然黃土高的輕量土[10]的基礎(chǔ)上，提出了利用輕量土減重?fù)Q填消減黃土路基濕陷量，特別是消減自重濕陷量的方法，并通過離心模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法不考慮道路荷載，利用輕量土自重輕的特點(diǎn)，大大減小路基的自重應(yīng)力從而可以在不阻斷水分入滲的情況下減小黃土濕陷量，且可使路基的透水性與天然黃土基本相當(dāng)，具有“滲水、滯水、蓄水”的能力。在一定條件下可以滿足濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的人行道與非機(jī)動(dòng)車道透水道路建設(shè)的需要。

2 基于輕量土減重原理的濕陷性黃土路基處理方法

2.1 輕量土概況輕量土是1950年到1970年之間日本、歐美等國家開發(fā)的一種新型填筑材料。一般分為水泥發(fā)泡輕量土和素土加輕質(zhì)材料混合輕量土。前者所用材料為水泥和發(fā)泡劑，形成的是含有封閉空泡的水泥凝固體，重量輕，最輕可以達(dá)到0.5 g/cm3，透水性較差。本文所用的輕量土屬于后者，是以EPS顆粒為輕質(zhì)材料，與素土、水、棉稈纖維、砂及水泥混合而成。前期研究得出各摻入材料所占原料土的重量百分比范圍為：棉稈纖維0.4%～0.8%、水泥2%～4%、砂6%～12%、EPS顆粒1%～1.5%及水30%～50%[10]。

（1）本次輕量土配合比。以陜西省咸陽市周陵鎮(zhèn)的自重濕陷性黃土為原料土，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以棉桿纖維、水泥、EPS 顆粒、砂的含量為影響因素，每個(gè)因素設(shè)置5個(gè)水平，進(jìn)行了密度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測定輕量土的密度、滲透系數(shù)和抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果得到同時(shí)滿足輕質(zhì)、承載力和透水性的最優(yōu)配合比為：棉桿纖維4 g/kg，水泥25 g/kg，EPS顆粒12 g/kg，砂120 g/kg，其余為土。最優(yōu)配合比下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為115 kPa左右，滲透系數(shù)為6.8×10-5cm/s，密度為1.114 g/cm3。

（2）輕量土特性。室內(nèi)試驗(yàn)測定了最優(yōu)配比下輕量土的齡期、材料含量對工程特性的影響。結(jié)果表明：（1）適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)條件下，輕量土的密度不受齡期的影響，受材料含量影響的主次順序表現(xiàn)為EPS顆粒＞砂＞棉桿纖維＞水泥。（2）輕量土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長呈增大的趨勢，受材料含量影響的主次順序表現(xiàn)為水泥＞EPS顆粒＞砂＞棉桿纖維。（3）輕量土的滲透系數(shù)隨著齡期的延長呈減小的趨勢，受材料含量影響的主次順序表現(xiàn)為水泥＞砂＞EPS顆粒＞棉桿纖維。（4）持水性隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長而減小，在養(yǎng)護(hù)初期迅速下降，齡期到7天后逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）輕量土工程造價(jià)。棉桿纖維取自農(nóng)業(yè)廢棄的棉稈，價(jià)格低廉且有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，水泥、EPS 顆粒為普通材料，經(jīng)測算，使用輕量土進(jìn)行濕陷性黃土路基換填所產(chǎn)生的綜合費(fèi)用約為127.15元/m3（按照陜西水利定額計(jì)算），較灰土稍高而大大低于灰土擠密樁，而灰土透水性極差，基本起到防滲的作用，不能滿足海綿城市建設(shè)透水、保水的要求。

2.2 輕量土減重?fù)Q填方法描述

（1）減重?fù)Q填原理。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中，自重濕陷量計(jì)算公式如下所示：

式中：Δzs為自重濕陷量計(jì)算值，mm；δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度，mm；β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)。

場地自重濕陷等級的判定依據(jù)為自重濕陷量Δzs，當(dāng)Δzs>70 mm時(shí)，場地為自重濕陷性，當(dāng)Δzs≤70 mm時(shí)，場地為非自重濕陷性。其中自重濕陷系數(shù)δzsi隨著自重壓力的減小而減小，因此Δzs也隨自重壓力的減小而減小。

