覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法

楊玉生 ，劉小生，趙劍明 ，汪小剛 ，劉啟旺

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

我國(guó)西部水利水電工程建設(shè)中，壩址區(qū)常有深厚覆蓋層發(fā)育，對(duì)地形條件適應(yīng)性強(qiáng)的高土石壩成為西部水利水電開(kāi)發(fā)中的主要壩型。對(duì)于覆蓋層上的高土石壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，一個(gè)方面是基于巖土試驗(yàn)獲得的分析參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，另一個(gè)方面是考慮原型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性，進(jìn)行模型試驗(yàn)，兩者結(jié)合才能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行更為全面和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[1]。但不論是數(shù)值模擬還是模型試驗(yàn)，對(duì)土體工程力學(xué)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試是開(kāi)展工作的基礎(chǔ)和前提。因此，巖土體力學(xué)參數(shù)測(cè)試是解決巖土工程工作的基礎(chǔ)性問(wèn)題，也是影響工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

對(duì)于覆蓋層上的高土石壩建設(shè)，從土體工程力學(xué)參數(shù)測(cè)試的角度，主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題。對(duì)于覆蓋層土體來(lái)說(shuō)，由于地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有顯著的原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)[2-9]，傳統(tǒng)的鉆探—取樣—室內(nèi)試驗(yàn)的測(cè)試方法，難以準(zhǔn)確測(cè)定覆蓋層土體的力學(xué)參數(shù)。此外，由于覆蓋層砂土或砂卵礫石層為無(wú)黏性土，原狀取樣困難，成本昂貴，且由于應(yīng)力釋放、取樣擾動(dòng)等的影響，實(shí)際上難以取得真正意義上的原狀樣。對(duì)于筑壩堆石料來(lái)說(shuō)，以大噸位振動(dòng)碾碾壓施工的堆石壩工程，其主體填筑料大多采用爆破堆石料或原級(jí)配天然砂礫料，爆破堆石料最大粒徑達(dá)600～800 mm，甚至超過(guò)1 m，天然級(jí)配砂礫石料的最大粒徑往往也達(dá)到300～400 mm以上，而室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備尺寸大多直徑僅為30 cm，能夠開(kāi)展的試驗(yàn)材料最大粒徑不能超過(guò)6 cm，試驗(yàn)時(shí)需對(duì)原級(jí)配堆石料或砂礫料進(jìn)行較大比例縮尺，嚴(yán)重改變了原級(jí)配堆石料和砂礫料的級(jí)配特征。嚴(yán)格意義上講，縮尺之后的堆石料與原級(jí)配堆石料已經(jīng)不是同一種材料，以縮尺料進(jìn)行的室內(nèi)模擬測(cè)試結(jié)果難以反映原級(jí)配料的真實(shí)工程力學(xué)特性。

在水利水電工程勘探中，原位測(cè)試是了解覆蓋層土體分層和物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段。與鉆探—取樣—室內(nèi)試驗(yàn)相比，原位測(cè)試能夠在土體保持天然結(jié)構(gòu)、級(jí)配、天然含水及天然應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)定難以采取不擾動(dòng)試樣的土層的相關(guān)工程特性參數(shù)，可以避免取樣過(guò)程應(yīng)力釋放的影響。此外，原位測(cè)試的土體體積遠(yuǎn)比室內(nèi)試樣大，因此其代表性也大。但不同原位測(cè)試有其各自的適用條件，且原位試驗(yàn)無(wú)法控制周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)、排水條件等影響原位測(cè)試成果的相關(guān)因素，其主應(yīng)力方向往往也與實(shí)際巖土工程問(wèn)題中的主應(yīng)力方向不一致。最關(guān)鍵的是原位測(cè)試的常規(guī)判釋方法僅能夠提供特定應(yīng)力條件下的參數(shù)，難以提供用于覆蓋層地基和土石壩系統(tǒng)數(shù)值分析的成套參數(shù)。

因此，室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均有局限性，單純依靠室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均難以可靠確定用于覆蓋層地基和壩體安全評(píng)價(jià)的成套本構(gòu)模型參數(shù)。在實(shí)際工程實(shí)踐中，一些研究者[10-16]對(duì)依據(jù)施工期或運(yùn)行期監(jiān)測(cè)資料，采用反分析的方法確定覆蓋層地基和壩體堆石料的本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行了研究探索，對(duì)于量大面廣的已建高土石壩，基于監(jiān)測(cè)資料的反饋分析評(píng)價(jià)土石壩的運(yùn)行形態(tài)和安全狀況，是未來(lái)土石壩全生命周期安全評(píng)價(jià)和復(fù)核中的一項(xiàng)常態(tài)化工作。因此，反分析技術(shù)在覆蓋層地基和土石壩工程領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。但基于施工期和運(yùn)行期監(jiān)測(cè)資料的反分析參數(shù)更多的屬于后期驗(yàn)證性質(zhì)，來(lái)不及用于指導(dǎo)當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)。

