筑堤清灘土石料大型抗剪強度試驗研究

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(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610； 2.中山大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510275； 3.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510610; 4.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣州 510225； 5.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

傳統(tǒng)筑堤材料為黏性土或少黏性土，通常認為無黏性土不適合作為筑堤材料。山區(qū)中小河流治理時往往缺乏黏土料，若修筑黏土堤防，需遠距離運土，同時河床清淤時，產(chǎn)生大量清灘土石料需要外運，不僅工程投資較高，而且破壞生態(tài)環(huán)境。近年來，清灘土石料筑堤技術(shù)已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用，而國內(nèi)外關(guān)于清灘土石料筑堤技術(shù)的報道非常少見，科研已經(jīng)落后于生產(chǎn)實踐的需要，急需開展這方面的研究，山區(qū)中小河流治理更迫切需要這方面的技術(shù)指導(dǎo)與技術(shù)支撐，因此對清灘土石料筑堤技術(shù)進行研究具有重要的意義。

準確把握巖土體強度特性對筑堤工程設(shè)計與堤岸穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。清灘土石料具有強度高、變形小等優(yōu)點，同時是一種不同于土和巖體的非均質(zhì)不連續(xù)體，加之土石料顆粒粗大，最大粒徑超過60 mm，難以通過常規(guī)小尺寸土工試驗進行參數(shù)確定。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者對土石料工程特性的研究逐步深入，陸續(xù)研制了一系列適用于土石料的大型土工試驗儀器，例如大型直剪儀[1-3]、大型三軸剪切儀[4-6]、大型擊實儀及大型振動密實儀[7-8]等，對土石料的抗剪強度特性和壓實特性等進行了深入研究，提出了許多有實用價值的成果。本文擬通過大型三軸剪切試驗和大型直剪試驗對清灘土石料強度特性進行研究和探討，并基于試驗成果獲取清灘土石料的抗剪強度參數(shù)，為清灘土石料筑堤提供技術(shù)依據(jù)。

2 試驗儀器及試樣制備

大型三軸剪切試驗采用長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室的GST-80型大型高壓應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀，試樣尺寸為300 mm(直徑)×600 mm(高)，如圖1(a)所示。大型直剪試驗則采用長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室的大型疊環(huán)式剪切儀(可以實現(xiàn)常規(guī)直接剪切和疊環(huán)式剪切)，該儀器主要由承載機架、剪切盒、垂直加載裝置、水平剪切加載裝置、液壓系統(tǒng)、計算機控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成，主要用于研究土料、粗粒料、結(jié)構(gòu)與土的接觸面、巖土與土工格柵的界面相互作用特性的力學(xué)特性，獲得其抗剪強度參數(shù)。該儀器尺寸為600 mm×600 mm×600 mm(長×寬×高)，下部剪切盒高240 mm，上部為6層疊環(huán)，每層環(huán)高30 mm，最大豎向荷載500 kN，水平最大荷載1 000 kN，如圖1(b)所示。

(a) 大型三軸儀(b) 大型剪切儀圖1 大型三軸儀和大型剪切儀Fig.1 Large-scale triaxial apparatus andlarge-scale shear apparatus

試驗所用材料為廣東省韶關(guān)市某中小河流治理工程的清灘土石料，原始級配曲線如圖2所示。由于本次試驗所用的大型三軸試驗儀允許最大粒徑為60 mm，而根據(jù)原始級配曲線可知，試驗材料粒徑有部分>60 mm，即存在超粒徑顆粒。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[9]，需采用等量替代法進行超粒徑顆粒縮尺處理，即根據(jù)儀器允許的最大粒徑以下和粒徑>5 mm的土粒，按級配比例等質(zhì)量替換超粒徑顆粒，縮尺得到的大型三軸試驗級配,見圖2。

圖2 清灘土石料大型三軸試驗級配曲線Fig.2 Gradation curves of earth-rock material from river dredging for large-scale triaxial shear test

大型三軸試驗方法為飽和固結(jié)排水剪，制樣時根據(jù)試樣的體積和試驗控制密度，采用多層擊實法制備重塑土樣，試樣尺寸為Φ300 mm×600 mm，試驗控制密度取現(xiàn)場干密度2.01 g/cm3，圍壓為100，200，300，400 kPa四級，固結(jié)穩(wěn)定后在1.0 mm/min的剪切速率下進行排水剪切試驗。

同樣，由于本次試驗所用的直剪儀允許最大粒徑為100 mm，根據(jù)原始級配曲線可知，試驗材料粒徑部分>100 mm，即存在超粒徑顆粒。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)，需采用等量替代法進行超粒徑顆?？s尺處理，即根據(jù)儀器允許的最大粒徑以下和粒徑>5 mm的土粒，按級配比例等質(zhì)量替換超粒徑顆粒，縮尺得到的大型直剪試驗級配,見圖3。

