轻量土减重换填消减黄土湿陷的方法研究

米文静，张爱军，任文渊，杨 涛，黄绵松，刘宏泰

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000；3.北京首创股份有限公司，北京 100044；4.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

1 研究背景

湿陷是指在附加压力和浸水到饱和共同作用下，土体产生除压缩变形以外的附加变形的现象，黄土湿陷具有突发性、不连续性和不可逆性，是黄土最为典型的特征。湿陷对黄土地区工程建设危害巨大，会造成建筑物、构筑物基础的大面积开裂、下陷，主体结构倾斜、倒塌等[1-4]。

黄土力学中采用湿陷量和自重湿陷量值评价场地的湿陷等级。《湿陷性黄土地区建筑规范》[5]要求，地基的湿陷处理程度取决于建筑场地的湿陷等级与建筑物的重要性，对于甲类建筑要全部消除地基的湿陷量，对于乙、丙类建筑要部分消除地基的湿陷量[6]。湿陷性黄土地基处理已开展了大量的研究与实践，处理方法有垫层法、强夯法、挤密桩法、预浸水法等[7-9]。这些方法均是经过大量工程实践验证的有效方法，尤其是灰土挤密桩法非常成熟，被大量应用，但不适用于路基等线状工程。

近年来，随着我国城市化进程的加快，城市地表的硬化面积迅猛扩大，导致城市地表径流量大幅度增加而积水灾害频发；混凝土的大面积使用也引发了城市热岛效应，给城市生态环境造成了较大的危害；同时，城市降雨大量排放也大大加剧了城市水资源的紧缺。为此，国家大力推动海绵城市建设工作。海绵城市建设是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。

湿陷性黄土地区海绵城市建设中存在路面透水性和黄土路基湿陷性之间的矛盾，是湿陷性黄土地区海绵城市建设中的关键技术难题。现有的湿陷性黄土路基处理方法一般会阻断水分下渗，使雨水资源得不到存储和利用，且工程量较大、工期长、资金投入多，尚缺乏一种简单易行、允许雨水下渗的自重湿陷性黄土路基处理方法。

本文基于黄土湿陷只有在浸水和上覆压力共同作用才能产生，二者缺一不可的原理，以咸阳周陵自重湿陷性黄土为对象，在作者团队前期研制的透水性与素土基本相当，密度在0.9～1.2 g/cm3之间，接近水的密度，强度较天然黄土高的轻量土[10]的基础上，提出了利用轻量土减重换填消减黄土路基湿陷量，特别是消减自重湿陷量的方法，并通过离心模型试验进行了验证。该方法不考虑道路荷载，利用轻量土自重轻的特点，大大减小路基的自重应力从而可以在不阻断水分入渗的情况下减小黄土湿陷量，且可使路基的透水性与天然黄土基本相当，具有“渗水、滞水、蓄水”的能力。在一定条件下可以满足湿陷性黄土地区海绵城市建设的人行道与非机动车道透水道路建设的需要。

2 基于轻量土减重原理的湿陷性黄土路基处理方法

2.1 轻量土概况轻量土是1950年到1970年之间日本、欧美等国家开发的一种新型填筑材料。一般分为水泥发泡轻量土和素土加轻质材料混合轻量土。前者所用材料为水泥和发泡剂，形成的是含有封闭空泡的水泥凝固体，重量轻，最轻可以达到0.5 g/cm3，透水性较差。本文所用的轻量土属于后者，是以EPS颗粒为轻质材料，与素土、水、棉秆纤维、砂及水泥混合而成。前期研究得出各掺入材料所占原料土的重量百分比范围为：棉秆纤维0.4%～0.8%、水泥2%～4%、砂6%～12%、EPS颗粒1%～1.5%及水30%～50%[10]。

（1）本次轻量土配合比。以陕西省咸阳市周陵镇的自重湿陷性黄土为原料土，采用正交试验设计，以棉杆纤维、水泥、EPS 颗粒、砂的含量为影响因素，每个因素设置5个水平，进行了密度试验、渗透试验和无侧限抗压强度试验，测定轻量土的密度、渗透系数和抗压强度。试验结果得到同时满足轻质、承载力和透水性的最优配合比为：棉杆纤维4 g/kg，水泥25 g/kg，EPS颗粒12 g/kg，砂120 g/kg，其余为土。最优配合比下无侧限抗压强度为115 kPa左右，渗透系数为6.8×10-5cm/s，密度为1.114 g/cm3。