從1999年國(guó)電公司重點(diǎn)項(xiàng)目“深厚覆蓋層地基特性及處理技術(shù)”[17]開(kāi)始，結(jié)合水利部“948創(chuàng)新項(xiàng)目”[18]、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目[19-20]開(kāi)展了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定土體本構(gòu)模型參數(shù)的方法研究，在覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法方面形成了系統(tǒng)的研究成果，所提出的聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定土體工程力學(xué)特性參數(shù)的研究思路，為考慮覆蓋層土體原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)和筑壩土石料尺寸效應(yīng)確定其力學(xué)參數(shù)開(kāi)辟了可行的新途徑，已成行業(yè)共識(shí)，被水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)標(biāo)[21]和行標(biāo)[22]采用，且也在水利學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[23]得到體現(xiàn)，部分成果已被列入水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)推廣目錄重點(diǎn)推廣，目前已推廣應(yīng)用于新疆卡拉貝利、阿爾塔什、玉龍喀什、尼雅和大石門(mén)等10余項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的水利工程。

本文對(duì)考慮原位效應(yīng)的覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)確定方法進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，主要內(nèi)容包括：聯(lián)合室內(nèi)外試驗(yàn)考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)，綜合確定覆蓋層土體的原位相對(duì)密度、鄧肯-張E-B模型參數(shù)、動(dòng)力變形特性參數(shù)和動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)等；聯(lián)合室內(nèi)外試驗(yàn)考慮尺寸效應(yīng)確定高土石壩的填筑標(biāo)準(zhǔn)和鄧肯—張E-B模型參數(shù)。

2 深厚覆蓋層土體力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法

覆蓋層上建設(shè)高土石壩，關(guān)鍵技術(shù)難題是如何應(yīng)對(duì)地基變形的影響，特別是其防滲系統(tǒng)（比如心墻堆石壩的心墻、灌漿廊道及防滲墻，混凝土面板壩的面板、周邊縫、趾板、連接板及防滲墻等）對(duì)覆蓋層變形尤其敏感。這些結(jié)構(gòu)的破壞，將使庫(kù)水直接作用在堆石材料上，導(dǎo)致滲透破壞，而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為了評(píng)價(jià)壩基覆蓋層、防滲系統(tǒng)及壩體等的工作性狀和安全性，了解防滲系統(tǒng)受地基變形的影響，目前主要采用數(shù)值計(jì)算分析和模型試驗(yàn)兩種手段，但兩者都是建立在對(duì)覆蓋層地基砂礫石料及壩體堆石料工程力學(xué)特性參數(shù)可靠確定基礎(chǔ)上的，如何獲取和把握深厚覆蓋層力學(xué)特性就成為覆蓋層上建設(shè)高土石壩的關(guān)鍵技術(shù)難題。依托國(guó)家重大工程建設(shè)實(shí)踐，結(jié)合縱向應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，聯(lián)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，對(duì)深厚覆蓋層勘探和靜、動(dòng)力工程特性測(cè)試技術(shù)和新的判釋方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，考慮覆蓋層土體原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)，綜合確定土體靜、動(dòng)力工程特性參數(shù)的方法和配套技術(shù)，并成功應(yīng)用于包括察汗烏蘇、阿爾塔什、卡拉貝利等強(qiáng)震區(qū)高土石壩設(shè)計(jì)和安全論證。

2.1 覆蓋層的原位相對(duì)密度室內(nèi)外聯(lián)合確定方法提出了根據(jù)覆蓋層土體特點(diǎn)，選擇采用合適的原位測(cè)試方法，并聯(lián)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)，綜合確定覆蓋層原位相對(duì)密度的方法。包括以下步驟：（1）根據(jù)鉆孔勘探試驗(yàn)確定覆蓋層土體沿覆蓋層深度方向的分層分布情況及其代表性級(jí)配；（2）根據(jù)不同土層的土性特點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，確定不同土層能反映覆蓋層原位狀態(tài)的力學(xué)指標(biāo)特征值；（3）基于室內(nèi)試驗(yàn)確定重塑樣力學(xué)指標(biāo)隨相對(duì)密度和應(yīng)力條件的變化關(guān)系；（4）基于現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定的覆蓋層力學(xué)指標(biāo)特征值，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定的重塑樣相應(yīng)力學(xué)指標(biāo)值隨相對(duì)密度和應(yīng)力條件的變化關(guān)系曲線，確定土體的原位密度。