本文依據(jù)Δzs的以上特性，提出的輕量土換填消減場地自重濕陷量的方法為：將道路穩(wěn)定層以下的原狀土換填一定深度，換填后，一方面輕量土換填層本身不濕陷，也就將換填層的黃土濕陷量減少為0；另一方面由于輕量土重量輕可減少底層黃土的上覆壓力，從而減小下臥黃土層的自重濕陷量。這樣換填后的自重濕陷量較原來值的差值可以用式（2）計(jì)算：

（2）試驗(yàn)土樣與室內(nèi)濕陷試驗(yàn)。本文土樣取自陜西省咸陽市渭城區(qū)周陵鎮(zhèn)西石羊村南部，場地地貌單元為黃土臺塬，屬Ⅳ級自重濕陷性場地，濕陷性強(qiáng)烈。本次取樣深度為24 m，每2～3 m取1個(gè)25 cm×25 cm×25 cm原狀土樣。場地地層表面有0.5 m深度的耕植層，含大量植物根系，取土及換填時(shí)需要挖除。通過室內(nèi)試驗(yàn)表明15 m以下土層不再具有濕陷性，這里只列出了15 m以上土層的室內(nèi)物理指標(biāo)和濕陷試驗(yàn)結(jié)果。各土層的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1；各土層的濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、濕陷起始壓力等試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 黃土室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果

（3）換填計(jì)算。用密度為1.114 g/cm3的輕量土對自重濕陷性黃土場地頂層進(jìn)行換填，換填厚度分別取1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 m，計(jì)算換填層的自重壓力和累計(jì)自重壓力，因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)β0取0.9，根據(jù)累計(jì)自重壓力查不同深度壓力-濕陷系數(shù)曲線，得出換填層的自重濕陷系數(shù)，計(jì)算各層自重濕陷量及自重濕陷總量，1.5 m 換填厚度計(jì)算結(jié)果見表3，不同厚度換填結(jié)果見表4，壓力與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線見圖1。

（4）結(jié)果分析。根據(jù)表3，表4可知，場地自重濕陷量為400.23 mm，屬自重濕陷性黃土場地，且自重濕陷性土層主要分布在4～14.0 m，用密度為1.114 g/cm3的輕量土對場地原狀土換填1.5 m 深度后，場地的自重濕陷量由400.23 mm減小至309.24 mm，減小了22.73%，說明采用輕量土換填方法可以有效減小路基的自重濕陷量。當(dāng)換填厚度增加至4.0 m時(shí)，場地的自重濕陷量減小了51.20%，但也未能完全消除場地的自重濕陷性。分析原因認(rèn)為本場地自重濕陷土層厚度較大，濕陷性強(qiáng)烈，為Ⅳ級自重濕陷性場地，且表層濕陷量較小，淺層換填只能減小濕陷量而不能消除路基濕陷。說明該方法對于低等級自重濕陷場地，且自重濕陷土層分布在淺層時(shí)較為適用，而對于濕陷等級較高的場地，需要聯(lián)合其他濕陷性處理方法才能完全消除路基的濕陷性。

圖1 壓力與濕陷系數(shù)曲線

表3 輕量土換填厚度為1.5m時(shí)路基的自重濕陷量計(jì)算結(jié)果

表4 不同換填厚度路基自重濕陷量計(jì)算結(jié)果

當(dāng)場地自重濕陷量相對較小，自重濕陷等級為Ⅱ級，且自重濕陷性土層分布在淺層處，輕量土減重?fù)Q填消減黃土濕陷的效果較為明顯。以西安市石家街附近，Ⅱ級自重濕陷性場地為例，場地土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表5。場地表層為1.0 m厚的雜填土，取土及換填時(shí)需要挖除，黃土層起訖深度為1～12.0 m，自重濕陷土層主要分布在2～7.0 m。根據(jù)上述方法用密度為1.114 g/cm3的輕量土對自重濕陷性黃土場地雜填土以下黃土層進(jìn)行換填，換填厚度為1.0 m時(shí)，場地的自重濕陷量由89.1 mm減小至32.4 mm，場地的自重濕陷性完全消除，換填計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 西安石家街某場地土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表6 西安石家街某場地輕量土換填厚度為1.0 m時(shí)的自重濕陷量計(jì)算結(jié)果

