低應(yīng)力條件下的巖土工程問題

楊玉生，劉啟旺，溫彥鋒，劉小生，楊正權(quán)

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

低應(yīng)力條件下的巖土工程問題

楊玉生，劉啟旺，溫彥鋒，劉小生，楊正權(quán)

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

結(jié)合實際工程建設(shè)需求，對工程建設(shè)和開發(fā)中涉及低應(yīng)力條件的巖土工程問題進行系統(tǒng)的總結(jié)和分析，包括未來月球資源開發(fā)，土工構(gòu)筑物淺層土體的變形和穩(wěn)定，地基地震液化，室內(nèi)和原位試驗的判釋和應(yīng)用等。國內(nèi)外目前的研究多關(guān)注土石料在中、高應(yīng)力條件下的工程性質(zhì)，對低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)研究很少且研究結(jié)論有相悖之處。在應(yīng)用中低應(yīng)力區(qū)的土石料計算參數(shù)取值通常與中、高應(yīng)力條件下獲得的強度和變形參數(shù)一致，而土石料的強度和變形性質(zhì)對應(yīng)力條件有很強的依賴性，不同應(yīng)力條件下土石料的強度和變形特性可能差異較大，這種計算參數(shù)取值方法的適用性存在疑慮。建議對低應(yīng)力條件下土石料靜、動力工程性質(zhì)開展系統(tǒng)的試驗研究，在此基礎(chǔ)上，研究能夠反映低應(yīng)力條件下土石料工程特點的本構(gòu)模型，為土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)土石料參數(shù)設(shè)計標準的選擇及土工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析中低應(yīng)力區(qū)材料參數(shù)取值提供科學(xué)依據(jù)。

低應(yīng)力；巖土工程問題；土石料工程性質(zhì)

1 研究背景

在水利水電工程建設(shè)中，涉及壩基覆蓋層、堤防、邊坡和土石壩等土工構(gòu)筑物的工程眾多。在工程實踐中，對地基或土工構(gòu)筑物，大多從抗滑穩(wěn)定性、容許變形量和液化可能性來評價其安全性，這與材料的強度、變形和動力液化性質(zhì)密切相關(guān)。但人們更多的關(guān)注中高應(yīng)力狀態(tài)下土石料的力學(xué)性質(zhì)，以及中高應(yīng)力狀態(tài)下土石料計算參數(shù)的取值，而很少關(guān)注低應(yīng)力狀態(tài)下土石料性質(zhì)和計算參數(shù)的取值。筆者檢閱文獻資料，自20世紀60年代以來，有關(guān)土石料在低應(yīng)力狀態(tài)下的性質(zhì)的研究資料十分有限，低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)研究是長期以來被忽視的問題。

從目前及未來的工程建設(shè)來看，有很多實際工程問題與土石料低應(yīng)力狀態(tài)下的性質(zhì)密切相關(guān)，本文對低應(yīng)力條件的巖土工程問題進行系統(tǒng)的總結(jié)，并對其中的科學(xué)問題進行了提煉。涉及低應(yīng)力條件的巖土工程問題包括以下幾個方面：（1）月球資源開發(fā)；（2）土工構(gòu)筑物淺層土體的變形和穩(wěn)定性，包括堤防和土石壩邊坡以及列車振動作用下鐵路碎石路基的變形和穩(wěn)定等；（3）地基地震液化；（4）室內(nèi)和原位試驗成果的判釋和應(yīng)用，如壩體或地基淺層原位現(xiàn)場試驗成果的判釋，1 g條件下巖土工程問題的模型試驗等。

2 月球資源開發(fā)