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)包括波速試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和大型貫入試驗(yàn)等，根據(jù)覆蓋層土體的特點(diǎn)選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)覆蓋層土體為砂土?xí)r，可采用波速試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，當(dāng)覆蓋層土體為砂卵礫石料時(shí)，可采用波速試驗(yàn)或大型貫入試驗(yàn)。比如對(duì)于砂土，可對(duì)砂土層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)或波速試驗(yàn)，確定砂土層的代表性標(biāo)貫擊數(shù)或剪切波速。采用室內(nèi)標(biāo)貫試驗(yàn)或剪切波速測(cè)試，研究不同試驗(yàn)條件下標(biāo)貫擊數(shù)或剪切波速與相對(duì)密度的關(guān)系，依據(jù)砂層原位測(cè)試的代表性標(biāo)貫擊數(shù)或剪切波速，標(biāo)定砂層原位相對(duì)密度。包括以下步驟：（1）對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)剪切波速試驗(yàn)結(jié)果，分別按土層類別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)有效應(yīng)力（比如100 kPa）歸一化處理，統(tǒng)計(jì)分析得到平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及分布規(guī)律；（2）在室內(nèi)研究不同級(jí)配和粒徑特征、制樣方法、固結(jié)時(shí)間、超固結(jié)比下，砂土標(biāo)貫擊數(shù)或剪切波速隨相對(duì)密度的變化規(guī)律，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫擊數(shù)或剪切波速試驗(yàn)成果，標(biāo)定砂層的原位相對(duì)密度。圖1給出了某工程覆蓋層砂土層依據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)預(yù)測(cè)相對(duì)密度與鉆孔測(cè)試相對(duì)密度的對(duì)比?？傮w上看，鉆孔測(cè)試相對(duì)密度比依據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)預(yù)測(cè)相對(duì)密度要低2%～3%，對(duì)于50 m以下部分的砂層，鉆孔實(shí)測(cè)相對(duì)密度比依據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)預(yù)測(cè)相對(duì)密度要低5%以上。由于鉆孔測(cè)試相對(duì)密度的結(jié)果也受到鉆孔原狀取樣擾動(dòng)、應(yīng)力釋放，土樣回彈等諸多因素的影響，鉆孔密度測(cè)試結(jié)果通常會(huì)小于原位實(shí)際相對(duì)密度。

圖1 依據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)計(jì)算相對(duì)密度與鉆孔測(cè)試相對(duì)密度與對(duì)比

2.2 覆蓋層的層次結(jié)構(gòu)和剪切波速結(jié)構(gòu)確定方法[24]利用多道瞬態(tài)面波勘測(cè)技術(shù)，結(jié)合少量鉆孔及單孔、跨孔等原位波速測(cè)試，對(duì)察汗烏蘇水電站工程覆蓋層地基進(jìn)行了大面積的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)；在獲取大量勘測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)壩基覆蓋層的層次、厚度和分布狀況以及剪切波速結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，有關(guān)成果可作為場(chǎng)地類別、土體類型劃分的依據(jù)，并為進(jìn)一步研究覆蓋層的工程性狀提供豐富的基礎(chǔ)資料。

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)瑞利波（R波）勘測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，從彈性波的傳播機(jī)理及基本方程出發(fā)，采用有限元—半無(wú)限元方法建立了水平均勻分層地基中瑞利波的特征方程，并對(duì)特征曲線的性質(zhì)及其影響因素進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用非線性優(yōu)化理論，開(kāi)發(fā)了一套根據(jù)實(shí)測(cè)瑞利波特征曲線（即瑞利波頻率彌散曲線）反演地基各土層剪切波速的分析方法和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。在分析方法中首次考慮了同一土層中剪切波速隨土層埋深連續(xù)變化的關(guān)系，能更真實(shí)地反映剪切波速的分層結(jié)構(gòu)情況。圖2給出了察汗烏蘇水電站工程覆蓋層地基測(cè)試和分析的示例。

