石笼网护岸结构强度和变形特性试验研究

张桂荣，张家胜，何宁，汪璋淳，罗紫婧

（1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室（南京水利科学研究院），江苏 南京，210024；2.中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京，210019）

石笼网垫是一种柔性护坡结构，适用于坡面防冲刷领域，比较常见的有河道边坡防护、河底防护、消浪防冲工程等，并能适应一定程度的不均匀沉降.该护坡结构是由机编双绞合六边形金属网面构成，装入块石等填充物，厚度一般为17～30 cm，网垫网格尺寸为6 cm×8 cm，碎石填充粒径为60～150 mm，逊径颗粒质量分数一般不超过20%.该构件具有抗冲刷能力强、自透水、整体性强、地基适应性强、抗风浪性强、施工简便、造价低廉等特点，其多孔隙结构易于生物栖息.

石笼网结构用于岸坡防护取得良好效果的同时，其结构设计方法和理论分析等方面仍存在较多问题.如石笼网内填石料的填充率、石笼单体结构强度指标等是石笼网生态护坡技术研究中的关键技术指标，但石笼网内填石料填充率与填石级配、最小干密度的关系，石笼单体结构强度指标、变形特性等的研究相对缺乏[1].研究石笼网单体结构的物理力学特性，相当于研究石笼网加筋粗粒土的物理力学特性.填石料颗粒破碎相关试验研究结果表明[2-5]，粗粒土的粒径、级配、颗粒破碎等都会对粗粒土的强度特性产生一定的影响.碎石料等粗粒土本身为颗粒物质，其间通过颗粒之间的接触来传递荷载并发生位移[6].其强度高、透水性好，但结构松散，不易压实[7]，颗粒破碎时粗粒土的粒径会变小，细粒含量增多，因此颗粒破碎对强度的作用类似于颗粒的重新定向和重排列.荷载作用下粗粒土的抗剪强度主要包括颗粒滑动阻止所发挥的强度、试验剪胀所需能量而发展的强度和颗粒排列与定向所需能量而发展的强度.另外，石笼网垫内碎石填充率与逊径颗粒含量等对其抗冲刷性能产生一定影响[8]，当河流最大流速大于2 m/s 时，石笼网垫填石逊径比不宜超过25%[9].

本文根据石笼网护坡工程中石笼网常用的设计指标，研究满足石笼网碎石料填充率设计指标的最佳级配，并重点研究在同一填石级配下，石笼网加筋作用对网垫内碎石料应力-应变关系与强度特性的影响，为石笼网垫优化设计与防护结构稳定性评价提供理论依据.

1 石笼网结构块石填充率及级配试验

1.1 试样的缩尺效应

因实际工程材料粒径较大，无法对原级配料样进行试验，故需将填石材料的级配曲线缩制成试验条件允许的试验粒径级配曲线.缩制过程中，试样粒径级配的变化将引起材料强度和变形特性的变化.研究表明[8]，密度是影响土石料强度的最重要因素.因此，室内模拟试验中试样密度是重要指标.另外，缩尺效应会影响材料的轴向变形和体积变形，而对峰值强度几无影响[10-11].因此，降低缩尺效应带来的影响就是严格控制试样的干密度.

室内缩尺试验中，原级配缩制成试验级配最常用的方法为相似级配法和等量替代法.相似级配法保持了级配关系（不均匀系数不变），细颗粒含量变大，但不应影响原级配料的力学性质；等量替代法具有保持粗颗粒的骨架作用及粗料级配的连续性和近似性等特点，适用超粒径含量小于40%的填石料.本试验采用相似级配法.

相似级配法计算公式：

式中：dni为原级配某粒径缩小后的粒径，mm；Pdn为粒径缩小至1/n 后相应的小于某粒径的质量分数；pd0为原级配相应的小于某粒径的质量分数；n 为粒径的缩小倍数；d0max为原级配最大粒径，mm；dmax为试样允许最大粒径，mm.