地外資源開發(fā)和利用是中國太空探測中重要的科學(xué)問題，月球是距離地球最近的天體，是人類進行太空探測的首選。我國目前正在開展嫦娥探月工程，嫦娥三號已于12月15日4時35分成功著陸月球，并發(fā)回月面圖片（見圖1所示）。圖1所示為覆蓋于月球表面的月壤［1］，月壤是月球探測的主要對象與載體，對月壤基本巖土力學(xué)性質(zhì)的研究具有重要的科學(xué)意義和重大效益［2］。未來月球資源開發(fā)中，月面構(gòu)筑物設(shè)計所需要解決的重點問題就是月壤的工程力學(xué)特性。但是由于特殊的成因條件，月壤具有獨特的工程力學(xué)性質(zhì)。且月球上重力加速度約為1.62 m/s2，月球引力僅相當于地球引力的1/ 6，月壤所處的應(yīng)力條件普遍較低，因此，月球資源開發(fā)所面臨的是低應(yīng)力條件下的巖土工程問題。

3 土工構(gòu)筑物淺層土體的變形和穩(wěn)定

圖1 嫦娥三號發(fā)回的月面照片

土石壩振動臺模型試驗表明，壩坡頂部和壩體表層是抗震的薄弱環(huán)節(jié)，其一般的破壞形式為壩坡土體的淺層滑動［3］。震害調(diào)查也表明，淺層滑坡是土壩、土堤和土石壩震害的主要表現(xiàn)形式之一［4］。因此堤防和土石壩的安全與與低應(yīng)力下土的工程性質(zhì)密切相關(guān)。

對實際工程中土石壩和堤防發(fā)生的震害實例分析來看，地震中發(fā)生滑坡等嚴重震害的堤防和土石壩，其滑坡深度一般不超過7 m，上覆有效應(yīng)力一般不超過100 kPa［5］。如1975年海城地震（震級M=7.3級）中，石門土壩距震中33 km，地震中上游發(fā)生較大滑坡，壩高35 m以下普遍滑動，滑動面積達150 000 m2，體積3萬m3，滑坡最大深度4.7 m［4］。1995年日本Kobe地震（震級M=7.1級）中，Kita?yama壩距震中33 km，壩址基巖加速度為0.3 g，地震引起壩體上游坡發(fā)生滑坡，滑坡體頂部在地震時庫水位以下1.0～1.5 m，滑坡體長100 m（沿壩軸向），滑坡深度1.5～2 m，其上覆有效應(yīng)力不超過50 kPa［6］。此外，我國正在開展的高鐵建設(shè)，對路基的要求也越來越高，列車振動作用下碎石路基的變形和穩(wěn)定等屬于低應(yīng)力條件下的往復(fù)荷載作用下的振動問題。

圖2 石門土壩震害示意圖［3］

4 地基液化

在以往的大地震中，嚴重的震害很多都與土體液化密切相關(guān)。在搜集整理歷次大地震中的液化數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，表1給出了以往地震中液化砂層上覆有效應(yīng)力情況，圖3給出了液化砂層中點上覆有效應(yīng)力與中心點距地下水位深度圖。

從表1和圖3地震液化的震害調(diào)查資料來看，地基可液化層的液化大多發(fā)生在上覆有效應(yīng)力不超過100 kPa的低應(yīng)力條件下，少量發(fā)生在100～150 kPa范圍內(nèi)，當上覆有效應(yīng)力超過150 kPa時，很少有液化發(fā)生。1964年Nigata地震（M=7.5）液化調(diào)查資料表明，當上覆有效應(yīng)力大于70 kPa時，砂層均未液化，當上覆有效應(yīng)力小于60 kPa時，砂層均發(fā)生液化［5］。1976年唐山地震（震級M=7.8級）陡河水庫壩址區(qū)（地震烈度為Ⅸ度強）震后噴水冒砂比較集中的地區(qū)和未噴水冒砂地區(qū)的地震液化調(diào)查資料表明，當砂層上覆有效應(yīng)力σ′v≥93 kPa時，砂層未液化，當砂層上覆有效應(yīng)力σ′v≤88 kPa時，砂

層均發(fā)生液化［5，7］。因此，地基砂土液化與應(yīng)力上覆有效應(yīng)力條件密切相關(guān)，液化砂層絕大多數(shù)都發(fā)生在低應(yīng)力條件下。

