石籠網(wǎng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形特性試驗研究

張桂榮，張家勝，何寧，汪璋淳，羅紫婧

（1.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室（南京水利科學(xué)研究院），江蘇 南京，210024；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京，210019）

石籠網(wǎng)墊是一種柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)，適用于坡面防沖刷領(lǐng)域，比較常見的有河道邊坡防護(hù)、河底防護(hù)、消浪防沖工程等，并能適應(yīng)一定程度的不均勻沉降.該護(hù)坡結(jié)構(gòu)是由機(jī)編雙絞合六邊形金屬網(wǎng)面構(gòu)成，裝入塊石等填充物，厚度一般為17～30 cm，網(wǎng)墊網(wǎng)格尺寸為6 cm×8 cm，碎石填充粒徑為60～150 mm，遜徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過20%.該構(gòu)件具有抗沖刷能力強(qiáng)、自透水、整體性強(qiáng)、地基適應(yīng)性強(qiáng)、抗風(fēng)浪性強(qiáng)、施工簡便、造價低廉等特點，其多孔隙結(jié)構(gòu)易于生物棲息.

石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)用于岸坡防護(hù)取得良好效果的同時，其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和理論分析等方面仍存在較多問題.如石籠網(wǎng)內(nèi)填石料的填充率、石籠單體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)等是石籠網(wǎng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，但石籠網(wǎng)內(nèi)填石料填充率與填石級配、最小干密度的關(guān)系，石籠單體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)、變形特性等的研究相對缺乏[1].研究石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)特性，相當(dāng)于研究石籠網(wǎng)加筋粗粒土的物理力學(xué)特性.填石料顆粒破碎相關(guān)試驗研究結(jié)果表明[2-5]，粗粒土的粒徑、級配、顆粒破碎等都會對粗粒土的強(qiáng)度特性產(chǎn)生一定的影響.碎石料等粗粒土本身為顆粒物質(zhì)，其間通過顆粒之間的接觸來傳遞荷載并發(fā)生位移[6].其強(qiáng)度高、透水性好，但結(jié)構(gòu)松散，不易壓實[7]，顆粒破碎時粗粒土的粒徑會變小，細(xì)粒含量增多，因此顆粒破碎對強(qiáng)度的作用類似于顆粒的重新定向和重排列.荷載作用下粗粒土的抗剪強(qiáng)度主要包括顆?；瑒幼柚顾l(fā)揮的強(qiáng)度、試驗剪脹所需能量而發(fā)展的強(qiáng)度和顆粒排列與定向所需能量而發(fā)展的強(qiáng)度.另外，石籠網(wǎng)墊內(nèi)碎石填充率與遜徑顆粒含量等對其抗沖刷性能產(chǎn)生一定影響[8]，當(dāng)河流最大流速大于2 m/s 時，石籠網(wǎng)墊填石遜徑比不宜超過25%[9].

本文根據(jù)石籠網(wǎng)護(hù)坡工程中石籠網(wǎng)常用的設(shè)計指標(biāo)，研究滿足石籠網(wǎng)碎石料填充率設(shè)計指標(biāo)的最佳級配，并重點研究在同一填石級配下，石籠網(wǎng)加筋作用對網(wǎng)墊內(nèi)碎石料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與強(qiáng)度特性的影響，為石籠網(wǎng)墊優(yōu)化設(shè)計與防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價提供理論依據(jù).

1 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)塊石填充率及級配試驗

1.1 試樣的縮尺效應(yīng)

因?qū)嶋H工程材料粒徑較大，無法對原級配料樣進(jìn)行試驗，故需將填石材料的級配曲線縮制成試驗條件允許的試驗粒徑級配曲線.縮制過程中，試樣粒徑級配的變化將引起材料強(qiáng)度和變形特性的變化.研究表明[8]，密度是影響土石料強(qiáng)度的最重要因素.因此，室內(nèi)模擬試驗中試樣密度是重要指標(biāo).另外，縮尺效應(yīng)會影響材料的軸向變形和體積變形，而對峰值強(qiáng)度幾無影響[10-11].因此，降低縮尺效應(yīng)帶來的影響就是嚴(yán)格控制試樣的干密度.