圖3 清灘土石料大型直剪試驗級配曲線Fig.3 Gradation curves of earth-rock material from river dredging for large-scale direct shear test

大型直剪試驗制樣時根據(jù)試樣的體積和試驗控制密度，同樣采用多層擊實法制備重塑土樣，試驗控制密度取現(xiàn)場干密度2.01 g/cm3，試樣頂部的荷載采用等量分級加載，剪切試驗過程中，試樣頂部的荷載保持不變，試樣的上覆壓力分別為100，200，300，400 kPa。待試樣在上覆壓力作用下變形穩(wěn)定后，在1.0 mm/min的剪切速率下進行剪切試驗，則剪切變形應(yīng)達到60 mm或達到試樣直徑的1/15～1/10為止。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 大型三軸試驗結(jié)果

圖4為清灘大型三軸試驗剪應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和體應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖4可知，清灘土石料剪應(yīng)力隨應(yīng)變的增加逐漸增加，無明顯峰值強度，為弱硬化型，同時抗剪強度隨圍壓的增大而增大，體應(yīng)變成剪縮型變化。

圖4 清灘土石料大型三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale triaxial shear test

根據(jù)以上不同圍壓下的大型三軸試驗結(jié)果，得出剪切破壞時的大主應(yīng)力σ1，從而可繪制出抗剪強度包絡(luò)圖見圖5。由圖5可得出：抗剪強度參數(shù)黏聚力c=60.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=38.6°。

圖5 清灘土石料大型三軸試驗抗剪強度包絡(luò)線Fig.5 Shear strength envelope of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale triaxial shear test

3.2 大型直剪試驗結(jié)果

本次大型直剪試驗包括常規(guī)直剪試驗和疊環(huán)式剪切試驗，剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，土石混合料在不同垂直壓力下均具有一定的峰值強度，呈現(xiàn)微弱的應(yīng)變軟化特性。

圖6 清灘土石料大型直剪試驗剪應(yīng)力-剪切位移 關(guān)系曲線Fig.6 Curves of shear stress vs. shear displacement of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale direct shear test

圖7為大型直剪試驗抗剪強度與豎向應(yīng)力關(guān)系曲線。由圖7可知，抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，由此可得到相應(yīng)的抗剪強度參數(shù)，其中，常規(guī)直剪試驗得到的抗剪強度參數(shù)為c=53.0 kPa，φ=35.2°，疊環(huán)式剪切試驗得到的抗剪強度參數(shù)為c=33.5 kPa，φ=24.9°。

圖7 清灘土石料大型直剪試驗抗剪強度-法向應(yīng)力 關(guān)系曲線Fig.7 Curves of shear strength against normal stress of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale direct shear test

3.3 結(jié)果分析

3種不同試驗方法確定的清灘土石料抗剪強度參數(shù)結(jié)果對比如表1所示。

表1 清灘土石料不同試驗的抗剪強度參數(shù)Table 1 Shear strength parameters of earth-rock material from river dredging obtained by different test methods

由表1可知，大型三軸試驗所得到的抗剪強度參數(shù)最大，大型常規(guī)直剪試驗次之，大型疊環(huán)式剪切試驗最小。其中，由于常規(guī)直剪試驗的剪切面限定在上、下盒之間的平面，而疊環(huán)式剪切試驗可以使試樣沿最薄弱的剪切面發(fā)生破壞，因此相同條件下疊環(huán)式剪切試驗得到的抗剪強度參數(shù)較常規(guī)直剪試驗結(jié)果小。同時，試樣的最大粒徑不同，大型三軸試驗中試樣的最大粒徑dmax=60 mm，直剪試驗的最大粒徑dmax=100 mm。相關(guān)試驗研究結(jié)果[10-12]表明，顆粒最大粒徑對最大、最小干密度有較大影響，最大、最小干密度均隨著最大粒徑的增大而增加，因此，在同一密度制樣的情況下，試樣的相對密度有較大不同，具體為三軸試樣的相對密度大于直剪試驗的相對密度，這可能是導(dǎo)致三軸試驗抗剪強度大于直剪試驗的一個重要因素。

此外，由表1還可知，3種試驗方法得到的清灘土石料抗剪強度參數(shù)c值均較大，具體設(shè)計時可考慮c，φ的綜合效應(yīng)來驗算筑堤結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié) 論

本文通過開展室內(nèi)大型三軸剪切試驗和大型直剪試驗對清灘土石料的抗剪強度特性進行研究，試驗結(jié)果表明，清灘土石料具有較好的抗剪強度，防滲處理好后可作為較好的筑堤材料。研究結(jié)果為清灘土石料作為筑堤材料的利用提供了依據(jù)。