河池机场填石高填方土基工后沉降离心模型试验研究

(1. Key Laboratory of Highway Engineering of Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China; 2. Guangxi Hechi Airport Co., Ltd., Hechi 547000, China)
料按比尺（n=200）缩制后可避免粒径效应，该方法 大大增大了细颗粒的含量，从而歪曲了原型粗颗粒的 基本工程特性。Ovesen[12]研究表明，只要基础直径大 于 30 倍的砂土平均粒径， 模型土料的粒径不相似就不 会对基础承载力特性有影响。Criag[13]认为，原型填料 的级配必须缩制到使浅基础等结构的尺寸与最大土颗 粒粒径之比达到 40 才符合要求。Bolton 等[14]应用粒 径相差 50 倍的两种砂石填料分别进行离心试验和常 规试验，发现两者具有较好的对应关系，离心模型试 验不会因缩尺造成强度降低而产生提前破坏。徐光明 等[5]研究发现， 要保证模型具有原型连续均匀的性质， 模型浅基础直径与土颗粒最大粒径之比必须大于 23。 杨俊杰等[15]采用模型的模拟（modeling of models）研 究方法考察了砂土地基承载力离心模型试验的粒径效 应，认为当模型基础宽度与地基材料平均粒径的比大 于 233 时，粒径效应对试验结果的影响小于 l%， 基本 可忽略不计。上述研究成果基本上是针对粗粒土地基 承载力离心模型试验中粒径效应分析的。对于粗粒土 路堤变形特性离心模型试验中的粒径效应，刘宏等[1] 认为，当模型箱的最小尺寸大于模型填料的最大粒径 的 15 倍时，可基本消除模型箱边界对试验结果的影 响。李凤鸣等[7]研究表明，模型箱尺寸与填料最大粒 径的比值为 13～53 时可消除粒径效应。 河池机场现场 填料最大粒径 30 cm，本次试验所用的模型箱有效尺 寸为 0.7 m×0.7 m×0.9 m （宽×高×长） ， 根据刘宏等[1]、 李凤鸣等[7]的研究成果，最大粒径 dm 取 20 mm，此时 模型箱短边 b 与最大粒径的比值 b/dm=35。 为避免填料所有粒径同比例缩小导致的细颗粒含 量增加，除限制最大粒径外，还应对填料级配进行模 拟。目前常用的方法有剔除法、等量替代法、相似级 配法、混合法[16]、梯形分布相似法（配制级配法）[17]。 其中，梯形分布相似法是保持原型级配曲线上大于某 控制粒径 d（细粒料控制粒径） 的粒料百分含量不变， c 按梯形分布规律将粒径缩小到模型允许范围之内；并 保证小于粒径 dc 的颗粒含量和级配不变。 这样既消除 了粒径效应，又避免了细颗粒含量的增加，保证了模 型填料与原型填料力学性质的一致性。dc 可根据现场 填料试验并结合中粗砂的分界线确定。三峡围堰 [17] 和瀑布沟高坝[6]的模型堆石料模拟采用了此方法，效 果良好。其控制粒径分别为 0.5 mm 和 2 mm。本试验 取 dc=2 mm。这样，根据最大粒径 dm 和控制粒径 dc， 即可采用梯形分布相似法进行级配配制。 1.3 离心模型试验方案 本试验采用不等应力的模型试验方案进行。 由于 离心模型试验比尺越小，同等条件下因元器件测量误 差等导致的试验误差越小，在兼顾离心机容量的前提 下，取比尺为 1∶160。考虑到问题的对称性，离心模
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机场土基工程质量和合理安排工期等尤为重要。 离心模型试验利用离心力模拟原型的自重应力， 使模型应力应变与原型等效，可在较短的时间内再现 原型特征，被广泛应用于土基的变形预测与分析[1-4]。 然而，由于机场填石高填方土基断面尺寸往往较大， 超出了一般离心机容量； 且填石料易导致粒径效应[5]， 大大增加了试验难度。因此，本文结合河池机场工程 建设，围绕离心模型试验中的超尺寸和填料模拟等关 键问题，开展填石高填方土基变形的离心模型试验研 究，并与现场实测结果对比分析。
摘
要：结合工程实例，采用不等应力模型设计方案，以梯形分布相似法配制填料，开展河池机场高填方土基工后沉
降的离心模型试验研究。试验结果表明：无论是变化规律还是单位土基填高的沉降量，与现场监测结果具有良好的一 致性；不同填料土基道肩沉降均大于场道中心，土基顶面呈“马鞍形”分布；试验结束后土基顶面、坡面未出现裂缝， 表明河池机场填石高填方土基面临的主要工程问题不是失稳破坏，而是过大的沉降变形控制。最后，选择指数回归参 数模型对工后沉降进行预测，预测结果表明，无论是工后沉降、残余沉降、沉降坡差还是沉降速率，煤矸石土基因针 片状颗粒含量高、基材强度较低将导致更大的沉降变形和更长的工期。 关键词：高填方土基；离心模型试验；粒径效应；工后沉降；指数模型 中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)04–0773–06 作者简介：张军辉(1978– )，男，河南驻马店人，博士，副教授，硕士生导师，道路工程与铁道工程专业，主要从事 道路和岩土工程方面的研究工作。E-mail: zjhseu@。
第 35 卷 2013 年
第4期 .4 月
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Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.35 No.4 Apr. 2013
河池机场填石高填方土基工后沉降离心模型试验研究
张军辉 ，黄湘宁 ，郑健龙 ，韦建明 ，徐先进
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（1. 长沙理工大学公路工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410004；2. 广西河池机场有限公司，广西 河池 547000）