室內(nèi)縮尺試驗中，原級配縮制成試驗級配最常用的方法為相似級配法和等量替代法.相似級配法保持了級配關(guān)系（不均勻系數(shù)不變），細(xì)顆粒含量變大，但不應(yīng)影響原級配料的力學(xué)性質(zhì)；等量替代法具有保持粗顆粒的骨架作用及粗料級配的連續(xù)性和近似性等特點，適用超粒徑含量小于40%的填石料.本試驗采用相似級配法.

相似級配法計算公式：

式中：dni為原級配某粒徑縮小后的粒徑，mm；Pdn為粒徑縮小至1/n 后相應(yīng)的小于某粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pd0為原級配相應(yīng)的小于某粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n 為粒徑的縮小倍數(shù)；d0max為原級配最大粒徑，mm；dmax為試樣允許最大粒徑，mm.

1.2 填充率試驗方案

圖1 岸坡石籠網(wǎng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)Fig.1 Bank slope gabion net slope protection structure

依據(jù)《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》（DL/T 5356—2006）[12]開展石籠網(wǎng)塊石填充率試驗，試樣筒尺寸為Ф300×360 mm.試樣筒表面用環(huán)刀找平，根據(jù)顆?？偭?、剩余量及試樣體積計算試樣的最小干密度，根據(jù)比重計算得到最小干密度對應(yīng)的孔隙率.文中定義石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的填充率為石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)填石料的體積與石籠網(wǎng)體積之比，具體計算公式如式（4）和式（5）.

式中：ρdmin為最小干密度，g/cm3；VC為試樣筒容積，cm3；VS為振實后的試樣體積，cm3；ρw為水的密度；GS為顆粒比重.

根據(jù)石籠網(wǎng)護(hù)坡工程填充率的設(shè)計要求，為減小填石孔隙率，增加密實度，可填充部分遜徑石料.按照遜徑比10%～30%的控制標(biāo)準(zhǔn)，制定填充率試驗中填石料具體設(shè)計級配（見表1、表2）.

表1 填石料不同遜徑含量設(shè)計級配Tab.1 Design gradation with different diameters of rock-fill materials

表2 填石料不同P<40 含量設(shè)計級配Tab.2 Design gradation with different P<40 content of rock-fill materials

1.3 填充率試驗結(jié)果

石籠網(wǎng)內(nèi)填石最小干密度和對應(yīng)的孔隙率見表3、表4.

表3 不同遜徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計級配相對密度試驗成果Tab.3 Results of designing gradation relative density with different diameters

表4 不同P<40 質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計級配相對密度試驗成果Tab.4 Results of relative density experiment of grades with different design levels of P<40

1.4 石籠網(wǎng)填充率與級配的關(guān)系

石籠網(wǎng)碎石填充率與遜徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系及P<40質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2、圖3 所示，由圖可知：1）隨著遜徑顆粒含量的增加，石籠網(wǎng)填充率逐漸增加.原因在于粗顆粒含量較高時，粗顆粒骨架形成的孔隙較大，細(xì)顆料主要起填充作用；2）隨P<40質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，石籠網(wǎng)的填充率先增大后減小，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時，石籠網(wǎng)獲得最大填充率，這有可能是當(dāng)其在60%時，其形成的粗顆粒骨架最佳，使得細(xì)顆粒料最大程度地填充到孔隙中，最小干密度達(dá)到最大值.由最小干密度試驗結(jié)果可以看出，石籠網(wǎng)內(nèi)的塊石在沒有經(jīng)過振搗的作用下很難達(dá)到60%～70%的填充率，要達(dá)到設(shè)計工況要求，需要在填筑過程中進(jìn)行必要的振搗.