3 輕量土減重?fù)Q填離心模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證方法的有效性，本文開展了換填前后黃土路基濕陷的離心模型試驗(yàn)。離心模型試驗(yàn)是通過對模型施加N倍的離心加速度，來補(bǔ)償原型因縮尺到原來的1/N而產(chǎn)生的自重?fù)p失，對研究重力和浸水共同作用下的黃土濕陷問題非常有效[11-14]。

3.1 模擬方法試驗(yàn)采用黃土自重濕陷變形的多地層離心模型試驗(yàn)方法。按照密度、含水率和土層類型將場地地層進(jìn)行概化，從各地層中，選取密度、含水率與各地層均值最接近的土層作為模擬對象，制作模型，開展單線法離心模型濕陷試驗(yàn)。

3.2 地層概化由地質(zhì)勘察可知，場地地層自上而下為：Q4dl素填土，層厚0.5 m，黃褐色，堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)較松散，含少量植物根莖和生活垃圾，該層較薄，需要挖除；Q3eol黃土層，層厚10.4 m，褐黃～黃褐色，堅(jiān)硬～硬塑，針孔及大孔較發(fā)育，偶見鈣質(zhì)結(jié)核；Q3el古土壤，層厚2.5 m，紅褐色～棕紅色，堅(jiān)硬，鈣質(zhì)結(jié)核含量較多，局部富集成層；Q2eol老黃土層，層厚11.1 m，層底深度約24.0 m，褐黃～黃褐色，硬塑，針孔及大孔較發(fā)育，零星分布小鈣質(zhì)結(jié)核，由于15 m附近以下土層不具有自重濕陷性，因此，利用離心模型試驗(yàn)?zāi)M15 m深度場地。按照土層類型將場地地層概化為3層，根據(jù)三種土層的密度、含水率均值，選取6 m處黃土作為Q3新黃土層的模擬對象，12 m處黃土作為古土壤層的模擬對象；14 m處黃土作為Q2老黃土的模擬對象。土樣模型分層情況見表7。

3.3 濕陷試驗(yàn)方法離心模型濕陷試驗(yàn)原理與室內(nèi)濕陷試驗(yàn)相同，也分為單線法和雙線法。單線法試驗(yàn)?zāi)軌蚍从辰霛B深度對場地自重濕陷的影響，其原理較接近人行道與非機(jī)動(dòng)車道路基受力和濕陷的實(shí)際過程，本文采用單線法離心模型試驗(yàn)研究土體換填前后的濕陷變形情況。將30 cm高度的原狀土樣模型和輕量土換填1.5 m模型分別安裝在離心機(jī)上旋轉(zhuǎn)到50g的離心加速度，待壓縮變形穩(wěn)定后浸水飽和。試驗(yàn)過程中分別測定模型的壓縮變形和總沉降變形，最后分別求取原狀土樣模型和輕量土換填1.5 m模型的濕陷變形，將模型的濕陷變形乘以模型率N=50 即為換填前后的自重濕陷量，進(jìn)而驗(yàn)證換填減濕陷量效果。試驗(yàn)內(nèi)容見表8。

表7 土樣模型分層情況

表8 試驗(yàn)內(nèi)容

3.4 試驗(yàn)設(shè)備及測量儀器本次試驗(yàn)在清華大學(xué)50g-t土工離心試驗(yàn)機(jī)上完成，離心機(jī)采用不等臂的梁式設(shè)計(jì)，最大離心加速度為250g。試驗(yàn)采用的模型箱凈空尺寸為50 cm×35 cm×20 cm，模型箱一側(cè)為5.8 cm厚的有機(jī)玻璃板，其余均為鋁合金板，模型箱底盤安裝兩根木條，浸水時(shí)形成排水通道，木條上安置透水板和土工布。

模型的位移場采用非接觸量測系統(tǒng)測定，攝像裝置設(shè)置在離心機(jī)掛斗一側(cè)，試驗(yàn)過程中，攝像系統(tǒng)通過有機(jī)玻璃板拍攝照片和視頻，記錄模型土體的變化，圖像精度達(dá)亞像素級。試驗(yàn)結(jié)束后，采用清華大學(xué)開發(fā)的GIPSv3.4軟件對圖像上的位移標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行分析，測定模型土體在不同離心加速度下的時(shí)空位移。

