筑堤清滩土石料大型抗剪强度试验研究

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(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510610； 2.中山大学 地球科学与工程学院，广州 510275； 3.广东省岩土工程技术研究中心，广州 510610; 4.仲恺农业工程学院 城乡建设学院，广州 510225； 5.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

传统筑堤材料为黏性土或少黏性土，通常认为无黏性土不适合作为筑堤材料。山区中小河流治理时往往缺乏黏土料，若修筑黏土堤防，需远距离运土，同时河床清淤时，产生大量清滩土石料需要外运，不仅工程投资较高，而且破坏生态环境。近年来，清滩土石料筑堤技术已经在工程上得到应用，而国内外关于清滩土石料筑堤技术的报道非常少见，科研已经落后于生产实践的需要，急需开展这方面的研究，山区中小河流治理更迫切需要这方面的技术指导与技术支撑，因此对清滩土石料筑堤技术进行研究具有重要的意义。

准确把握岩土体强度特性对筑堤工程设计与堤岸稳定性分析至关重要。清滩土石料具有强度高、变形小等优点，同时是一种不同于土和岩体的非均质不连续体，加之土石料颗粒粗大，最大粒径超过60 mm，难以通过常规小尺寸土工试验进行参数确定。近年来，随着国内外学者对土石料工程特性的研究逐步深入，陆续研制了一系列适用于土石料的大型土工试验仪器，例如大型直剪仪[1-3]、大型三轴剪切仪[4-6]、大型击实仪及大型振动密实仪[7-8]等，对土石料的抗剪强度特性和压实特性等进行了深入研究，提出了许多有实用价值的成果。本文拟通过大型三轴剪切试验和大型直剪试验对清滩土石料强度特性进行研究和探讨，并基于试验成果获取清滩土石料的抗剪强度参数，为清滩土石料筑堤提供技术依据。

2 试验仪器及试样制备

大型三轴剪切试验采用长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室的GST-80型大型高压应力应变控制式三轴仪，试样尺寸为300 mm(直径)×600 mm(高)，如图1(a)所示。大型直剪试验则采用长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室的大型叠环式剪切仪(可以实现常规直接剪切和叠环式剪切)，该仪器主要由承载机架、剪切盒、垂直加载装置、水平剪切加载装置、液压系统、计算机控制及数据采集系统6部分组成，主要用于研究土料、粗粒料、结构与土的接触面、岩土与土工格栅的界面相互作用特性的力学特性，获得其抗剪强度参数。该仪器尺寸为600 mm×600 mm×600 mm(长×宽×高)，下部剪切盒高240 mm，上部为6层叠环，每层环高30 mm，最大竖向荷载500 kN，水平最大荷载1 000 kN，如图1(b)所示。

(a) 大型三轴仪(b) 大型剪切仪图1 大型三轴仪和大型剪切仪Fig.1 Large-scale triaxial apparatus andlarge-scale shear apparatus

试验所用材料为广东省韶关市某中小河流治理工程的清滩土石料，原始级配曲线如图2所示。由于本次试验所用的大型三轴试验仪允许最大粒径为60 mm，而根据原始级配曲线可知，试验材料粒径有部分>60 mm，即存在超粒径颗粒。根据《土工试验规程》(SL237—1999)[9]，需采用等量替代法进行超粒径颗粒缩尺处理，即根据仪器允许的最大粒径以下和粒径>5 mm的土粒，按级配比例等质量替换超粒径颗粒，缩尺得到的大型三轴试验级配,见图2。

图2 清滩土石料大型三轴试验级配曲线Fig.2 Gradation curves of earth-rock material from river dredging for large-scale triaxial shear test

大型三轴试验方法为饱和固结排水剪，制样时根据试样的体积和试验控制密度，采用多层击实法制备重塑土样，试样尺寸为Φ300 mm×600 mm，试验控制密度取现场干密度2.01 g/cm3，围压为100，200，300，400 kPa四级，固结稳定后在1.0 mm/min的剪切速率下进行排水剪切试验。

同样，由于本次试验所用的直剪仪允许最大粒径为100 mm，根据原始级配曲线可知，试验材料粒径部分>100 mm，即存在超粒径颗粒。根据《土工试验规程》(SL237—1999)，需采用等量替代法进行超粒径颗粒缩尺处理，即根据仪器允许的最大粒径以下和粒径>5 mm的土粒，按级配比例等质量替换超粒径颗粒，缩尺得到的大型直剪试验级配,见图3。

