清华大学 水利水电工程系, 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
收稿日期: 2016-03-18
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51479096）
作者简介: 王腾(1989-),男,博士研究生
通信作者: 张嘎,教授,E-mail:zhangga@tsinghua.edu.cn
摘要：在土中通过灌浆等方式形成大块体是一种有潜力的新加固结构型式。该文进行了多组砾石、铝柱等模拟块体加固土的大型直剪试验。试验结果表明：直剪试验条件下块体发生滑移、翻转等运动，逐渐形成作用链。这显著提高了土的抗剪强度，引起土发生明显的剪胀。随着块体加固比的增大，土的抗剪强度随之增大，其变形特性由应变硬化和体积收缩逐渐发展为应变软化和体积膨胀。块体的形状对块体加固土的抗剪强度影响显著。
关键词： 土 块体加固 直剪试验 抗剪强度
Large-scale direct shear tests of block-reinforced soil
WANG Teng, ZHANG Ga
State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:Large soil blocks, produced by grouting the soil are a new reinforcement approach with significant potential. Large-scale direct shear tests were conducted on soil reinforced by blocks simulated with gravel and aluminum cylinders. The results showed that the blocks exhibited significant movement and rotation with interaction chains during the direct shear tests. These increased soil shear strength with significant dilatancy. As the block reinforcement ratio increased, the soil shear strength increased and the soil deformation exhibited increased strain softening and dilatancy from the strain hardening and volumetric contraction. The block shape significantly affected the strength of the reinforced soil.
Key words: soilblock reinforcementdirect shear testsshear strength
随着工程建设的发展，对于高边坡、 深厚覆盖层、 大型建筑地基等大体积土体进行加固成为一个重要课题。 根据不同工程条件已有多种加固结构型式(如桩、 锚杆(索)、 土工合成材料等)得以应用。 但由于大体积土体加固费用高、 工程难度大，因此有必要探索新的加固结构型式。 在土体中通过灌浆等方式形成大块体来提高土体的强度和刚度，构成一种人工“土石混合体”，这种结构与桩等相比有更好的灵活性，具有发展潜力。
天然土石混合体[1-2]是一种广泛存在的岩土体。 土石混合体中“土”与“块石”在粒径尺寸及力学性质等方面差异较大，与普通的土相比，具有显著不同的力学特性。 近年来国内外****已经对此展开了较为丰富的研究，对其强度和变形规律有了较深层的认识[3-11]。
与天然土石混合体不同，块体加固土体是采用主动布置块体的方式来改善天然土体的工程性质。 这方面的研究尚不多见。 为此，本文采用大型直剪试验为手段，研究不同块体加固方式对土力学特性的影响。
1 试验设备与方案本文直剪试验在清华大学80 t大型三维多功能土工试验机上进行[12]。
试验采用的黏性土的粒径级配累积曲线如图 1所示，液塑限分别为24.7%和18.4%。 采用人工击实法制备圆柱体试样，试样的干密度为1.5 g/cm3，含水量为10%，试样截面直径为500 mm，高度为340 mm。
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| 图 1 试验土料粒径级配累积曲线 |
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为了探究块体加固的机理，需要确定块体的运动情况。 因此除采用普通的砾石模拟块体之外，还采用规则形状的铝质圆柱体模拟块体进行试验。 试验中考虑不同的法向压力、 块体布置密度等因素的影响。 砾石为不规则形状，粒径约为50 mm。 铝柱的截面为直径50 mm的圆形，高度为50 mm。 试验前在剪切面上均匀放置一定数量的块体，使其母线与剪切面垂直，如图 2所示。 本文采用加固比η来描述加固块体的密度，其定义为剪切面上块体的截面积与剪切面总面积的比值。 试验后对剪切面的块体运动情况进行测量。
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| 图 2 块体在试样中的布置照片 |
| 图选项 |