1.2 填充率试验方案

图1 岸坡石笼网护坡结构Fig.1 Bank slope gabion net slope protection structure

依据《水电水利工程粗粒土试验规程》（DL/T 5356—2006）[12]开展石笼网块石填充率试验，试样筒尺寸为Ф300×360 mm.试样筒表面用环刀找平，根据颗粒总量、剩余量及试样体积计算试样的最小干密度，根据比重计算得到最小干密度对应的孔隙率.文中定义石笼网结构的填充率为石笼网结构内填石料的体积与石笼网体积之比，具体计算公式如式（4）和式（5）.

式中：ρdmin为最小干密度，g/cm3；VC为试样筒容积，cm3；VS为振实后的试样体积，cm3；ρw为水的密度；GS为颗粒比重.

根据石笼网护坡工程填充率的设计要求，为减小填石孔隙率，增加密实度，可填充部分逊径石料.按照逊径比10%～30%的控制标准，制定填充率试验中填石料具体设计级配（见表1、表2）.

表1 填石料不同逊径含量设计级配Tab.1 Design gradation with different diameters of rock-fill materials

表2 填石料不同P<40 含量设计级配Tab.2 Design gradation with different P<40 content of rock-fill materials

1.3 填充率试验结果

石笼网内填石最小干密度和对应的孔隙率见表3、表4.

表3 不同逊径颗粒质量分数设计级配相对密度试验成果Tab.3 Results of designing gradation relative density with different diameters

表4 不同P<40 质量分数设计级配相对密度试验成果Tab.4 Results of relative density experiment of grades with different design levels of P<40

1.4 石笼网填充率与级配的关系

石笼网碎石填充率与逊径颗粒质量分数的关系及P<40质量分数如图2、图3 所示，由图可知：1）随着逊径颗粒含量的增加，石笼网填充率逐渐增加.原因在于粗颗粒含量较高时，粗颗粒骨架形成的孔隙较大，细颗料主要起填充作用；2）随P<40质量分数增加，石笼网的填充率先增大后减小，当其质量分数达到60%时，石笼网获得最大填充率，这有可能是当其在60%时，其形成的粗颗粒骨架最佳，使得细颗粒料最大程度地填充到孔隙中，最小干密度达到最大值.由最小干密度试验结果可以看出，石笼网内的块石在没有经过振捣的作用下很难达到60%～70%的填充率，要达到设计工况要求，需要在填筑过程中进行必要的振捣.

图2 石笼网填充率与逊径颗粒质量分数关系Fig.2 Relation between filling rate of gabion net and particle mass fraction

图3 石笼网填充率与P<40 质量分数关系Fig.3 Relation diagram between gabion net filling rate and P<40 mass fraction

为提高试样干密度和填充率，选择设计级配为P<40=40 的试样进行了人工击实状态下的填充试验.试样分3 层填充并震动击实，测得其填充率为72%，干密度为1.70 g/cm3，这一指标满足了设计要求.矿石经机械破碎、筛分时，按照粒径范围进行适当筛选，网垫填充时控制粒径为60～150 mm 的填石达到80%，粒径小于50 mm 的块石质量分数在20%左右，并结合一定的人工振捣，石笼网填充率基本满足了设计要求

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结合石笼网结构的填充率试验结果，按照上述缩尺试验的方法得到石笼网单体结构大型直剪试验中石笼网填石料的级配曲线，如图4 所示.

图4 直剪试验填石料设计级配曲线图Fig.4 Gradation curve of rockfill design for direct shear test

2 石笼网单体结构强度特性试验研究

石笼网单体结构作为石笼网护岸单元结构，其强度特性不仅影响石笼网结构自身稳定性，而且在分析整体岸坡稳定性时也是必不可缺的要素.研究石笼网单体结构的力学特性，相当于研究石笼网加筋粗粒土的力学特性，目前专门针对石笼网结构的填石料强度特性研究相对较少.本文中的石笼网单体结构大型直剪试验重点针对石笼网加筋作用对网垫内填石强度特性开展研究，得到石笼单体结构的抗剪强度指标，这对丰富石笼网护坡结构理论并为护岸结构整体稳定性分析提供真实有效的抗剪强度参数具有重要意义.