（2）轻量土特性。室内试验测定了最优配比下轻量土的龄期、材料含量对工程特性的影响。结果表明：（1）适当的养护条件下，轻量土的密度不受龄期的影响，受材料含量影响的主次顺序表现为EPS颗粒＞砂＞棉杆纤维＞水泥。（2）轻量土的抗压强度随着龄期的延长呈增大的趋势，受材料含量影响的主次顺序表现为水泥＞EPS颗粒＞砂＞棉杆纤维。（3）轻量土的渗透系数随着龄期的延长呈减小的趋势，受材料含量影响的主次顺序表现为水泥＞砂＞EPS颗粒＞棉杆纤维。（4）持水性随着养护时间延长而减小，在养护初期迅速下降，龄期到7天后逐渐趋于稳定。

（3）轻量土工程造价。棉杆纤维取自农业废弃的棉秆，价格低廉且有利于节约资源和保护环境，水泥、EPS 颗粒为普通材料，经测算，使用轻量土进行湿陷性黄土路基换填所产生的综合费用约为127.15元/m3（按照陕西水利定额计算），较灰土稍高而大大低于灰土挤密桩，而灰土透水性极差，基本起到防渗的作用，不能满足海绵城市建设透水、保水的要求。

2.2 轻量土减重换填方法描述

（1）减重换填原理。《湿陷性黄土地区建筑规范》中，自重湿陷量计算公式如下所示：

式中：Δzs为自重湿陷量计算值，mm；δzsi为第i层土的自重湿陷系数；hi为第i层土的厚度，mm；β0为因地区土质而异的修正系数。

场地自重湿陷等级的判定依据为自重湿陷量Δzs，当Δzs>70 mm时，场地为自重湿陷性，当Δzs≤70 mm时，场地为非自重湿陷性。其中自重湿陷系数δzsi随着自重压力的减小而减小，因此Δzs也随自重压力的减小而减小。

本文依据Δzs的以上特性，提出的轻量土换填消减场地自重湿陷量的方法为：将道路稳定层以下的原状土换填一定深度，换填后，一方面轻量土换填层本身不湿陷，也就将换填层的黄土湿陷量减少为0；另一方面由于轻量土重量轻可减少底层黄土的上覆压力，从而减小下卧黄土层的自重湿陷量。这样换填后的自重湿陷量较原来值的差值可以用式（2）计算：

（2）试验土样与室内湿陷试验。本文土样取自陕西省咸阳市渭城区周陵镇西石羊村南部，场地地貌单元为黄土台塬，属Ⅳ级自重湿陷性场地，湿陷性强烈。本次取样深度为24 m，每2～3 m取1个25 cm×25 cm×25 cm原状土样。场地地层表面有0.5 m深度的耕植层，含大量植物根系，取土及换填时需要挖除。通过室内试验表明15 m以下土层不再具有湿陷性，这里只列出了15 m以上土层的室内物理指标和湿陷试验结果。各土层的基本物理性质指标见表1；各土层的湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力等试验结果见表2。

表1 土样的基本物理性质指标

表2 黄土室内湿陷试验结果

（3）换填计算。用密度为1.114 g/cm3的轻量土对自重湿陷性黄土场地顶层进行换填，换填厚度分别取1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 m，计算换填层的自重压力和累计自重压力，因地区土质而异的修正系数β0取0.9，根据累计自重压力查不同深度压力-湿陷系数曲线，得出换填层的自重湿陷系数，计算各层自重湿陷量及自重湿陷总量，1.5 m 换填厚度计算结果见表3，不同厚度换填结果见表4，压力与湿陷系数关系曲线见图1。

（4）结果分析。根据表3，表4可知，场地自重湿陷量为400.23 mm，属自重湿陷性黄土场地，且自重湿陷性土层主要分布在4～14.0 m，用密度为1.114 g/cm3的轻量土对场地原状土换填1.5 m 深度后，场地的自重湿陷量由400.23 mm减小至309.24 mm，减小了22.73%，说明采用轻量土换填方法可以有效减小路基的自重湿陷量。当换填厚度增加至4.0 m时，场地的自重湿陷量减小了51.20%，但也未能完全消除场地的自重湿陷性。分析原因认为本场地自重湿陷土层厚度较大，湿陷性强烈，为Ⅳ级自重湿陷性场地，且表层湿陷量较小，浅层换填只能减小湿陷量而不能消除路基湿陷。说明该方法对于低等级自重湿陷场地，且自重湿陷土层分布在浅层时较为适用，而对于湿陷等级较高的场地，需要联合其他湿陷性处理方法才能完全消除路基的湿陷性。

