石籠網護岸結構強度和變形特性試驗研究

張桂榮 張家勝 何寧 汪璋淳 羅紫婧

摘 ? 要：石籠網內填石料的填充率與石籠單體結構強度指標是石籠網生態護坡技術研究中的關鍵指標. 采用室內石籠網填充率試驗，進行了填石料的最小干密度與顆粒級配相關性研究，確定了石籠網單體結構大型直剪試驗中填石料的級配曲線. 利用NHRI-4000型高性能大接觸面直剪儀，進行了相同粒徑和剪切條件下有無石籠網的填石料剪切比對試驗. 試驗結果表明：石籠網填充率隨遜徑顆粒含量的增大而增大;當試樣粒徑小于40 mm的顆粒（P< 40）的質量分數為60%時，結合一定的擊實措施，石籠網內碎石能達到最佳填充效果，填充率為72%，滿足設計指標要求. 石籠網結構是由填石料與石籠網組成的復合體，有石籠網的填石料抗剪強度遠大于沒有石籠網的填石料抗剪強度;石籠網的彈性模量遠高于填石料的彈性模量，石籠網的“環箍”效應限制了填石料間顆粒的移動，增加了填石料整體穩定性;在變形特性上，除石籠單體結構整體延展性較大外，其發生應變軟化和硬化的情況與一般粗粒土的變形特性基本一致.

關鍵詞：石籠網;填充率;大型直剪試驗;抗剪強度;應力-應變特性

中圖分類號：TV34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Abstract：The stone filling rate and the strength index of individual structure for gabion net are the key indexes in studying the ecological revetment technology of gabion net cushion. Through the indoor filling rate test of gabion net， the correlation between the minimum dry density and grain size gradation of rockfill is studied， and the rockfill gradation curve of a single structure for gabion net is determined by a large-scale direct shear test. Using NHRI-4000 high-performance direct shear apparatus with large contact surface， the shearing comparison tests of rockfill are carried out for the specimens with or without a gabion net under the same particle size and shear conditions. The test results show that the filling rate of gabion net increases with the increase of inferior diameter particles content. When the P< 40 content is 60%， combined with certain compaction measures， the crushed stones in gabion net can reach the best filling effect（the filling rate is 72%），which meets the design requirements for revetment projects. The gabion net structure is a composite composed of rockfill and the gabion net. The shear strength of rockfill with gabion net is much greater than that of rockfill without gabion net. The elastic modulus of gabion net is much higher than that of the rockfill. The “hoop” effect of the gabion net restricts particle movement and increases the overall stability of rockfill. In terms of deformation characteristics， except for the overall ductility of the gabion structure， its strain softening and hardening are basically consistent with the deformation characteristics of general coarse-grained soil.

Key words：gabion net;filling rate;large direct shear test;shear strength;stress-strain characteristics

石籠網墊是一種柔性護坡結構，適用于坡面防沖刷領域，比較常見的有河道邊坡防護、河底防護、消浪防沖工程等，并能適應一定程度的不均勻沉降. 該護坡結構是由機編雙絞合六邊形金屬網面構成，裝入塊石等填充物，厚度一般為17～30 cm，網墊網格尺寸為6 cm×8 cm，碎石填充粒徑為60～150 mm，遜徑顆粒質量分數一般不超過20%. 該構件具有抗沖刷能力強、自透水、整體性強、地基適應性強、抗風浪性強、施工簡便、造價低廉等特點，其多孔隙結構易于生物棲息.

石籠網結構用于岸坡防護取得良好效果的同時，其結構設計方法和理論分析等方面仍存在較多問題. 如石籠網內填石料的填充率、石籠單體結構強度指標等是石籠網生態護坡技術研究中的關鍵技術指標，但石籠網內填石料填充率與填石級配、最小干密度的關系，石籠單體結構強度指標、變形特性等的研究相對缺乏[1]. 研究石籠網單體結構的物理力學特性，相當于研究石籠網加筋粗粒土的物理力學特性. 填石料顆粒破碎相關試驗研究結果表明[2-5]，粗粒土的粒徑、級配、顆粒破碎等都會對粗粒土的強度特性產生一定的影響. 碎石料等粗粒土本身為顆粒物質，其間通過顆粒之間的接觸來傳遞荷載并發生位移[6]. 其強度高、透水性好，但結構松散，不易壓實[7]，顆粒破碎時粗粒土的粒徑會變小，細粒含量增多，因此顆粒破碎對強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度主要包括顆粒滑動阻止所發揮的強度、試驗剪脹所需能量而發展的強度和顆粒排列與定向所需能量而發展的強度. 另外，石籠網墊內碎石填充率與遜徑顆粒含量等對其抗沖刷性能產生一定影響[8]，當河流最大流速大于2 m/s時，石籠網墊填石遜徑比不宜超過25%[9].