圖2 察汗烏蘇水電站地基覆蓋層波速測(cè)試應(yīng)用示例

2.3 聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的土體本構(gòu)模型[25-26]充分考慮現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地反映出實(shí)際土料工程特性的多變性和復(fù)雜性，并且忠實(shí)于現(xiàn)場(chǎng)土體的原狀結(jié)構(gòu)性，以及室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚶矛F(xiàn)代高精度、高壓力的試驗(yàn)設(shè)備，控制各種應(yīng)力條件，對(duì)各類土料進(jìn)行不同級(jí)配、不同密度、不同飽和度的試驗(yàn)，獲得具有一定規(guī)律性的參數(shù)的特點(diǎn)，對(duì)聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立土體本構(gòu)模型的方法進(jìn)行了有益探討，取得以下進(jìn)展。

（1）提出了一種新的土體靜力本構(gòu)模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土體的最大彈性模量Emax和室內(nèi)得到的歸一的彈性模量比～應(yīng)變比（Es/Emax～εa/εr）關(guān)系曲線，聯(lián)合確定原位土體的靜力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，克服了鄧肯-張雙曲線模式的缺陷，能很好地描述試驗(yàn)結(jié)果。

采用式（1）對(duì)圖3所示的歸一后的Es/Emax～εa/εr曲線進(jìn)行描述：

式中a、b1、b2為擬合參數(shù)。圖3給出了試驗(yàn)結(jié)果與式（1）的擬合情況，可見(jiàn)擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果適線很好。

將割線模量Es=（σ1-σ3）/εa代入式（1），有：

此時(shí)，切線模量Et為：

式（3）即為聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的土體靜力本構(gòu)模式。

（2）提出了一種新的土體動(dòng)力本構(gòu)模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的Gmax及室內(nèi)得到的如圖4示例的歸一的動(dòng)剪模量比隨剪應(yīng)變衰減關(guān)系曲線（Gd/Gmax～γd/γr），聯(lián)合確定原位土體的動(dòng)力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用式（4）對(duì)如圖4所示G/Gmax～γ/γr曲線進(jìn)行回歸擬合，適線效果相當(dāng)好，說(shuō)明該模式能很好地描述試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 察汗烏蘇砂礫料Es/Emax與εa/εr關(guān)系曲線

圖4 察汗烏蘇砂礫料G/Gmax與γa/γr關(guān)系曲線

式中α，β1和β2為擬合參數(shù)。

（3）提出土體的阻尼比λ與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)胐的關(guān)系曲線，可用參考剪應(yīng)變?chǔ)胷歸一，歸一化曲線λ～γd/γr受結(jié)構(gòu)性、顆粒級(jí)配及尺寸等因素的影響很小，室內(nèi)得到如圖5示例的λ～γd/γr曲線能可靠地反映實(shí)際土體的阻尼特性，引入Fredlund的土水特性曲線，采用式（5）描述λ～γ/γr關(guān)系。

式中A、α、β1、β2為擬合參數(shù)。

圖5 察汗烏蘇砂礫料λ與γa/γr關(guān)系曲線

2.4 覆蓋層土體本構(gòu)模型參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法[27-29]提出了聯(lián)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大型旁壓試驗(yàn)，綜合確定土體本構(gòu)模型和確定模型參數(shù)的新方法，主要包括：①以室內(nèi)控制條件下的模擬試驗(yàn)，研究土體合理的本構(gòu)模型以及模型參數(shù)的變化規(guī)律；②根據(jù)研究對(duì)象選取適宜的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)方法和技術(shù)，通過(guò)原位試驗(yàn)獲得能夠比較真實(shí)反映實(shí)際土體受力變形特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；③采用合理的土體本構(gòu)模型和有限元方法，建立反映現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)機(jī)理和受力變形特點(diǎn)的數(shù)值模擬方法，對(duì)原位試驗(yàn)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬；④采用阻尼最小二乘法非線性優(yōu)化理論、遺傳算法或和聲算法，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的荷載-位移試驗(yàn)曲線，進(jìn)行土體本構(gòu)模型參數(shù)的智能優(yōu)化反演。

如針對(duì)察汗烏蘇工程覆蓋層地基中砂礫石料及含礫中粗砂土體，進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)大型旁壓儀試驗(yàn)。在對(duì)模型各參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上，以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為初值，依據(jù)實(shí)際工程覆蓋層地基的旁壓試驗(yàn)曲線，進(jìn)行了鄧肯-張E-B模型參數(shù)的有限元反演分析；對(duì)實(shí)測(cè)旁壓曲線、室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算的旁壓曲線及反演參數(shù)計(jì)算的旁壓曲線三者進(jìn)行了比較分析，見(jiàn)圖6所示。結(jié)果表明，覆蓋層地基土體原位結(jié)構(gòu)性的影響顯著，室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算的曲線與實(shí)測(cè)曲線相差較大。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)反分析參數(shù)的合理性，分別采用室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)和反分析參數(shù)，對(duì)察汗烏蘇面板堆石壩工程進(jìn)行了三維有限元數(shù)值分析，將計(jì)算沉降與實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖7所示。結(jié)果表明，采用反分析參數(shù)獲得的覆蓋層沉降計(jì)算值與實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)值十分接近，說(shuō)明反分析參數(shù)能夠較好地反映覆蓋層的原位效應(yīng)。