图1 压力与湿陷系数曲线

表3 轻量土换填厚度为1.5m时路基的自重湿陷量计算结果

表4 不同换填厚度路基自重湿陷量计算结果

当场地自重湿陷量相对较小，自重湿陷等级为Ⅱ级，且自重湿陷性土层分布在浅层处，轻量土减重换填消减黄土湿陷的效果较为明显。以西安市石家街附近，Ⅱ级自重湿陷性场地为例，场地土样基本物理性质指标见表5。场地表层为1.0 m厚的杂填土，取土及换填时需要挖除，黄土层起讫深度为1～12.0 m，自重湿陷土层主要分布在2～7.0 m。根据上述方法用密度为1.114 g/cm3的轻量土对自重湿陷性黄土场地杂填土以下黄土层进行换填，换填厚度为1.0 m时，场地的自重湿陷量由89.1 mm减小至32.4 mm，场地的自重湿陷性完全消除，换填计算结果见表6。

表5 西安石家街某场地土样的基本物理性质指标

表6 西安石家街某场地轻量土换填厚度为1.0 m时的自重湿陷量计算结果

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：Q4dl素填土，层厚0.5 m，黄褐色，坚硬，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；Q3eol黄土层，层厚10.4 m，褐黄～黄褐色，坚硬～硬塑，针孔及大孔较发育，偶见钙质结核；Q3el古土壤，层厚2.5 m，红褐色～棕红色，坚硬，钙质结核含量较多，局部富集成层；Q2eol老黄土层，层厚11.1 m，层底深度约24.0 m，褐黄～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Q3新黄土层的模拟对象，12 m处黄土作为古土壤层的模拟对象；14 m处黄土作为Q2老黄土的模拟对象。土样模型分层情况见表7。

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

表8 试验内容

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，木条上安置透水板和土工布。

模型的位移场采用非接触量测系统测定，摄像装置设置在离心机挂斗一侧，试验过程中，摄像系统通过有机玻璃板拍摄照片和视频，记录模型土体的变化，图像精度达亚像素级。试验结束后，采用清华大学开发的GIPSv3.4软件对图像上的位移标志点进行分析，测定模型土体在不同离心加速度下的时空位移。

3.5 模型设计和制作轻量土换填1.5 m模型的原状土部分与原状土样模型的制作方法相同。先将选定的原状土样按照预定的尺寸切削平整，然后按照场地顺序将模型土样叠合整齐，其中，轻量土换填模型将提前预制好的轻量土层放置在Q3原状土层上，把叠好的模型放置在模型箱的中间位置，长边侧贴紧有机玻璃板，两侧用相同含水率、密度、土层类型的重塑土分层压实填充，每层不超过2 cm。

土样模型装好后，在模型与有机玻璃板接触的一侧贴一层白色的湿纸巾，将提前制好的泡沫标志点用大头针嵌入模型中，使模型量测区域形成白色与棕色的色彩差，便于追踪模型标志点的位移变化。模型浸水饱和时，水分通过透水板上的孔洞均匀渗入模型内，直至充分饱和。制作好的轻量土换填1.5 m模型土层分布及厚度见图2，其中，模型高度为30 cm，左侧为土样模型装入模型箱照片，右侧为安设标志点后照片。

图2 轻量土换填1.5 m模型

图3 模型加载时程变化曲线

4 试验结果分析

4.1 模型时程特征试验以5g为步长，50g离心加速度下，待压缩变形稳定后浸水饱和。模型为实际场地缩尺50倍，取50g离心加速度下的沉降变形代表场地的总变形。

每60 s拍摄一次图像记录模型土体位移变化，沉降变形随时间变化过程见图3。由于换填后模型土样的结构强度和排水条件发生了变化，因此，原状和换填模型的变形稳定所需时间存在差异。

由图3可知，随着时间的增加，原状样模型和轻量土换填1.5 m模型的沉降发展速率一致，均经历了缓慢—较快—缓慢的过程变化，且压缩变形稳定的历时一致，均为38 min，但浸水后，模型沉降变形稳定的历时不同，50g离心加速度下，轻量土换填1.5 m模型比原状样模型先达到变形稳定状态，轻量土换填1.5 m模型需65 min，原状样模型需76 min，且同级离心加速度下，换填模型的沉降变形量始终小于原状样模型。