3.5 模型設(shè)計(jì)和制作輕量土換填1.5 m模型的原狀土部分與原狀土樣模型的制作方法相同。先將選定的原狀土樣按照預(yù)定的尺寸切削平整，然后按照場地順序?qū)⒛Ｐ屯翗盈B合整齊，其中，輕量土換填模型將提前預(yù)制好的輕量土層放置在Q3原狀土層上，把疊好的模型放置在模型箱的中間位置，長邊側(cè)貼緊有機(jī)玻璃板，兩側(cè)用相同含水率、密度、土層類型的重塑土分層壓實(shí)填充，每層不超過2 cm。

土樣模型裝好后，在模型與有機(jī)玻璃板接觸的一側(cè)貼一層白色的濕紙巾，將提前制好的泡沫標(biāo)志點(diǎn)用大頭針嵌入模型中，使模型量測區(qū)域形成白色與棕色的色彩差，便于追蹤模型標(biāo)志點(diǎn)的位移變化。模型浸水飽和時(shí)，水分通過透水板上的孔洞均勻滲入模型內(nèi)，直至充分飽和。制作好的輕量土換填1.5 m模型土層分布及厚度見圖2，其中，模型高度為30 cm，左側(cè)為土樣模型裝入模型箱照片，右側(cè)為安設(shè)標(biāo)志點(diǎn)后照片。

圖2 輕量土換填1.5 m模型

圖3 模型加載時(shí)程變化曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 模型時(shí)程特征試驗(yàn)以5g為步長，50g離心加速度下，待壓縮變形穩(wěn)定后浸水飽和。模型為實(shí)際場地縮尺50倍，取50g離心加速度下的沉降變形代表場地的總變形。

每60 s拍攝一次圖像記錄模型土體位移變化，沉降變形隨時(shí)間變化過程見圖3。由于換填后模型土樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和排水條件發(fā)生了變化，因此，原狀和換填模型的變形穩(wěn)定所需時(shí)間存在差異。

由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，原狀樣模型和輕量土換填1.5 m模型的沉降發(fā)展速率一致，均經(jīng)歷了緩慢—較快—緩慢的過程變化，且壓縮變形穩(wěn)定的歷時(shí)一致，均為38 min，但浸水后，模型沉降變形穩(wěn)定的歷時(shí)不同，50g離心加速度下，輕量土換填1.5 m模型比原狀樣模型先達(dá)到變形穩(wěn)定狀態(tài)，輕量土換填1.5 m模型需65 min，原狀樣模型需76 min，且同級離心加速度下，換填模型的沉降變形量始終小于原狀樣模型。

4.2 原狀樣模型變形特性模型在垂直方向設(shè)置12排，水平方向設(shè)置8列，總計(jì)96個(gè)位移標(biāo)志點(diǎn)，通過圖像采集軟件獲得模型在不同離心加速度下的變形過程。其中，頂層標(biāo)志點(diǎn)的位移代表場地的總變形，各排標(biāo)志點(diǎn)的位移代表分層變形情況，反映變形隨深度變化的情況。

（1）壓縮變形特性。將模型在頂排、2、4、6、8、10排的位移標(biāo)志點(diǎn)，在50g離心加速度下的壓縮變形值繪圖4（a）。由圖4（a）可知，左側(cè)變形量大于右側(cè)，這是邊界的影響，應(yīng)采用中部標(biāo)志點(diǎn)均值代表土樣的變形。

圖4 50g離心加速度下的壓縮變形

將模型中部第1至8列的位移標(biāo)志點(diǎn)，在50g離心加速度下的壓縮變形值繪圖4（b），由圖4（b）可知，模型的壓縮變形隨著深度的增加而減小，Q3土層表現(xiàn)出較大的壓縮性，古土壤層次之，Q2土層強(qiáng)度較大，壓縮性較小。模型壓縮變形均值為2.83 mm，按相似律N=50換算，場地的壓縮變形值為141.50 mm。

（2）浸水沉降變形特性。飽和過程中，由于浸水增濕使部分標(biāo)志點(diǎn)嵌入土體，無法追蹤位移變化。將模型在50g離心加速度下，可識別的各列標(biāo)志點(diǎn)沉降變形情況繪圖5。由圖5可知：50g離心加速度下，浸水沉降變形隨著深度的增加逐漸減小，模型20 cm 深度內(nèi)的沉降變形占總沉降的50%以上。

