Page 59 - 水利学报2021年第52卷第1期

3 轻量土减重换填离心模型试验

为了验证方法的有效性，本文开展了换填前后黄土路基湿陷的离心模型试验。离心模型试验是
通过对模型施加 N 倍的离心加速度，来补偿原型因缩尺到原来的 1/N 而产生的自重损失，对研究重力
和浸水共同作用下的黄土湿陷问题非常有效 ［11-14］ 。
3.1 模拟方法 试验采用黄土自重湿陷变形的多地层离心模型试验方法。按照密度、含水率和土层
类型将场地地层进行概化，从各地层中，选取密度、含水率与各地层均值最接近的土层作为模拟对
象，制作模型，开展单线法离心模型湿陷试验。
3.2 地层概化 由地质勘察可知，场地地层自上而下为：Q 素填土，层厚 0.5 m，黄褐色，坚硬，
dl
4
eol
结构较松散，含少量植物根茎和生活垃圾，该层较薄，需要挖除；Q 黄土层，层厚 10.4 m，褐黄~
3
黄褐色，坚硬~硬塑，针孔及大孔较发育，偶见钙质结核；Q 古土壤，层厚 2.5 m，红褐色~棕红
el
3
eol 老黄土层，层厚 11.1 m，层底深度约 24.0 m，褐
色，坚硬，钙质结核含量较多，局部富集成层；Q
2
黄~黄褐色，硬塑，针孔及大孔较发育，零星分布小钙质结核，由于 15 m 附近以下土层不具有自重湿
陷性，因此，利用离心模型试验模拟 15 m 深度场地。按照土层类型将场地地层概化为 3 层，根据三
种土层的密度、含水率均值，选取 6 m 处黄土作为 Q 新黄土层的模拟对象，12 m 处黄土作为古土壤
3
层的模拟对象；14 m 处黄土作为 Q 老黄土的模拟对象。土样模型分层情况见表 7。
2
3.3 湿陷试验方法 离心模型湿陷试验原理与室内湿陷试验相同，也分为单线法和双线法。单线法
试验能够反映浸水入渗深度对场地自重湿陷的影响，其原理较接近人行道与非机动车道路基受力和
湿陷的实际过程，本文采用单线法离心模型试验研究土体换填前后的湿陷变形情况。将 30 cm 高度的
原状土样模型和轻量土换填 1.5 m 模型分别安装在离心机上旋转到 50g 的离心加速度，待压缩变形稳
定后浸水饱和。试验过程中分别测定模型的压缩变形和总沉降变形，最后分别求取原状土样模型和
轻量土换填 1.5 m 模型的湿陷变形，将模型的湿陷变形乘以模型率 N=50 即为换填前后的自重湿陷
量，进而验证换填减湿陷量效果。试验内容见表 8。

表 7 土样模型分层情况
代表场地 尺寸（长×宽×高） 初始含水率 密度ρ/
模型试样 层数 土层类型 模型层高/cm
-3
深度/m / （cm×cm×cm） w/% （g·cm ）
第一层 Q 3新黄土 20.80 0.00～10.40 18.9 1.41
原状土样模
第二层 古土壤 5.00 10.40～12.90 20×20×30 17.4 1.66
型
第三层 Q 2老黄土 4.20 12.90～15.00 19.5 1.64
第一层 轻量土 3.00 0.00～1.50 － －
轻量土换填 第二层 Q 3新黄土 17.80 1.50～10.40 18.9 1.41
20×20×30
1.5m 模型 第三层 古土壤 5.00 10.40～12.90 17.4 1.66
第四层 Q 2老黄土 4.20 12.90～15.00 19.5 1.64

表 8 试验内容
模型试样 初始离心加速度 终级离心加速度 加速度步长 试验过程 备注
原状土样模型 0g 50g 5g 每级离心加速度变形稳定
离心加速度分级加至 后再加下一级；稳定标准
轻量土换填 1.5m
0g 50g 5g 50g-浸水至饱和 通过连续多张照片位移变
模型 化判断。
3.4 试验设备及测量仪器 本次试验在清华大学 50g-t 土工离心试验机上完成，离心机采用不等臂的

梁式设计，最大离心加速度为 250g。试验采用的模型箱净空尺寸为 50 cm×35 cm ×20 cm，模型箱一侧
为 5.8 cm 厚的有机玻璃板，其余均为铝合金板，模型箱底盘安装两根木条，浸水时形成排水通道，木

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