2.1 试验仪器

常规剪切试验剪切盒的尺寸和提供剪切力大小的局限使得其无法用于粗粒土的直剪试验；经过缩尺后的石笼内填充碎石的最大粒径60 mm，最小粒径10 mm，常规直剪仪无法完成石笼单体结构的直剪试验.因此，本试验采用南京水利科学研究院自行研制的高性能大型接触面直剪仪，其最大轴向荷载为400 kN，最大水平荷载为400 kN，试样尺寸为500 mm×500 mm.该仪器主要包括水平加载、垂直加载等控制系统，水平位移传感器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、垂直位移传感器等数据采集系统，以及上下刚性剪切盒、滚珠等必要部件，如图5 所示.

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

2.2 试验材料

本试验采用与实际石笼网护坡工程填石料性质接近的碎石，其主要由矿石经机械破碎、筛分制得，根据实际工程中所用碎石粒径大小，通过缩尺方法选取3 种粒径分布，具体参数见表5.

表5 试验用石笼网填石物理参数Tab.5 Physical parameters of gabion net for experiment

试验用石笼网材料，经市场调研采用与实际工况所用石笼材质性能相似的普通铁丝网，石笼网铁丝直径和网孔大小根据填充石料缩尺倍数，按照几何缩尺的方法确定：石笼网铁丝直径2.7 mm，网格尺寸约30 mm×40 mm，捆扎好的石笼网几何尺寸为500 mm×500 mm×300 mm，接头处采用铁丝绑扎.

2.3 试验方案

选取3 种粒径分布的碎石作为石笼网填充料，10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm 三种不同粒径的碎石按照质量比2∶5∶3 填料；石笼网碎石的填充率为70%，故试验试样的孔隙率n=30%；试样分3 层填充并振动击实，剪切缝的缝宽为试样中最大颗粒粒径的1/3～1/4，设定上下剪切盒开缝值为25 mm；试样装好后浸水饱和，如图6 所示.

图6 制样、安装过程图Fig.6 Process diagram of preparation and installation

以往的研究中大型直剪试验制样时会受到试样中碎石颗粒的干扰，同时试样上部的卸荷也对试验值产生干扰，但总体来讲碎石土大型直剪试验值相对室内常规试验值可靠[13].在整个试验过程中需保持剪切盒侧壁的光滑，进行不固结快剪，水平匀速剪切，剪切速率为5 mm/min.数据自动采集软件将按时间间隔1 s 的采样方式记录法向力和法向位移，按变形量1 mm 的采样方式记录水平力和水平位移；剪切变形速率为5 mm/min.

试验采用应变式控制方式进行剪切，剪切过程中控制竖向应力分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa 和400 kPa.试验分两组进行：有石笼网碎石料和无石笼网碎石料直剪试验，见表6.

表6 石笼单体结构试验组次表Tab.6 Table of gabion single structure test group

2.4 试验结果分析

2.4.1 石笼网结构对填石料强度特性的影响

填石料有无石笼网约束的剪切应力-水平位移关系如图7（a）（b）所示，可以看出无石笼网的填石料达到最大剪切力时，最大剪切位移在30～40 mm 之间，而有石笼网的最大剪切位移在70～80 mm 之间；有石笼网的填石料峰值剪切力远远大于没有石笼网约束的填石料，说明石笼网对填石料的峰值强度和延性有较大的提高，这和蒋建清等对石笼网垫对粗粒土加筋效果的研究结论是相符合的[14].

图7 水平位移-剪切应力曲线图Fig.7 Diagram of horizontal displacement-shear stress curve

表7 石笼结构大型直剪试验剪切破坏值Tab.7 Shear failure value of large-scale direct shear test for gabion structure

根据摩尔-库伦定律，填石料的强度可表达为

式中：c 为黏聚力；φ 为内摩擦角.可以看出填石料的强度主要取决于黏聚力和内摩擦角.取各试验条件下的最大剪切破坏值，按照式（6）进行拟合，结果如图8 所示.无石笼网约束的黏聚力和内摩擦角分别为104.11 kPa、33.6°，有石笼网约束的黏聚力和内摩擦角分别为252.15 kPa、31.51°.可以看到，在石笼网约束作用下，填石料黏聚力有明显提高，但内摩擦角几乎不受石笼网约束的影响.