（3）濕陷變形特性。試驗(yàn)采用單線法離心模型試驗(yàn)，將原狀樣模型在一定離心加速度下的沉降變形值減去壓縮變形值，即得到該離心加速度下的濕陷變形。圖6為模型第1至8列的位移標(biāo)志點(diǎn)在離心加速度為50g時(shí)的濕陷變形情況，由圖6可知：隨著深度的增加，土層的濕陷變形逐漸減小，且深度小于20 cm時(shí)，濕陷變形減小緩慢，當(dāng)深度大于20 cm時(shí)，濕陷變形急劇減小。究其原因是20.8 cm以下為濕陷性較弱的古土壤和Q2黃土，以上為濕陷性較強(qiáng)的Q3黃土，說明土層性質(zhì)對黃土濕陷性影響最為顯著。

圖5 50g離心加速度時(shí)原狀樣模型各列標(biāo)志點(diǎn)浸水沉降變形

圖6 50g離心加速度時(shí)原狀樣模型各列標(biāo)志點(diǎn)濕陷變形

按照模型比尺1/50，折算得到原場地自重濕陷量隨深度變化情況如圖7所示，由圖7可知，場地的濕陷變形隨深度增加，整體呈減小的趨勢變化。場地4.5 m以上深度，自重濕陷量較大，且隨著深度增加，自重濕陷量小幅度增加；4.5 m～13 m，隨著深度增加，自重濕陷量逐漸減??；13 m以下深度不具有自重濕陷性。模型在50g離心加速時(shí)的濕陷變形均值為12.63 mm，按相似律N=50換算，可得該場地的自重濕陷量為631.53 mm。

4.3 輕量土換填1.5m模型變形特性 輕量土換填1.5 m模型設(shè)置15 排、8 列位移標(biāo)志點(diǎn)，以下逐一分析模型3、5、7、9、11排和各列位移標(biāo)志在50g離心加速度下的壓縮變形、沉降變形和濕陷變形情況。

（1）壓縮變形特性。輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下各列標(biāo)志點(diǎn)壓縮變形見圖8。由圖8可見，模型各列標(biāo)志點(diǎn)的壓縮變形隨深度的增加逐漸減小，且相同深度處標(biāo)志點(diǎn)的壓縮變形值較為接近，說明土層壓縮變形均勻。輕量土換填1.5 m模型的壓縮變形均值為2.51 mm，按相似律換算，輕量土換填1.5 m場地的壓縮變形值為125.50 mm。

（2）浸水沉降變形特性。輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下各列標(biāo)志點(diǎn)浸水沉降變形見圖9，由圖9可見，隨著深度的增加，模型的沉降變形整體呈減小的趨勢變化，沉降變形在12 cm深度內(nèi)變化較小，在12 cm深度以下，逐漸減小。

（3）濕陷變形特性。輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下各排標(biāo)志點(diǎn)濕陷變形見圖10，由圖10可見，輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下，各土層濕陷變形均勻，與模型的沉降變形規(guī)律相似。

圖9 50g時(shí)輕量土換填1.5m模型各列標(biāo)志點(diǎn)浸水沉降變形

圖10 50g時(shí)輕量土換填1.5m模型各排標(biāo)志點(diǎn)濕陷變形

輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下各列標(biāo)志點(diǎn)濕陷變形見圖11，由圖11可見，隨著深度的增加，輕量土換填1.5 m模型的濕陷變形逐漸減小，當(dāng)深度小于10 cm時(shí)，濕陷變形變化減小，當(dāng)深度大于10 cm時(shí)，濕陷變形隨深度增加，快速減小。輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速度下濕陷變形為9.72 mm。

圖11 50g離心加速度時(shí)輕量土換填1.5m模型各列標(biāo)志點(diǎn)濕陷變形

圖12 換填道路場地深度與濕陷變形關(guān)系

圖13 沉降變形與離心加速度的關(guān)系

換填場地自重濕陷量隨深度變化情況如圖12所示，由圖12可知，輕量土換填1.5 m場地的濕陷變形隨深度增加整體呈減小的趨勢變化。場地6 m以上深度，自重濕陷量較大，且隨著深度增加，自重濕陷量稍有增大，6 m以下深度，隨著深度增加，自重濕陷量呈線性減小。輕量土換填1.5 m模型在50g離心加速時(shí)的濕陷變形均值為9.72 mm，按相似律換算，可得經(jīng)換填1.5 m，場地的自重濕陷量為486.00 mm。