表1 以往地震中液化土層上覆有效應(yīng)力匯總表

5 室內(nèi)和原位試驗成果的判釋

圖3 液化砂層的上覆有效應(yīng)力統(tǒng)計

在土石壩工程領(lǐng)域，覆蓋層和大粒徑壩料工程性質(zhì)的測定，常采用在現(xiàn)場取散裝樣運至實驗室，并按密度（干密度或相對密度）控制重新制樣進行室內(nèi)模擬試驗的方法來確定。但對于覆蓋層來說，由于成因復(fù)雜，結(jié)構(gòu)性強，原位效應(yīng)顯著，難以取得真正意義上的原狀樣。因此，土石壩和地基工程領(lǐng)域日益傾向于采用原位試驗來獲得土體的工程力學(xué)性質(zhì)。而壩體或地基淺層原位現(xiàn)場試驗成果的判釋，離不開對低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)的把握。

在土工抗震領(lǐng)域，1 g下的土工結(jié)構(gòu)（如邊坡、渠道和土石壩等）振動臺模型試驗?zāi)壳耙廊皇橇私夂驮u價土工結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的安全性，以及研究其破壞形態(tài)及破壞機理的重要手段。但模型與原型除了尺寸上的顯著差別外，材料所處應(yīng)力狀態(tài)差異顯著是最根本的不同。要了解模型試驗成果在多大程度上能夠反映原型的性質(zhì)，不僅需要了解原型在實際的中、高應(yīng)力條件下的工程性質(zhì)，也需要把握低應(yīng)力條件下模型土石料的工程性質(zhì)。同時，目前大多數(shù)地震動力反應(yīng)計算程序的驗證，所依據(jù)的試驗手段依然主要是振動臺模型試驗，這種對計算程序的驗證所需的計算參數(shù)也應(yīng)與模型土石料的低應(yīng)力條件相匹配。

6 低應(yīng)力條件下巖土工程問題中的科學(xué)問題

從對土石料工程性質(zhì)的研究現(xiàn)狀來看，伴隨著高土石壩工程的建設(shè)，目前對土石料在中、高應(yīng)力條件下的工程性質(zhì)的研究資料很多，但對低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)的研究資料較少，且不同研究者對土石料在低應(yīng)力條件下的靜、動力強度和變形性質(zhì)的研究結(jié)論也不盡一致。如有關(guān)圍壓對內(nèi)摩擦角影響的問題，Ponce等［8］和Yoshikazu等［9］的研究表明，低圍壓下內(nèi)摩擦角隨圍壓的增大而顯著降低，而Tatsuoka等［10］和Agustian等［11］的研究表明，在100 kPa以內(nèi)的低圍壓下，圍壓對峰值內(nèi)摩擦角的影響很小，甚至可以忽略。Sayeed等［12］采用三維離散元程序?qū)α畈牧系难芯勘砻?，在約束應(yīng)力為5～20 kPa的范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角受約束應(yīng)力的影響很小；當約束應(yīng)力超過50 kPa時，內(nèi)摩擦角隨約束應(yīng)力的增大而降低。此外，不同研究者對低圍壓下，圍壓對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剪脹性的影響結(jié)論也不盡一致。這些有限的研究表明：高、中、低應(yīng)力條件下土石料的強度和應(yīng)力、應(yīng)變、剪脹性質(zhì)是不同的；低應(yīng)力下有關(guān)土石料強度和變形性質(zhì)的研究還很不充分，一些問題還未達成共識。

目前在處理工程問題時，通常只進行中、高應(yīng)力條件下的試驗，并據(jù)此確定數(shù)值計算中的計算參數(shù)。在數(shù)值計算中，目前基本上依據(jù)室內(nèi)中、高應(yīng)力下土的強度和變形試驗結(jié)果進行土工構(gòu)筑物和地基的變形與穩(wěn)定分析，對處于土工構(gòu)筑物表層或地基淺層的土體，也均以中、高應(yīng)力條件下獲得的試驗參數(shù)作為計算參數(shù)，這與實際應(yīng)力條件是不相符的。而高、低應(yīng)力應(yīng)變條件下土石料的強度和變形特性差異較大，因此這種取值方法的適用性存在疑慮。