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填石高填方土基离心模型试验
试验在长沙理工大学 TLJ-150A 型土工离心机上 进行。该离心机最大加速度为 150g，有效负荷 1.0 t， 最大有效荷载容量为 150 gt，有效旋转半径为 3.5 m。 模型箱有大、中、小各一件，有效容积（宽×高×长） 分别为 0.7 m×0.7 m×0.9 m、0.5 m×0.5 m×0.8 m、 0.7 m×0.36 m×0.9 m。 由于本次离心模型试验的原型 断面高 30 m， 边坡坡率为 1∶2， 场道土基顶宽 160 m， 底宽 280 m，即使考虑问题的对称性，取一半进行模 拟，仍超出了离心机容量。现场填料最大粒径为 30 cm，离心模型试验中存在粒径效应问题。 1.1 超尺寸离心模型试验技术 国内外开展了一些断面尺寸超过离心机容量的试 验研究。 为解决模型坝不能满足最大坝高要求的问题， [4] 刘宏等 、张利民等[6]采用了不等应力模型试验方法， 即对于同一小比例尺模型分别在一系列小加速度下试 验，根据试验结果外延小比例尺模型所对应加速度下 的情况，从而推求原型值。李凤鸣等[7]提出，当由于 离心机容量限制不能模拟原型全断面时，可根据试验 目的分别对原型的局部断面进行试验研究。此外，还 可用几何比例尺与力学比例尺不等的方法去推求原型 情况[4]。 由于不等应力模型试验实施简单，且填石高填方 土基变形基本满足该方法不同比例尺的试验结果具线 性关系的假定， 因此， 采用不等应力的模型试验方案。 1.2 填料模拟技术 在粗颗粒土料的离心模型试验中，粒径一般不满 足几何相似条件，若按几何相似来缩制土料将导致土 料性质改变[8]。因此，其离心模型试验需配制经过缩 尺的模拟材料。模拟材料的基本配置方法是：首先根 据模型试验箱的最小尺寸确定模型材料的最大粒径， 然后再按一定方法配制模拟材料，以尽可能消除粒径 效应。所谓粒径效应包括两方面的内容，其一是模型 箱最小尺寸与模型材料粒径相对比例关系引起的边界 影响； 其二是模型材料因缩尺引起的工程性质变化[9-10]。 在确定最大粒径方面，Mikasa[11]认为，将原型填
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引
言
随着国家西部大开发战略的实施，我国西部地区 经济发展遇到前所未有的机遇，山区机场的建设也因 此进入了高速发展阶段。为了保护环境、减少噪音污 染、节省耕地和满足净空要求，这些机场多建设在荒 山、荒坡区。山区地形、地貌复杂，使得机场建设出 现了大量的高填方土基，如云南大理机场最大填方高 度为 30 m，贵阳龙洞堡机场最大填方高度为 50 m， 九寨黄龙机场最大填方高度达 104 m[1-2]。广西河池机 场属于典型的山区高填方工程。所在区域原始地形起 伏较大，地面自然坡度一般在 15°～30°之间，局部
Abstract: Taking the high embankment of Hechi Airport as an example，the centrifugal model tests are carried out based on an unequal stress model design plan. The filling stones for tests are made by means of the similarity method of trapezoid distribution. The test results of change and settlement of unit fill height are consistent with the field data. The settlement of the shoulder is larger than that in the center of the embankment surface which presents saddle shape. There are no cracks in the embankment. It is shown that the main problem of the high embankment of Hechi Airport is not landslide or failure, but too large settlement. Finally, the exponential model is selected to predict the final post-construction settlement. Regardless of the post-construction settlement, residual settlement, grade and settlement rate, the results show that the gangue filling embankment will have large settlement and long construction period because of high content of flat-elongated particles and low strength of base materials. Key words: high embankment; centrifugal model test; particle size effect; post-construction settlement; exponential model