4.4 基于輕量土減重?fù)Q填的離心模型試驗(yàn)方法論證

（1）輕量土減重?fù)Q填效果論證。將原狀樣模型與輕量土換1.5 m模型在各級離心加速度下沉降變形情況繪圖13，由圖13可見，①輕量土換填1.5 m模型比原狀樣模型的壓縮變形小0.32 mm，因?yàn)檩p量土換填減小了上覆壓力，使壓縮變形量略有減小；②浸水飽和后，50g離心加速度下，輕量土換填1.5 m模型比原狀樣模型的濕陷變形小2.91 mm，說明輕量土減重?fù)Q填可以減小場地的自重濕陷量，該方法對減小黃土場地的自重濕陷性有效。同時(shí)，由于本場地為IV 級自重濕陷性場地，濕陷性強(qiáng)烈，換填法不能完全消除濕陷性；當(dāng)場地自重濕陷等級為Ⅱ級，且濕陷土層分布在上部，本方法將可以消除道路場地的自重濕陷性，下一步我們將對本方法的適用范圍開展研究。

表9 換填與不換填兩種情況的濕陷變形量對比

表10 兩種方法得到的換填后路基自重濕陷量的減小比例對比

（2）離心模型試驗(yàn)方案驗(yàn)證。換填與不換填兩種情況的濕陷變形量對比見表9，室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算和離心模型試驗(yàn)得到的換填前后濕陷量對比見表10。由表9、10可知，室內(nèi)試驗(yàn)得到道路場地的自重濕陷量為400.23 mm，通過減重?fù)Q填計(jì)算可知，用密度為1.114 g/cm3的輕量土換填1.5 m 原狀土層后，道路場地自重濕陷量減小至309.24 mm，減小了22.73%；離心模型試驗(yàn)得到的原道路場地自重濕陷量為631.53 mm，用密度為1.114 g/cm3的輕量土換填1.5 m道路場地的自重濕陷量為486.00 mm，減小了23.04%。離心模型試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)換填計(jì)算結(jié)果相近。證明輕量土換填可以有效減小路基的自重濕陷量。

（3）離心模型試驗(yàn)方案驗(yàn)證?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》規(guī)定咸陽市的地區(qū)修正系數(shù)β0值為0.9，而本次離心模型試驗(yàn)測得的自重濕陷量與室內(nèi)試驗(yàn)值之比得出的地區(qū)修正系數(shù)β0值為1.58，兩者相差較大。分析認(rèn)為黃土規(guī)范主要依據(jù)咸陽塬下渭河低階地場地的浸水試驗(yàn)得出，規(guī)范規(guī)定的地區(qū)修正系數(shù)只適合于渭河低階地場地。而本試驗(yàn)土樣取自咸陽塬上，為渭河的四級階地，離心模型試驗(yàn)得到的地區(qū)修正系數(shù)β0=1.58反映了塬上高階地場地的黃土濕陷特性，該值可為咸陽北塬區(qū)工程建設(shè)參考。

5 結(jié)論

（1）咸陽市周陵鎮(zhèn)自重濕陷性黃土的離心模型試驗(yàn)得到，該場地的地區(qū)修正系數(shù)β0值為1.58。該值比黃土規(guī)范規(guī)定的0.90（關(guān)中地區(qū)）更適合咸陽北塬區(qū)場地，可供關(guān)中高階地黃土塬區(qū)的地區(qū)修正系數(shù)取值參考。

（2）黃土濕陷是浸水與上覆壓力共同作用的結(jié)果，二者缺一不可。濕陷性黃土地區(qū)海綿城市人行道與非機(jī)動(dòng)車透水道路建設(shè)中要求雨水入滲，路基浸水不可避免。輕量土減重?fù)Q填方法在路基浸水不可避免的情況下，通過有效減少上覆壓力而減小場地的濕陷量，從原理上看一定是有效的。依據(jù)室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得出換填1.5 m后道路場地自重濕陷量減小了22.73%；依據(jù)離心模型試驗(yàn)得到，換填1.5 m后場地自重濕陷量減小了23.04%，證明利用輕量土減重?fù)Q填的方法能夠有效消減黃土道路場地的自重濕陷量。

（3）對于自重濕陷等級為Ⅱ級，自重濕陷土層分布在淺層的自重濕陷性黃土場地，輕量土換填的方法能夠有效消除其自重濕陷性。