圖2 石籠網(wǎng)填充率與遜徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.2 Relation between filling rate of gabion net and particle mass fraction

圖3 石籠網(wǎng)填充率與P<40 質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.3 Relation diagram between gabion net filling rate and P<40 mass fraction

為提高試樣干密度和填充率，選擇設(shè)計級配為P<40=40 的試樣進(jìn)行了人工擊實狀態(tài)下的填充試驗.試樣分3 層填充并震動擊實，測得其填充率為72%，干密度為1.70 g/cm3，這一指標(biāo)滿足了設(shè)計要求.礦石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分時，按照粒徑范圍進(jìn)行適當(dāng)篩選，網(wǎng)墊填充時控制粒徑為60～150 mm 的填石達(dá)到80%，粒徑小于50 mm 的塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右，并結(jié)合一定的人工振搗，石籠網(wǎng)填充率基本滿足了設(shè)計要求

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結(jié)合石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的填充率試驗結(jié)果，按照上述縮尺試驗的方法得到石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)大型直剪試驗中石籠網(wǎng)填石料的級配曲線，如圖4 所示.

圖4 直剪試驗填石料設(shè)計級配曲線圖Fig.4 Gradation curve of rockfill design for direct shear test

2 石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性試驗研究

石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)作為石籠網(wǎng)護(hù)岸單元結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度特性不僅影響石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性，而且在分析整體岸坡穩(wěn)定性時也是必不可缺的要素.研究石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，相當(dāng)于研究石籠網(wǎng)加筋粗粒土的力學(xué)特性，目前專門針對石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的填石料強(qiáng)度特性研究相對較少.本文中的石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)大型直剪試驗重點針對石籠網(wǎng)加筋作用對網(wǎng)墊內(nèi)填石強(qiáng)度特性開展研究，得到石籠單體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，這對豐富石籠網(wǎng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)理論并為護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析提供真實有效的抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有重要意義.

2.1 試驗儀器

常規(guī)剪切試驗剪切盒的尺寸和提供剪切力大小的局限使得其無法用于粗粒土的直剪試驗；經(jīng)過縮尺后的石籠內(nèi)填充碎石的最大粒徑60 mm，最小粒徑10 mm，常規(guī)直剪儀無法完成石籠單體結(jié)構(gòu)的直剪試驗.因此，本試驗采用南京水利科學(xué)研究院自行研制的高性能大型接觸面直剪儀，其最大軸向荷載為400 kN，最大水平荷載為400 kN，試樣尺寸為500 mm×500 mm.該儀器主要包括水平加載、垂直加載等控制系統(tǒng)，水平位移傳感器、水平荷載傳感器、垂直荷載傳感器、垂直位移傳感器等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及上下剛性剪切盒、滾珠等必要部件，如圖5 所示.

圖5 高性能大型直剪儀Fig.5 Large high-performance direct shear apparatus

2.2 試驗材料

本試驗采用與實際石籠網(wǎng)護(hù)坡工程填石料性質(zhì)接近的碎石，其主要由礦石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制得，根據(jù)實際工程中所用碎石粒徑大小，通過縮尺方法選取3 種粒徑分布，具體參數(shù)見表5.

表5 試驗用石籠網(wǎng)填石物理參數(shù)Tab.5 Physical parameters of gabion net for experiment

試驗用石籠網(wǎng)材料，經(jīng)市場調(diào)研采用與實際工況所用石籠材質(zhì)性能相似的普通鐵絲網(wǎng)，石籠網(wǎng)鐵絲直徑和網(wǎng)孔大小根據(jù)填充石料縮尺倍數(shù)，按照幾何縮尺的方法確定：石籠網(wǎng)鐵絲直徑2.7 mm，網(wǎng)格尺寸約30 mm×40 mm，捆扎好的石籠網(wǎng)幾何尺寸為500 mm×500 mm×300 mm，接頭處采用鐵絲綁扎.