图3 清滩土石料大型直剪试验级配曲线Fig.3 Gradation curves of earth-rock material from river dredging for large-scale direct shear test

大型直剪试验制样时根据试样的体积和试验控制密度，同样采用多层击实法制备重塑土样，试验控制密度取现场干密度2.01 g/cm3，试样顶部的荷载采用等量分级加载，剪切试验过程中，试样顶部的荷载保持不变，试样的上覆压力分别为100，200，300，400 kPa。待试样在上覆压力作用下变形稳定后，在1.0 mm/min的剪切速率下进行剪切试验，则剪切变形应达到60 mm或达到试样直径的1/15～1/10为止。

3 试验结果与分析

3.1 大型三轴试验结果

图4为清滩大型三轴试验剪应力-轴向应变关系曲线和体应变-轴向应变关系曲线。由图4可知，清滩土石料剪应力随应变的增加逐渐增加，无明显峰值强度，为弱硬化型，同时抗剪强度随围压的增大而增大，体应变成剪缩型变化。

图4 清滩土石料大型三轴试验应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale triaxial shear test

根据以上不同围压下的大型三轴试验结果，得出剪切破坏时的大主应力σ1，从而可绘制出抗剪强度包络图见图5。由图5可得出：抗剪强度参数黏聚力c=60.0 kPa，内摩擦角φ=38.6°。

图5 清滩土石料大型三轴试验抗剪强度包络线Fig.5 Shear strength envelope of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale triaxial shear test

3.2 大型直剪试验结果

本次大型直剪试验包括常规直剪试验和叠环式剪切试验，剪应力-剪切位移关系曲线结果如图6所示。由图6可知，土石混合料在不同垂直压力下均具有一定的峰值强度，呈现微弱的应变软化特性。

图6 清滩土石料大型直剪试验剪应力-剪切位移 关系曲线Fig.6 Curves of shear stress vs. shear displacement of earth-rock material from river dredging obtained from large-scale direct shear test

图7为大型直剪试验抗剪强度与竖向应力关系曲线。由图7可知，抗剪强度与法向应力关系均呈现良好的线性关系，由此可得到相应的抗剪强度参数，其中，常规直剪试验得到的抗剪强度参数为c=53.0 kPa，φ=35.2°，叠环式剪切试验得到的抗剪强度参数为c=33.5 kPa，φ=24.9°。

图7 清滩土石料大型直剪试验抗剪强度-法向应力 关系曲线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 结果分析

3种不同试验方法确定的清滩土石料抗剪强度参数结果对比如表1所示。

表1 清滩土石料不同试验的抗剪强度参数Table 1 Shear strength parameters of earth-rock material from river dredging obtained by different test methods

由表1可知，大型三轴试验所得到的抗剪强度参数最大，大型常规直剪试验次之，大型叠环式剪切试验最小。其中，由于常规直剪试验的剪切面限定在上、下盒之间的平面，而叠环式剪切试验可以使试样沿最薄弱的剪切面发生破坏，因此相同条件下叠环式剪切试验得到的抗剪强度参数较常规直剪试验结果小。同时，试样的最大粒径不同，大型三轴试验中试样的最大粒径dmax=60 mm，直剪试验的最大粒径dmax=100 mm。相关试验研究结果[10-12]表明，颗粒最大粒径对最大、最小干密度有较大影响，最大、最小干密度均随着最大粒径的增大而增加，因此，在同一密度制样的情况下，试样的相对密度有较大不同，具体为三轴试样的相对密度大于直剪试验的相对密度，这可能是导致三轴试验抗剪强度大于直剪试验的一个重要因素。

此外，由表1还可知，3种试验方法得到的清滩土石料抗剪强度参数c值均较大，具体设计时可考虑c，φ的综合效应来验算筑堤结构的安全性。

4 结 论

本文通过开展室内大型三轴剪切试验和大型直剪试验对清滩土石料的抗剪强度特性进行研究，试验结果表明，清滩土石料具有较好的抗剪强度，防渗处理好后可作为较好的筑堤材料。研究结果为清滩土石料作为筑堤材料的利用提供了依据。