4.2 原状样模型变形特性模型在垂直方向设置12排，水平方向设置8列，总计96个位移标志点，通过图像采集软件获得模型在不同离心加速度下的变形过程。其中，顶层标志点的位移代表场地的总变形，各排标志点的位移代表分层变形情况，反映变形随深度变化的情况。

（1）压缩变形特性。将模型在顶排、2、4、6、8、10排的位移标志点，在50g离心加速度下的压缩变形值绘图4（a）。由图4（a）可知，左侧变形量大于右侧，这是边界的影响，应采用中部标志点均值代表土样的变形。

图4 50g离心加速度下的压缩变形

将模型中部第1至8列的位移标志点，在50g离心加速度下的压缩变形值绘图4（b），由图4（b）可知，模型的压缩变形随着深度的增加而减小，Q3土层表现出较大的压缩性，古土壤层次之，Q2土层强度较大，压缩性较小。模型压缩变形均值为2.83 mm，按相似律N=50换算，场地的压缩变形值为141.50 mm。

（2）浸水沉降变形特性。饱和过程中，由于浸水增湿使部分标志点嵌入土体，无法追踪位移变化。将模型在50g离心加速度下，可识别的各列标志点沉降变形情况绘图5。由图5可知：50g离心加速度下，浸水沉降变形随着深度的增加逐渐减小，模型20 cm 深度内的沉降变形占总沉降的50%以上。

（3）湿陷变形特性。试验采用单线法离心模型试验，将原状样模型在一定离心加速度下的沉降变形值减去压缩变形值，即得到该离心加速度下的湿陷变形。图6为模型第1至8列的位移标志点在离心加速度为50g时的湿陷变形情况，由图6可知：随着深度的增加，土层的湿陷变形逐渐减小，且深度小于20 cm时，湿陷变形减小缓慢，当深度大于20 cm时，湿陷变形急剧减小。究其原因是20.8 cm以下为湿陷性较弱的古土壤和Q2黄土，以上为湿陷性较强的Q3黄土，说明土层性质对黄土湿陷性影响最为显著。

图5 50g离心加速度时原状样模型各列标志点浸水沉降变形

图6 50g离心加速度时原状样模型各列标志点湿陷变形

按照模型比尺1/50，折算得到原场地自重湿陷量随深度变化情况如图7所示，由图7可知，场地的湿陷变形随深度增加，整体呈减小的趋势变化。场地4.5 m以上深度，自重湿陷量较大，且随着深度增加，自重湿陷量小幅度增加；4.5 m～13 m，随着深度增加，自重湿陷量逐渐减小；13 m以下深度不具有自重湿陷性。模型在50g离心加速时的湿陷变形均值为12.63 mm，按相似律N=50换算，可得该场地的自重湿陷量为631.53 mm。

4.3 轻量土换填1.5m模型变形特性 轻量土换填1.5 m模型设置15 排、8 列位移标志点，以下逐一分析模型3、5、7、9、11排和各列位移标志在50g离心加速度下的压缩变形、沉降变形和湿陷变形情况。

（1）压缩变形特性。轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下各列标志点压缩变形见图8。由图8可见，模型各列标志点的压缩变形随深度的增加逐渐减小，且相同深度处标志点的压缩变形值较为接近，说明土层压缩变形均匀。轻量土换填1.5 m模型的压缩变形均值为2.51 mm，按相似律换算，轻量土换填1.5 m场地的压缩变形值为125.50 mm。

（2）浸水沉降变形特性。轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下各列标志点浸水沉降变形见图9，由图9可见，随着深度的增加，模型的沉降变形整体呈减小的趋势变化，沉降变形在12 cm深度内变化较小，在12 cm深度以下，逐渐减小。

（3）湿陷变形特性。轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下各排标志点湿陷变形见图10，由图10可见，轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下，各土层湿陷变形均匀，与模型的沉降变形规律相似。

图9 50g时轻量土换填1.5m模型各列标志点浸水沉降变形

图10 50g时轻量土换填1.5m模型各排标志点湿陷变形

轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下各列标志点湿陷变形见图11，由图11可见，随着深度的增加，轻量土换填1.5 m模型的湿陷变形逐渐减小，当深度小于10 cm时，湿陷变形变化减小，当深度大于10 cm时，湿陷变形随深度增加，快速减小。轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速度下湿陷变形为9.72 mm。