2.3 試驗方案

選取3 種粒徑分布的碎石作為石籠網(wǎng)填充料，10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm 三種不同粒徑的碎石按照質(zhì)量比2∶5∶3 填料；石籠網(wǎng)碎石的填充率為70%，故試驗試樣的孔隙率n=30%；試樣分3 層填充并振動擊實，剪切縫的縫寬為試樣中最大顆粒粒徑的1/3～1/4，設(shè)定上下剪切盒開縫值為25 mm；試樣裝好后浸水飽和，如圖6 所示.

圖6 制樣、安裝過程圖Fig.6 Process diagram of preparation and installation

以往的研究中大型直剪試驗制樣時會受到試樣中碎石顆粒的干擾，同時試樣上部的卸荷也對試驗值產(chǎn)生干擾，但總體來講碎石土大型直剪試驗值相對室內(nèi)常規(guī)試驗值可靠[13].在整個試驗過程中需保持剪切盒側(cè)壁的光滑，進(jìn)行不固結(jié)快剪，水平勻速剪切，剪切速率為5 mm/min.數(shù)據(jù)自動采集軟件將按時間間隔1 s 的采樣方式記錄法向力和法向位移，按變形量1 mm 的采樣方式記錄水平力和水平位移；剪切變形速率為5 mm/min.

試驗采用應(yīng)變式控制方式進(jìn)行剪切，剪切過程中控制豎向應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa 和400 kPa.試驗分兩組進(jìn)行：有石籠網(wǎng)碎石料和無石籠網(wǎng)碎石料直剪試驗，見表6.

表6 石籠單體結(jié)構(gòu)試驗組次表Tab.6 Table of gabion single structure test group

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)對填石料強(qiáng)度特性的影響

填石料有無石籠網(wǎng)約束的剪切應(yīng)力-水平位移關(guān)系如圖7（a）（b）所示，可以看出無石籠網(wǎng)的填石料達(dá)到最大剪切力時，最大剪切位移在30～40 mm 之間，而有石籠網(wǎng)的最大剪切位移在70～80 mm 之間；有石籠網(wǎng)的填石料峰值剪切力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有石籠網(wǎng)約束的填石料，說明石籠網(wǎng)對填石料的峰值強(qiáng)度和延性有較大的提高，這和蔣建清等對石籠網(wǎng)墊對粗粒土加筋效果的研究結(jié)論是相符合的[14].

圖7 水平位移-剪切應(yīng)力曲線圖Fig.7 Diagram of horizontal displacement-shear stress curve

表7 石籠結(jié)構(gòu)大型直剪試驗剪切破壞值Tab.7 Shear failure value of large-scale direct shear test for gabion structure

根據(jù)摩爾-庫倫定律，填石料的強(qiáng)度可表達(dá)為

式中：c 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角.可以看出填石料的強(qiáng)度主要取決于黏聚力和內(nèi)摩擦角.取各試驗條件下的最大剪切破壞值，按照式（6）進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8 所示.無石籠網(wǎng)約束的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為104.11 kPa、33.6°，有石籠網(wǎng)約束的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為252.15 kPa、31.51°.可以看到，在石籠網(wǎng)約束作用下，填石料黏聚力有明顯提高，但內(nèi)摩擦角幾乎不受石籠網(wǎng)約束的影響.

圖8 石籠單體結(jié)構(gòu)剪切破壞應(yīng)力τ-正應(yīng)力σ 關(guān)系曲線圖Fig.8 Relation curve of shear failure stress τ-normal stress σ of gabion structure

2.4.2 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)加筋效果分析

1）大型直剪試驗中，在同等豎向應(yīng)力條件下，石籠網(wǎng)加筋碎石土的剪切破壞應(yīng)力要遠(yuǎn)大于未加筋碎石土的剪切破壞應(yīng)力.有石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的試樣，每個試樣的石籠網(wǎng)鐵絲或多或少出現(xiàn)了剪斷現(xiàn)象，主要分布在直接受力面的剪切面處，同時石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重變形.

