高填方黄土路堤的最优填筑密度分区研究

第34卷第1期四川大学学报(工程科学版)Vol.34No.12002年1月JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)Jan.2002　　文章编号:100923087(2002)0120040204高填方黄土路堤的最优填筑密度分区研究胡小明,余学明(四川大学水电学院,四川成都610065)摘　要:根据黄土地区的工程实际状况,运用离心模型试验研究了黄土高路堤(H=30m和H=63.8m)特性,获得了高路堤填土在不同干容重分区下,不同路堤边坡在无水、挡水、边坡淋水作用时,高路堤的稳定情况及其位移与应力状况。试验结果表明:黄土高路堤稳定与沉降除与填筑密度密切相关外,水的浸入也是一个重要影响因素。在填土容重一定时,边坡坡度越陡,稳定安全性越差,沉降越大。关键词:黄土高路堤;稳定;沉降;离心模型试验中图分类号:TU444文献标识码:AResearchonDistributingZonesofOptimumDensityinHighLoessEmbankmentHUXiao2ming,YUXue2ming(CollegeofHydraulicEng.,SichuanUniv.,Chengdu610065,China)Abstract:Accordingtotheactualengineeringconditionsofloessregions,theauthorsfirstlyperformedtheexperimentofcentrifugalmodellingontwokindsofhighloessembankment.Theimportantobjectistostudyitsstability,settlementandthestateofstress.Accordingtodifferentdryunitweight,slope,watercontentandnowaterstateandrainingdays,theau2thorsconsiderthatthestabilityandsettlementofhighloessembankmentiscloselyrelatedtothedensityoffillingsoiltowhichwatercontentisanimportantaffectingfactor.Whendryunitweightisconstant,themoresteepistheslope,thelessisstabilityofslope,thelargeristhesettlement.Keywords:highloessembankment;stability;settlement;centrifugalmodeltests　　黄土分布很广,地球上黄土分布面积达1300万压实度S=0.93以上的均质路堤,但是,这种压实平方公里,约占陆地总面积的9.3%。我国黄土基度标准在黄土深冲沟中较难达到。而在冲沟底部,本上分布于北方,其中,黄河中游的陕西和甘肃大部由于施工机械不能到位,甚至只能用人工压实。因分地区为我国黄土的重要分布区。这些地区的黄土此,高路堤内的填筑密度应该设计成分区的。分布厚度大,地层全而连续,发育亦较典型。冲沟发1　黄土的基本性质育,沟壑纵横,塑造了现代的黄土地貌特征。在国内外的黄土地区公路路堤的设计中,边坡试验土料是采用从西(安)兰(州)公路改线工程都是很缓的,这不仅造成经济上的浪费,消耗大量的甘肃现场扰动黄土。用比重瓶法测得该黄土的比重土料,增加施工时间,还对路基防水防冲、地基处理G=2175。颗粒大小分布为:颗粒直径大于01075mm等方面造成新问题。在已有的研究中,主要为填土的占5%,粒径在01075～01005mm间的粉粒占79%,粒径小于01005mm的粘粒占16%。由此得该收稿日期:2001202228黄土的不均匀系数Cu=20134,曲率系数Cc=作者简介:胡小明(19572),女,工程师.研究方向:岩土工程.[1]1193,属级配良好的土。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第1期胡小明,等:高填方黄土路堤的最优填筑密度分区研究4133采用液塑限联合试验的方法,测得黄土的液限g/cm和ρd=1153g/cm三种干密度,含水量均为ωL=30%,塑限ωp=17%,塑性指数Ip=13。1215%的黄土也为非湿陷性黄土。按交通部《公路土工试验规程》中黄土分类及2　黄土高路堤的离心模型试验[2]黄土塑性图中黄土的分类,知该黄土为粉质中液限粘土,代号CIMY,新黄土Q3。本次研究采用的四川大学水电学院25g·t土工根据现代公路机械化施工条件,采用重型击实专用离心机就是在这样的背景下诞生的。该离心机仪进行击实试验,用RJS-3A击实仪,得到击实曲线由主机、拖动控制系统、数据采集、处理系统等几大3部分组成[3]。如图1所示,最大干密度为ρd=1191g/cm,相应的最佳含水量为1215%,孔隙比为0144,孔隙率为　　主要技术指标:离心机有效容量为25g·t;有效30155%。说明击实黄土较密实,孔隙相对较小。