本文根據石籠網護坡工程中石籠網常用的設計指標，研究滿足石籠網碎石料填充率設計指標的最佳級配，并重點研究在同一填石級配下，石籠網加筋作用對網墊內碎石料應力-應變關系與強度特性的影響，為石籠網墊優化設計與防護結構穩定性評價提供理論依據.

1 ? 石籠網結構塊石填充率及級配試驗

1.1 ? 試樣的縮尺效應

因實際工程材料粒徑較大，無法對原級配料樣進行試驗，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度和變形特性的變化. 研究表明[8]，密度是影響土石料強度的最重要因素. 因此，室內模擬試驗中試樣密度是重要指標. 另外，縮尺效應會影響材料的軸向變形和體積變形，而對峰值強度幾無影響[10-11]. 因此，降低縮尺效應帶來的影響就是嚴格控制試樣的干密度.

室內縮尺試驗中，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系（不均勻系數不變），細顆粒含量變大，但不應影響原級配料的力學性質;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：

dni = d0i /n， ? ? ? ? ? ? ?（1）

n = d0 max /dmax， ? ? ? ? ? ? ?（2）

Pdn = pd 0 /n. ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

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后相應的小于某粒徑的質量分數;pd0為原級配相應的小于某粒徑的質量分數;n為粒徑的縮小倍數;d0 max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

網墊內填石料的最小干密度是石籠網結構填充率最直接的反映，確定填石料的最小干密度是石籠網護坡工程設計與施工中的重要技術指標. 黑龍江省三江治理工程中石籠網墊（如圖1所示）均采用如下設計參數：護墊厚度23 cm，網孔大小6～8 cm，碎石填充粒徑70～150 mm，d50 = 120 mm，網面鋼絲直徑2.7 mm. 工程現場測得石籠網的填充率約為60%～70%，碎石的最大粒徑為150 mm左右，因大型直剪儀允許的試樣最大尺寸為60 mm，故取n值為2.5.

依據《水電水利工程粗粒土試驗規程》（DL/T 5356—2006）[12]開展石籠網塊石填充率試驗，試樣筒尺寸為Ф300×360 mm.試樣筒表面用環刀找平，根據顆粒總量、剩余量及試樣體積計算試樣的最小干密度，根據比重計算得到最小干密度對應的孔隙率.文中定義石籠網結構的填充率為石籠網結構內填石料的體積與石籠網體積之比，具體計算公式如式（4）和式（5）.

根據石籠網護坡工程填充率的設計要求，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%的控制標準，制定填充率試驗中填石料具體設計級配（見表1、表2）.

1.3 ? 填充率試驗結果

石籠網內填石最小干密度和對應的孔隙率見表3、表4.

1.4 ? ?石籠網填充率與級配的關系

石籠網碎石填充率與遜徑顆粒質量分數的關系及P<40質量分數如圖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，細顆料主要起填充作用;2）隨P<40質量分數增加，石籠網的填充率先增大后減小，當其質量分數達到60%時，石籠網獲得最大填充率，這有可能是當其在60%時，其形成的粗顆粒骨架最佳，使得細顆粒料最大程度地填充到孔隙中，最小干密度達到最大值. 由最小干密度試驗結果可以看出，石籠網內的塊石在沒有經過振搗的作用下很難達到60%～70%的填充率，要達到設計工況要求，需要在填筑過程中進行必要的振搗.

為提高試樣干密度和填充率，選擇設計級配為P<40 = 40的試樣進行了人工擊實狀態下的填充試驗. 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，這一指標滿足了設計要求. 礦石經機械破碎、篩分時，按照粒徑范圍進行適當篩選，網墊填充時控制粒徑為60～150 mm的填石達到80%，粒徑小于50 mm的塊石質量分數在20%左右，并結合一定的人工振搗，石籠網填充率基本滿足了設計要求

結合石籠網結構的填充率試驗結果，按照上述縮尺試驗的方法得到石籠網單體結構大型直剪試驗中石籠網填石料的級配曲線，如圖4所示.

2 ? 石籠網單體結構強度特性試驗研究

石籠網單體結構作為石籠網護岸單元結構，其強度特性不僅影響石籠網結構自身穩定性，而且在分析整體岸坡穩定性時也是必不可缺的要素. 研究石籠網單體結構的力學特性，相當于研究石籠網加筋粗粒土的力學特性，目前專門針對石籠網結構的填石料強度特性研究相對較少. 本文中的石籠網單體結構大型直剪試驗重點針對石籠網加筋作用對網墊內填石強度特性開展研究，得到石籠單體結構的抗剪強度指標，這對豐富石籠網護坡結構理論并為護岸結構整體穩定性分析提供真實有效的抗剪強度參數具有重要意義.

