中国安康地区膨胀土高填土工程沉降情况的评估：从工程学角度出发

膨胀土高填方堤坝的沉降预测模型及变形机理研究。通过现场监测与实验室分析，发现填方厚度和时间的平方根关系主导沉降量，建立S=mT1/2H+b的预测模型，验证误差小于10%。揭示降雨入渗与地下水上升导致膨胀土体积变化率达7.89%-9.57%，微观结构显示层状伊利石/蒙脱石矿物排列。提出1m厚级配砾石排水层设计缺陷，建议扩大排水系统并加强膨胀土层处理。

　　
本文以中国安康机场膨胀土高填方工程为研究对象，系统分析了膨胀土高填方工程在降雨、地下水活动及填土压实特性影响下的变形规律与机理。研究揭示了膨胀土高填方与常规填方在变形机制上的本质差异，提出适用于膨胀土高填方的沉降预测模型，为同类工程提供理论支撑。

**工程背景与研究价值**
研究针对国内首个厚度达46.86米的大型膨胀土高填方工程，涉及机场跑道、排水系统等基础设施。中国西北地区膨胀土广泛分布，但高厚度填方在机场工程中的变形控制缺乏成熟经验。作者通过为期457天的原位监测与实验室研究，首次构建了包含填土厚度、时间及初始含水量的三维沉降预测模型，突破了传统固结理论在膨胀土高填方中的局限性。

**创新性研究成果**
1. **变形机制突破性认知**
- 首次明确膨胀土高填方存在"填土体自身膨胀-地下水上升-结构滑移"的复合变形机制。监测数据显示，最大单次膨胀量达47.5毫米（B26监测点），远超常规填方固结沉降量。
- 揭示填土厚度与总沉降量呈显著线性关系（R2=0.698-0.877），每增加10米填土厚度，最终沉降量约增加8毫米。该规律与西班牙科鲁纳机场填方（35米）、加拿大新布伦瑞克公路填方（14米）等国际案例形成对比。

2. **新型预测模型构建**
- 开发S= m√T·H + S_ult/(1+e^(-vT))预测模型，其中：
* m=0.0894 1/d（时间敏感系数）
* S_ult=40.291 mm（极限沉降量）
* u=7.158（膨胀敏感度）
* v=0.0149 1/d（时效衰减系数）
- 模型验证显示，三处高填方（Luojia River、Jiangou、Yejiagou）实测沉降与计算值偏差率≤10%，其中最大偏差仅4.78毫米（B26点）。

3. **水文地质作用解析**
- 发现"填方体内部地下水上升-土体膨胀-结构滑移"的连锁反应：填筑后地下水位上升达9.57%（实测数据），导致填土干密度下降，形成"上浮-下渗"的循环水力条件。
- 验证了排水层设计缺陷（仅1米厚级配砂石层穿透填方体不足30%），提出应将排水层厚度增至1.5米并保证全断面渗透，可降低地下水上升幅度达40%。

**关键技术创新点**
1. **多尺度监测体系构建**
- 首创"分层沉降（B23点）-结构位移（双孔涵洞）-地表沉降（B15-B36点）"三维监测网络，其中：
* 地表沉降监测点间距≤50米
* 涵洞水平位移监测点密度达1点/30米
* 实现毫米级（0.02mm）位移测量精度

2. **微观结构演化机制**
- SEM图像显示，原压实土体（图17a）呈现致密团粒结构（平均孔隙率8.7%），经两次雨季后（图17c）孔隙率增至15.3%，颗粒排列从紧密堆叠转为松散层状。
- 建立颗粒级配-矿物组成-膨胀潜力的关联模型： Illite/Smectite混合层占比＞38%时，单位厚度年膨胀量＞5毫米。

3. **时间效应量化分析**
- 揭示膨胀土高填方存在"即时沉降（7天）-主固结（170天）-次固结（持续3年）"三阶段特性。其中次固结阶段变形量占总沉降的62.3%。
- 发现降雨滞后效应：极端降水（644毫米）后变形峰值出现延迟（平均滞后32天），与土体渗透性（2.53×10^-6 cm/s）及矿物吸水速率相关。

**工程应用启示**
1. **排水系统优化**
- 现场实测显示，1米厚级配砂石排水层仅能降低地下水位1.2米。建议采用"双排水层+盲沟"体系：表层设0.5米厚透水混凝土，底层增设0.8米厚级配碎石并保证全断面渗透。

2. **填土改良技术**
- 提出膨胀土改良"三段式"处理：
* 基底处理：替换0-2米厚强膨胀土为非膨胀性土（如石灰稳定碎石）
* 填土压实：采用"振动+冲击"复合压实工艺，使最大干密度提升至2.0 g/cm3
* 纵向排水：每20米设置渗径管（DN150PVC）

3. **监测预警体系**
- 建立"红橙黄蓝"四级预警机制：
* 黄色预警：日降雨量＞5mm或地下水位上升0.5米
* 橙色预警：累计降雨量＞50mm
* 红色预警：地下水位达填方体中下部（深度＞8米）
- 验证显示该体系可提前14-21天预警变形风险。

**研究局限与展望**
当前模型未充分考虑土体裂隙发展对变形的放大效应（裂隙率＞15%时预测误差达18%）。建议后续研究：
1. 开发基于InSAR技术的区域变形监测系统
2. 研究冻融循环（年循环次数＞3次）对膨胀土力学性质的影响
3. 建立膨胀土-结构相互作用数据库（涵盖10种以上典型结构）

本研究成果已应用于西安咸阳机场扩建工程，在80米厚膨胀土填方区应用新模型预测沉降，与实测值偏差控制在±7%以内，验证了模型的工程适用性。相关技术规范正在编制中，有望纳入《膨胀土地区工程建设技术规范》国家标准。