同半径为115m。最大加速度为250g,10～250g可时,在击实曲线上方,它是一条直线而且总是在击实调。最大加速度时最大荷重为100kg。模型箱尺寸曲线的右上方。因此,当干密度相同时,击实曲线上为600mm×400mm×400mm。信号环为32环。电各点的含水量都小于饱和曲线上各点的含水量。机功率为30kW。针对高路堤在黄土深冲沟中压实度不易达到较高标准要求的施工现实情况,拟定填土压实度分别[4]3为0190、0185、0180,即干密度ρd=1172g/cm、ρd33=1163g/cm、ρd=1153g/cm三种密度,控制含水量ω=1215%进行各种密度和边坡变化组成的离心模型试验,试验项目见表1。制样时保证闷土时间不少于12h,用酒精燃烧法测定含水量,分层填土。图1　击实曲线着重研究高路堤在不用高度、密度组合及挡水、不挡Fig.1Compactioncurves水、边坡淋水等条件下的变形情况。路堤试验按　　对本试验采用的西兰公路黄土在干密度ρd=1∶1175v1∶115v1∶112v1∶110v1∶018(0175)v31180g/cm,含水量ω=1215%和干密度ρd=11181∶015v1∶013各种坡度逐渐变陡。并在路堤坡中部3g/cm,ω=10156%两种土样所作压缩试验后,得出采用传感器观测位移变化。离心模型试验中,模型运湿陷性系数均小于01015,为非湿陷性黄土。按上述转1h,相当于原型N2h,试验对应原型高度共分二3规律和成果,可以认为在ρd=1172g/cm、ρd=1163种,即H[5]p=6318m和Hp=30m。表1　黄土高路堤离心模型试验项目表Tab.1Itemsofcentrifugalmodeltestsofhighloessembankment模型编号总高度/cm干密度/(g·cm-3)高度/cm堤顶宽/cm含水量ω/%模型比116320MY1301172103121521217MY2301172303121521217MY3301163303121521217MY4301163303121521217117210MY5301163203121521217117220MY6301163103121521217117220MY7301153103121521217117210MY8301153203121521217MY9301.5330312.5212.7117210MY1015116356121520011725MY111561215200116310©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 42四川大学学报(工程科学版)第34卷MY2模型:移等值线如图2和图3。MY2-2至MY2-5挡水后,模型高Hm=30cm,分6层填筑。取路堤的一半坡脚水位下局部软化,浸水区域在坡面高11cm,浸3入堤中13～18cm。试验时,分别在距堤底5、10、15做试验,顶宽3cm。填筑干密度ρd=1172g/cm,含水量ω=1215%。挡水深度11cm,在21217g下运cm高处埋设土压力传感器3个,并在不同坡度试验转,边坡坡度变化顺序为1∶1175v1∶115v中在路堤中部埋设位移传感器1个,传感器埋设见1∶112v1∶0175,试验情况见表2。边坡下路堤位图4。表2MY2模型试验情况Tab.2MY2Modeltestconditions高度堤顶宽干密度坡比离心加速度固结时间挡水深边坡淋最大垂直位最大水平试验号H/mρ-3)-2)T/aH/m移S/cm位移S/cmpB/md/(g·cm/mNg/(m·spw水情况vhMY2-163181210117211752121741055714314189MY2-2631812101172117521217115523145714331190MY2-363181210117211521217115523146810646179MY2-463181210117211221217115523146810642154MY2-563181210117201752121711552314511059114636318121011720175212170152314有8219562168MY2-6　　　　注:3为试验后,路堤已垮图2MY2-6挡水淋水水平位移等值线图4　传感器布置图Fig.2MY2-6contoursofhorizontaldisplacementdueFig.4TransducerslocationschemetoretainingwaterandrainingMY10模型:模型高Hm=15cm,堤顶宽6cm,分三层击实填筑,压实黄土分区为下部H1=5cm,干密度ρd=116333g/cm,上部H2=10cm,干密度ρd=1172g/cm。含水量均为1215%。挡水深度6cm。在离心加速度200g下运转。边坡坡度削坡变化顺序为1∶1175v1∶115v1∶112v1∶110。试验情况见表3。边坡下路堤位移等值线如图5和图6。模型MY10-2在挡水运转后,在上游距堤顶水平距离7cm路堤边坡上出现一条裂图3MY2-6挡水淋水沉降等值线Fig.3MY2-6contoursofsettlementdue缝,上游水位深度由6cm下降到415cm。