图11 50g离心加速度时轻量土换填1.5m模型各列标志点湿陷变形

图12 换填道路场地深度与湿陷变形关系

图13 沉降变形与离心加速度的关系

换填场地自重湿陷量随深度变化情况如图12所示，由图12可知，轻量土换填1.5 m场地的湿陷变形随深度增加整体呈减小的趋势变化。场地6 m以上深度，自重湿陷量较大，且随着深度增加，自重湿陷量稍有增大，6 m以下深度，随着深度增加，自重湿陷量呈线性减小。轻量土换填1.5 m模型在50g离心加速时的湿陷变形均值为9.72 mm，按相似律换算，可得经换填1.5 m，场地的自重湿陷量为486.00 mm。

4.4 基于轻量土减重换填的离心模型试验方法论证

（1）轻量土减重换填效果论证。将原状样模型与轻量土换1.5 m模型在各级离心加速度下沉降变形情况绘图13，由图13可见，①轻量土换填1.5 m模型比原状样模型的压缩变形小0.32 mm，因为轻量土换填减小了上覆压力，使压缩变形量略有减小；②浸水饱和后，50g离心加速度下，轻量土换填1.5 m模型比原状样模型的湿陷变形小2.91 mm，说明轻量土减重换填可以减小场地的自重湿陷量，该方法对减小黄土场地的自重湿陷性有效。同时，由于本场地为IV 级自重湿陷性场地，湿陷性强烈，换填法不能完全消除湿陷性；当场地自重湿陷等级为Ⅱ级，且湿陷土层分布在上部，本方法将可以消除道路场地的自重湿陷性，下一步我们将对本方法的适用范围开展研究。

表9 换填与不换填两种情况的湿陷变形量对比

表10 两种方法得到的换填后路基自重湿陷量的减小比例对比

（2）离心模型试验方案验证。换填与不换填两种情况的湿陷变形量对比见表9，室内试验计算和离心模型试验得到的换填前后湿陷量对比见表10。由表9、10可知，室内试验得到道路场地的自重湿陷量为400.23 mm，通过减重换填计算可知，用密度为1.114 g/cm3的轻量土换填1.5 m 原状土层后，道路场地自重湿陷量减小至309.24 mm，减小了22.73%；离心模型试验得到的原道路场地自重湿陷量为631.53 mm，用密度为1.114 g/cm3的轻量土换填1.5 m道路场地的自重湿陷量为486.00 mm，减小了23.04%。离心模型试验与室内试验换填计算结果相近。证明轻量土换填可以有效减小路基的自重湿陷量。

（3）离心模型试验方案验证。《湿陷性黄土地区建筑规范》规定咸阳市的地区修正系数β0值为0.9，而本次离心模型试验测得的自重湿陷量与室内试验值之比得出的地区修正系数β0值为1.58，两者相差较大。分析认为黄土规范主要依据咸阳塬下渭河低阶地场地的浸水试验得出，规范规定的地区修正系数只适合于渭河低阶地场地。而本试验土样取自咸阳塬上，为渭河的四级阶地，离心模型试验得到的地区修正系数β0=1.58反映了塬上高阶地场地的黄土湿陷特性，该值可为咸阳北塬区工程建设参考。

5 结论

（1）咸阳市周陵镇自重湿陷性黄土的离心模型试验得到，该场地的地区修正系数β0值为1.58。该值比黄土规范规定的0.90（关中地区）更适合咸阳北塬区场地，可供关中高阶地黄土塬区的地区修正系数取值参考。

（2）黄土湿陷是浸水与上覆压力共同作用的结果，二者缺一不可。湿陷性黄土地区海绵城市人行道与非机动车透水道路建设中要求雨水入渗，路基浸水不可避免。轻量土减重换填方法在路基浸水不可避免的情况下，通过有效减少上覆压力而减小场地的湿陷量，从原理上看一定是有效的。依据室内湿陷试验结果，计算得出换填1.5 m后道路场地自重湿陷量减小了22.73%；依据离心模型试验得到，换填1.5 m后场地自重湿陷量减小了23.04%，证明利用轻量土减重换填的方法能够有效消减黄土道路场地的自重湿陷量。

（3）对于自重湿陷等级为Ⅱ级，自重湿陷土层分布在浅层的自重湿陷性黄土场地，轻量土换填的方法能够有效消除其自重湿陷性。