因此，結(jié)合實際工程需求和研究現(xiàn)狀，對于低應(yīng)力條件下的巖土工程問題，應(yīng)著重開展低應(yīng)力條件下土石料工程力學(xué)性質(zhì)的試驗研究，研究土石料在低應(yīng)力條件下的靜、動力強度和變形特性，在此基礎(chǔ)上，研究能夠反映低應(yīng)力條件下土石料工程特點的本構(gòu)模型，為土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)土石料參數(shù)設(shè)計標準的選擇及數(shù)值分析中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)參數(shù)取值提供科學(xué)依據(jù)，這對土工構(gòu)筑物的設(shè)計和安全評價均具有重要的意義。

7 結(jié)語

實際工程中，未來月球資源開發(fā)、土工構(gòu)筑物淺層土體的變形和穩(wěn)定、地基地震液化，以及室內(nèi)和原位試驗成果的判釋等巖土工程問題均與低應(yīng)力條件密切相關(guān)。已有的研究表明，土工結(jié)構(gòu)如堤防和土石壩等的嚴重震害大多發(fā)生在100 kPa以內(nèi)的低應(yīng)力條件下；地基地震液化也大多發(fā)生在100 kPa以內(nèi)的低應(yīng)力條件下?，F(xiàn)有的研究多注重中、高應(yīng)力條件下的土石料工程性質(zhì)的研究，對低應(yīng)力條件下的土石料工程性質(zhì)研究較少，這與地基和土工構(gòu)筑物的破壞大多發(fā)生在100 kPa以下的低應(yīng)力條件不相適應(yīng)。

隨應(yīng)力條件的不同，土石料工程性質(zhì)通常具有強烈的非線性，中、高應(yīng)力條件下獲得的靜、動力強度特性、應(yīng)力應(yīng)變和剪脹特性，以及相關(guān)的經(jīng)驗關(guān)系對低應(yīng)力條件的適用性有待驗證。然而，在目前的實際應(yīng)用中，土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)土石料參數(shù)設(shè)計取值及數(shù)值計算參數(shù)取值通常與中、高應(yīng)力條件下試驗獲得的強度和變形參數(shù)一致，這種參數(shù)取值的適用性存在疑慮。

因此，有必要結(jié)合實際工程問題，對低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)開展系統(tǒng)的試驗研究，在此基礎(chǔ)上，研究能夠反映低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)特點的本構(gòu)模型，為土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)土石料參數(shù)設(shè)計標準的選擇及數(shù)值分析中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力區(qū)參數(shù)取值提供科學(xué)依據(jù)。

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Geotechnical problems under low confining stress conditions

YANG Yusheng，LIU Qiwang，WEN Yanfeng，LIU Xiaosheng，YANG Zhengquan
（State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Geotechnical problems under low confining pressure conditions were summarized，including the future development of lunar resources，deformation and stability of geotechnical structures in shallow soil，liquefaction of foundation soils，interpretation and application of laboratory and in-situ tests.In previous study，attention was paid only to the properties of soil-rock materials under high confining stress，and in applications the parameters of soil-rock materials under low confining stress were assigned in the same way as under medium to high confining stress；while the reliability of this parameter selection method was dis?putable，because the properties of soil-rock materials are seriously dependent on the stress.Therefore,rec?ommendations for studying on the static and dynamic engineering properties of soil-rock materials and estab?lishing constitutive models applicable to soils-rock materials under low confining stress were made to pro?vide scientific basis for design criteria selection of the soil-rock materials and corresponding parameters se?lection method in numerical simulation

low confining stress；geotechnical engineering problems；engineering properties of soil-rock ma?terials

TU375.4

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.002

1672-3031（2015）01-0009-05

（責任編輯：王學(xué)鳳）

2013-12-20

國家自然科學(xué)基金青年項目（51209234）；973計劃項目（2013CB036404）；中國水利院科研專項（GE0145B102014）

楊玉生（1980-），男，河南南陽人，博士，高級工程師，主要從事土工抗震研究。E-mail：yangysh@iwhr.com