2）對比石籠網(wǎng)填石料和無石籠網(wǎng)填石料，發(fā)生應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化的現(xiàn)象基本相同.即在較高豎向應(yīng)力作用下，剪破面處的孔隙被不斷壓密.在豎向應(yīng)力和水平推力共同作用下填石顆粒會發(fā)生破碎現(xiàn)象，細(xì)小顆粒不斷進(jìn)入大顆粒的孔隙當(dāng)中，因此剪切應(yīng)力隨著水平位移的增加不斷增大，顆粒破碎所引起的強(qiáng)度的增加大于抑制剪脹發(fā)揮所導(dǎo)致的強(qiáng)度降低，填石料發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象；在較小的豎向應(yīng)力下，荷載不足以限制剪切過程中發(fā)生的剪脹現(xiàn)象，接觸面顆粒破碎較少且來不及填充到大的孔隙中，石料顆粒之間的接觸面積減小加之顆粒的定向排列，發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但其軟化現(xiàn)象并不明顯.

3）石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由填石料與石籠網(wǎng)組成的復(fù)合體，它們共同受力、協(xié)調(diào)變形，當(dāng)受到軸向荷載作用時，填石料發(fā)生側(cè)向膨脹，產(chǎn)生側(cè)向剪應(yīng)變.由于石籠網(wǎng)的彈性模量遠(yuǎn)高于堆石體的彈性模量，其網(wǎng)孔限制了孔內(nèi)石料向外擴(kuò)散，形成了“環(huán)箍”作用，孔內(nèi)的受限填石與其上下的自由石料間產(chǎn)生較大的摩阻力，形成了填石料的加強(qiáng)區(qū)域，增強(qiáng)了對試件的側(cè)向約束作用[15]，從而使試樣的抗剪強(qiáng)度得到了明顯提高.

3 結(jié)論

本文利用室內(nèi)石籠網(wǎng)填充率試驗和室內(nèi)大型直剪試驗研究了石籠網(wǎng)內(nèi)填充率和石籠單體結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與強(qiáng)度特性.主要研究結(jié)論如下：

1）初步研究了石籠網(wǎng)內(nèi)填石料的干密度與填充率及顆粒級配的關(guān)系.石籠網(wǎng)填充率隨遜徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大；當(dāng)P<40的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時（即縮尺n=2.5 前實際粒徑小于100 mm 顆粒（P<100）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%時），石籠網(wǎng)達(dá)到最佳填充效果；在自然充填狀態(tài)下，塊石填充率較難達(dá)到設(shè)計要求.在石籠網(wǎng)墊護(hù)岸工程施工中需控制塊石級配，并結(jié)合人工擊實，石籠網(wǎng)填充率能滿足設(shè)計要求.

2）相同級配、相同含水率條件下，有石籠網(wǎng)加筋的填石料剪切強(qiáng)度得到明顯提高，主要表現(xiàn)為黏聚力大幅提高，內(nèi)摩擦角基本保持不變；確定了有網(wǎng)墊約束的石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)直剪試驗剪切破壞值，得到了單體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，為石籠網(wǎng)設(shè)計與岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù).

3）相同豎向荷載作用下，達(dá)到最大剪切力時，有石籠網(wǎng)的填石料發(fā)生的水平位移遠(yuǎn)大于沒有石籠網(wǎng)的填石料.石籠網(wǎng)的“環(huán)箍”作用很大程度上約束了顆粒的移動，增強(qiáng)了填石料的穩(wěn)定性，從而增加了其抗剪強(qiáng)度.

4）在低豎向荷載作用下，填石料容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象，隨著豎向荷載的繼續(xù)增大，填石料發(fā)生剪縮現(xiàn)象，這一現(xiàn)象符合堆石料低壓剪脹、高壓剪縮的變形特征.因為石籠網(wǎng)的約束作用，這一現(xiàn)象在有石籠網(wǎng)的填石料試驗中表現(xiàn)得更為明顯.

5）本研究中塊石填充率試驗和抗剪強(qiáng)度試驗成果在黑龍江三江治理工程2 000 km 堤防迎水坡石籠網(wǎng)墊護(hù)坡工程中得到成功應(yīng)用，為制定石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)提供了較好的技術(shù)支持.