图8 石笼单体结构剪切破坏应力τ-正应力σ 关系曲线图Fig.8 Relation curve of shear failure stress τ-normal stress σ of gabion structure

2.4.2 石笼网结构加筋效果分析

1）大型直剪试验中，在同等竖向应力条件下，石笼网加筋碎石土的剪切破坏应力要远大于未加筋碎石土的剪切破坏应力.有石笼网结构的试样，每个试样的石笼网铁丝或多或少出现了剪断现象，主要分布在直接受力面的剪切面处，同时石笼网结构发生了严重变形.

2）对比石笼网填石料和无石笼网填石料，发生应变软化和应变硬化的现象基本相同.即在较高竖向应力作用下，剪破面处的孔隙被不断压密.在竖向应力和水平推力共同作用下填石颗粒会发生破碎现象，细小颗粒不断进入大颗粒的孔隙当中，因此剪切应力随着水平位移的增加不断增大，颗粒破碎所引起的强度的增加大于抑制剪胀发挥所导致的强度降低，填石料发生应变硬化现象；在较小的竖向应力下，荷载不足以限制剪切过程中发生的剪胀现象，接触面颗粒破碎较少且来不及填充到大的孔隙中，石料颗粒之间的接触面积减小加之颗粒的定向排列，发生应变软化现象，但其软化现象并不明显.

3）石笼网结构是由填石料与石笼网组成的复合体，它们共同受力、协调变形，当受到轴向荷载作用时，填石料发生侧向膨胀，产生侧向剪应变.由于石笼网的弹性模量远高于堆石体的弹性模量，其网孔限制了孔内石料向外扩散，形成了“环箍”作用，孔内的受限填石与其上下的自由石料间产生较大的摩阻力，形成了填石料的加强区域，增强了对试件的侧向约束作用[15]，从而使试样的抗剪强度得到了明显提高.

3 结论

本文利用室内石笼网填充率试验和室内大型直剪试验研究了石笼网内填充率和石笼单体结构应力-应变关系与强度特性.主要研究结论如下：

1）初步研究了石笼网内填石料的干密度与填充率及颗粒级配的关系.石笼网填充率随逊径颗粒质量分数的增大而增大；当P<40的质量分数为60%时（即缩尺n=2.5 前实际粒径小于100 mm 颗粒（P<100）的质量分数在60%时），石笼网达到最佳填充效果；在自然充填状态下，块石填充率较难达到设计要求.在石笼网垫护岸工程施工中需控制块石级配，并结合人工击实，石笼网填充率能满足设计要求.

2）相同级配、相同含水率条件下，有石笼网加筋的填石料剪切强度得到明显提高，主要表现为黏聚力大幅提高，内摩擦角基本保持不变；确定了有网垫约束的石笼网单体结构直剪试验剪切破坏值，得到了单体结构抗剪强度指标，为石笼网设计与岸坡结构稳定性分析提供理论依据.

3）相同竖向荷载作用下，达到最大剪切力时，有石笼网的填石料发生的水平位移远大于没有石笼网的填石料.石笼网的“环箍”作用很大程度上约束了颗粒的移动，增强了填石料的稳定性，从而增加了其抗剪强度.

4）在低竖向荷载作用下，填石料容易发生剪胀现象，随着竖向荷载的继续增大，填石料发生剪缩现象，这一现象符合堆石料低压剪胀、高压剪缩的变形特征.因为石笼网的约束作用，这一现象在有石笼网的填石料试验中表现得更为明显.

5）本研究中块石填充率试验和抗剪强度试验成果在黑龙江三江治理工程2 000 km 堤防迎水坡石笼网垫护坡工程中得到成功应用，为制定石笼网垫护坡结构设计及施工质量检验标准提供了较好的技术支持.