2.1 ? 試驗儀器

常規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;經過縮尺后的石籠內填充碎石的最大粒徑60 mm，最小粒徑10 mm，常規直剪儀無法完成石籠單體結構的直剪試驗. 因此，本試驗采用南京水利科學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，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據采集系統，以及上下剛性剪切盒、滾珠等必要部件，如圖5所示.

2.2 ? 試驗材料

本試驗采用與實際石籠網護坡工程填石料性質接近的碎石，其主要由礦石經機械破碎、篩分制得，根據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，具體參數見表5.

試驗用石籠網材料，經市場調研采用與實際工況所用石籠材質性能相似的普通鐵絲網，石籠網鐵絲直徑和網孔大小根據填充石料縮尺倍數，按照幾何縮尺的方法確定：石籠網鐵絲直徑2.7 mm，網格尺寸約30 mm×40 mm，捆扎好的石籠網幾何尺寸為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填充料，10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm三種不同粒徑的碎石按照質量比2︰5︰3填料;石籠網碎石的填充率為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.

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生干擾，但總體來講碎石土大型直剪試驗值相對室內常規試驗值可靠[13]. 在整個試驗過程中需保持剪切盒側壁的光滑，進行不固結快剪，水平勻速剪切，剪切速率為5 mm/min. 數據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.

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

2.4 ? 試驗結果分析

2.4.1 ? 石籠網結構對填石料強度特性的影響

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

2.4.2 ? 石籠網結構加筋效果分析

1）大型直剪試驗中，在同等豎向應力條件下，石籠網加筋碎石土的剪切破壞應力要遠大于未加筋碎石土的剪切破壞應力. 有石籠網結構的試樣，每個試樣的石籠網鐵絲或多或少出現了剪斷現象，主要分布在直接受力面的剪切面處，同時石籠網結構發生了嚴重變形.

2）對比石籠網填石料和無石籠網填石料，發生應變軟化和應變硬化的現象基本相同. 即在較高豎向應力作用下，剪破面處的孔隙被不斷壓密. 在豎向應力和水平推力共同作用下填石顆粒會發生破碎現象，細小顆粒不斷進入大顆粒的孔隙當中，因此剪切應力隨著水平位移的增加不斷增大，顆粒破碎所引起的強度的增加大于抑制剪脹發揮所導致的強度降低，填石料發生應變硬化現象;在較小的豎向應力下，荷載不足以限制剪切過程中發生的剪脹現象，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，發生應變軟化現象，但其軟化現象并不明顯.

3）石籠網結構是由填石料與石籠網組成的復合體，它們共同受力、協調變形，當受到軸向荷載作用時，填石料發生側向膨脹，產生側向剪應變. 由于石籠網的彈性模量遠高于堆石體的彈性模量，其網孔限制了孔內石料向外擴散，形成了“環箍”作用，孔內的受限填石與其上下的自由石料間產生較大的摩阻力，形成了填石料的加強區域，增強了對試件的側向約束作用[15]，從而使試樣的抗剪強度得到了明顯提高.

3 ? 結 ? 論

本文利用室內石籠網填充率試驗和室內大型直剪試驗研究了石籠網內填充率和石籠單體結構應力-應變關系與強度特性. 主要研究結論如下：

1）初步研究了石籠網內填石料的干密度與填充率及顆粒級配的關系. 石籠網填充率隨遜徑顆粒質量分數的增大而增大;當P< 40的質量分數為60%時（即縮尺n = 2.5前實際粒徑小于100 mm顆粒（P< 100）的質量分數在60%時），石籠網達到最佳填充效果;在自然充填狀態下，塊石填充率較難達到設計要求. 在石籠網墊護岸工程施工中需控制塊石級配，并結合人工擊實，石籠網填充率能滿足設計要求.

2）相同級配、相同含水率條件下，有石籠網加筋的填石料剪切強度得到明顯提高，主要表現為黏聚力大幅提高，內摩擦角基本保持不變;確定了有網墊約束的石籠網單體結構直剪試驗剪切破壞值，得到了單體結構抗剪強度指標，為石籠網設計與岸坡結構穩定性分析提供理論依據.

3）相同豎向荷載作用下，達到最大剪切力時，有石籠網的填石料發生的水平位移遠大于沒有石籠網的填石料. 石籠網的“環箍”作用很大程度上約束了顆粒的移動，增強了填石料的穩定性，從而增加了其抗剪強度.

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

5）本研究中塊石填充率試驗和抗剪強度試驗成果在黑龍江三江治理工程2 000 km堤防迎水坡石籠網墊護坡工程中得到成功應用，為制定石籠網墊護坡結構設計及施工質量檢驗標準提供了較好的技術支持.

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