2 强度变形特性图 3为 200 kPa法向应力条件下不同铝柱加固比的土直剪试验结果。 可以看出，随着剪切位移的增大，素土(η=0)的剪切应力逐渐增大且增长速率逐渐降低。 此时剪切应力与位移关系没有出现峰值，表现出“应变硬化”的特性。 相应的，土的体变在剪切过程中表现出明显的剪缩。 当η较大(如η=0.53)时，剪切应力与位移关系表现出明显的 “应变软化”特性。 在剪切过程中存在一个剪切应力峰值，到达峰值后剪切应力随剪切位移的增大而减小。 相应的，在剪切过程中土的体变在总体上表现出明显的剪胀特性。 这表明铝柱加固显著改变了土的剪切特性。 随着η的增大，土的剪切特性从应变硬化和体积收缩为主逐渐过渡为应变软化和体积膨胀为主。
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| 图 3 采用不同排布密度铝柱加固土的直剪试验结果 |
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图 4为η=0.37时不同法向压力条件下素土和铝柱加固土的剪切应力与剪切位移关系曲线。 可以看出，不同法向压力下素土和铝柱加固土分别表现出相似的强度变形规律，铝柱加固土的抗剪能力明显高于素土的。
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| 图 4 土的剪正应力比—剪切位移关系曲线(η=0.37) |
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基于直剪试验结果进一步确定土的抗剪强度。 对于应变软化情形，采用峰值剪切应力作为抗剪强度； 对于应变硬化情形，采用剪切位移达到80 mm时的剪切应力作为抗剪强度。 图 5为素土和铝柱加固土抗剪强度与法向应力的关系。 可以看出，当η=0.37时，不同法向应力下铝柱加固土的抗剪强度均比素土的高，且提高幅值与法向压力关系不大。 该加固比条件下强度提高幅值在20%左右。
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| 图 5 土的抗剪强度随法向应力的变化曲线(η =0.37) |
| 图选项 |
本文采用Mohr-Coulomb准则来描述抗剪强度特性，根据试验得到的不同法向压力下加固土的强度，再通过线性拟合根确定土的强度参数。 图 6为基于直剪试验结果确定的分别采用砾石和铝柱加固后土体的强度参数与加固比的关系，其中虚线代表素土的强度参数。 可以看出，采用不规则砾石或铝柱模拟块体时，加固土的强度参数均高于素土的。 而且，在η相同时铝柱加固土的强度参数高于砾石加固土的，这表明铝柱比不规则砾石的加固效果更好。
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| 图 6 加固土体强度参数随η的变化图 |
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3 块体运动图 7为直剪试验后砾石的分布情况，其中用箭头显示砾石的运动轨迹。 与图 2a比较可以看出，砾石发生明显的运动。 部分砾石彼此接触，形成了链状结构。 这意味着剪切过程中砾石形成了一种新的结构，与土体共同抵抗剪切作用，从而提高了土的抗剪强度。
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| 图 7 η较大时剪切后砾石的照片 |
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对于规则形状的铝柱，可以通过在剪切前后拍摄照片，根据照片确定铝柱顶面圆心的位移。 基于测量结果分析剪切过程中块体的运动规律，分析块体加固机制。
图 9为200 kPa法向应力下不同η时铝柱顶面圆心的位移变化。 其中，实线圆圈表示试验前铝柱在剪切面中的位置，虚线表示试验后存在接触现象的铝柱的位置。 对比不同η试验的测量结果可以看出，当η较小时，铝柱的位移变化比η较大时的相对均匀一些，剪切后各铝柱也未出现接触;当η较大时，剪切面前端的铝柱发生较大位移，此时铝柱挤开周围土体，与相邻的铝柱形成了紧密接触(图 9)，从而减弱了作用于其后方铝柱的剪切力，因此中轴线上剪切面前后端的铝柱位移相差较大。 这表明当η较大时，剪切过程中铝柱发生运动出现接触，形成作用链，从而提供更大的抗力，增大了抗剪强度。 此时铝柱发生显著的转动和彼此相对错动，出现较为显著的剪胀。 当η较小时，铝柱未能接触形成作用链，对抗剪强度增长的影响较小，这就解释了图 3的剪切应力位移关系特性与η的关系。
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| 图 8 不同η时剪切后铝柱顶面中心的位移(单位： mm) |
| 图选项 |
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| 图 9 η较大时剪切后铝柱的照片 |
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4 结 论本文分别采用砾石和铝柱作为模拟块体，对块体加固土体进行大型直剪试验，测量多种块体布置和法向应力等条件下土体的强度变形特性。 基于试验结果可以得出以下结论：
1) 块体加固显著提高了土的抗剪强度并改变了土的变形特性。 随着块体η的增大，土的抗剪强度随之增大，其变形特性由应变硬化和体积收缩逐渐发展为应变软化和体积膨胀。
2) 加固土的抗剪强度随着法向应力的增大而增加。 加固比相同时，规则柱体的加固效果好于不规则砾石的。
3) 直剪试验条件下，块体发生滑移、 翻转等运动。 当加固比较大时，块体逐渐接触形成作用链，从而显著提高土体的抗剪强度，引起加固土体发生明显的剪胀。
4) 合理布置块体可以使土体的抗剪强度提高20%以上。
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