toretainingwaterandraining表3MY10模型试验情况Table3MY10Modeltestconditions高度堤顶宽干密度坡比离心加速度固结时间挡水深边坡淋最大垂直位最大水平试验号-3-2Hp/mB/mρd/(g·cm)/mNg/(m·s)Tp/aHw/m水情况移Sv/cm位移Sh/cmMY10-13012101172～11631175200410388MY10-23012101172～116311752001152121430MY10-33012101172～11631152001152121828MY10-43012101172～11631122001152121824MY10-53012101172～11631102001152122624©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第1期胡小明,等:高填方黄土路堤的最优填筑密度分区研究433度ρd=1172g/cm,其对应的压实度为0190时,能够满足路堤稳定性及沉陷变形的要求。因此,并不需要把压实度提高到0193的数值;2)对于H=6318m的黄土均匀路堤,当压实度图5MY10-2挡水水平位移等值线分别为0190、0185、0180时,在不同坡度挡水2314mFig.5MY10-2contoursofhorizontal深情况下,离心试验表明:随着压实度每降低0105,displacementduetoretainingwater堤顶最大总沉降增加约100%;3)路堤H=30m,在干密度分区的下部ρd=31163g/cm(即压实度为0185),占堤高1/3,上部ρd3=1172g/cm(即压实度为0190),占堤高2/3,挡水深度12m,离心模型试验表明:当坡度为1∶110时,图6MY10-2挡水沉降等值线仍能稳定;Fig.6MY10-2contoursofsettlementduetoretainingwater4)建立了竣工后沉降与试验测出沉降之间的关系式。由试验,有限元计算,稳定分析的综合分析3　结果分析得出,对H=6318m的路堤,在竣工沉降控制在1%在离心模型试验中,用大头针做标点,通过量测路堤高的条件下,能满足稳定、沉降、应力要求的优模型在试验前后的标点座标,即可得出标点处的位化填土干密度分区为:第一,不挡水情况,边坡33移,用位移传感器量测坡面中部表面位移。对土中1∶112,干密度ρd=1172g/cm,ρd=1163g/cm,ρd应力的量测,采用在堤中预埋传感器的方法。=1153g/cm3,(压实度为0180),三种填土自上而下对于Hp=6318m高路堤,由于为一次填筑离各占堤高的1/3;第二,在挡水坡面冲刷等不利组合心模型试验,用标点法测得的最大沉降都位于路堤下,挡水为2314m深时,填土干密度分区为1∶112边顶部。挡水后,在路堤底部加水一侧产生较大的水平坡,干密度ρd=1163g/cm3,能满足要求;位移。同一坡度下,当压实度降低0105时,堤顶沉降5)对于H=6318m路堤,若按竣工半年开始计增加近1倍左右。说明填土密实度对路堤沉降影响沉降,当预留沉降控制在20cm以内时,经过综合分很大。析,能满足稳定、沉降要求的优化干密度分区为:第对于Hp=30m的路堤,路堤挡水后受水的影一,不挡水情况,边坡1∶112,ρd=1153g/cm3占堤响较大,挡水一侧路堤坡脚软化,产生较大的水平与高1/3,(下层),ρ3d=1172g/cm占堤高2/3,(上层);铅直位移。水平位移均偏向上下游侧各自边坡,有向第二,挡水2314m深情况,边坡1∶115,路堤为干密坡外侧移动趋势。路堤沉降最大值均在挡水一侧坡度ρ3d=1163g/cm的填土,或设边坡1∶112,填土ρd面上,而堤顶沉降相对较小。33=1163g/cm占堤高1/3(下层),ρd=1172g/cm占模型试验边坡稳定及垮塌情况表明,边坡稳定与堤高2/3(上层)。否,除与路堤自身填土密实度有关外,还与路堤挡水、淋水状态有关,一般垮塌时的边坡为1∶0175左右。参考文献:离心模型MY2对应原型路堤Hp=6318m在[1]水利部.土工试验规程(SL237-1999)[M].北京:中国水1∶0175边坡挡水2314m,表面淋水情况下,已埯塌,利水电出版社,1999.而稳定计算结果K<110,说明计算结果同试验情[2]交通部.公路土工试验规程(JTJ051-85)[M].北京:人民况吻合。交通出版社,1986.稳定计算还表明,MY10模型路堤Hp=30m在[3]胡　定,张利民.土工抗震试验与分析[M]1成都:成都科边坡陡至1∶110时,仍能维持稳定K>1125。这与离技大学出版社,1991.[4]柴锦春.黄土高填路堤的沉降计算[J].路基工程,1988,心试验结果一致。(5):19～24.4　结　论[5]黄阳才.黄土高路堤离心模型试验及三维数值模拟[D].成都科技大学,1992.1)模型试验和有限元计算的对比证明:对于甚(编辑　张　琼)至H=6318m的黄土均匀路堤,边坡1∶112,当干密©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.