因此，室內(nèi)外聯(lián)合確定的本構(gòu)模型參數(shù)較單純室內(nèi)試驗(yàn)更能反映實(shí)際情況，考慮結(jié)構(gòu)性的影響有重要工程意義。該方法為考慮覆蓋層土體的原位結(jié)構(gòu)性及顆粒級(jí)配、尺寸等效應(yīng)的影響，開(kāi)辟了新的研究途徑。目前已在察汗烏蘇、蘇洼龍、ML水電工程等得到應(yīng)用，且筆者提出的旁壓試驗(yàn)的新的判釋方法已被寫(xiě)入團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[23]。

圖6 37號(hào)孔（埋深38.1m，中粗砂）

2.5 覆蓋層土體動(dòng)力變形特性參數(shù)的確定方法[30]研究了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定深厚覆蓋層土體動(dòng)力變形特性參數(shù)的方法。包括以下步驟：（1）對(duì)覆蓋層土體開(kāi)展原位波速試驗(yàn)，基于剪切波速確定覆蓋層土體最大動(dòng)剪模量的壓力效應(yīng)關(guān)系，根據(jù)覆蓋層土體現(xiàn)場(chǎng)剪切波速隨深度的變化，確定其壓力效應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合彈性波理論，確定覆蓋層土體最大動(dòng)剪模量的壓力效應(yīng)關(guān)系；（2）在室內(nèi)開(kāi)展重塑樣在不同應(yīng)力條件下的動(dòng)力特性試驗(yàn)，確定最大動(dòng)剪模量的壓力效應(yīng)關(guān)系，以及動(dòng)剪切模量隨動(dòng)剪應(yīng)變的變化關(guān)系；（3）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定的最大動(dòng)剪模量的壓力效應(yīng)關(guān)系和現(xiàn)場(chǎng)波速試驗(yàn)確定的最大動(dòng)剪模量的壓力效應(yīng)關(guān)系，確定考慮土體原位結(jié)構(gòu)性的最大動(dòng)剪模量參數(shù)；（4）根據(jù)最大動(dòng)剪模量參數(shù)和動(dòng)剪模量隨動(dòng)剪應(yīng)變的變化關(guān)系，考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定土體動(dòng)剪模量隨剪應(yīng)變的衰減曲線。圖8給出了考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定深厚覆蓋層土體的動(dòng)力變形特性參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比。

該方法的試驗(yàn)基礎(chǔ)在于，室內(nèi)試驗(yàn)確定的砂土歸一化動(dòng)剪模量衰減曲線和阻尼比增長(zhǎng)曲線受顆粒大小、級(jí)配和結(jié)構(gòu)性的影響很小，因此室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以較為接近的表征原位土體的相應(yīng)變化曲線，而覆蓋層土體動(dòng)力變形特性的原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)則通過(guò)室內(nèi)外聯(lián)合確定的最大動(dòng)剪模量Gmax來(lái)反映。

圖7 壩上0-040.00m處計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

圖8 考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定的動(dòng)力變形特性參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比

2.6 覆蓋層土體動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的室內(nèi)外聯(lián)合確定方法[31]考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定深厚覆蓋層土體的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的方法，包括以下步驟：（1）基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定原位土體的動(dòng)強(qiáng)度基準(zhǔn)值，根據(jù)深厚覆蓋層土體的土性特點(diǎn)，對(duì)其開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，確定能反映覆蓋層原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，再依據(jù)這些力學(xué)指標(biāo)，基于已建立的經(jīng)震害資料檢驗(yàn)的動(dòng)強(qiáng)度確定公式或圖表，確定深厚覆蓋層土體原位條件下的動(dòng)強(qiáng)度基準(zhǔn)值；（2）基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)確定動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)在各影響因素下的修正參數(shù)，對(duì)深厚覆蓋層土體開(kāi)展室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究動(dòng)強(qiáng)度隨震級(jí)、上覆有效應(yīng)力、初始剪應(yīng)力比的變化規(guī)律，確定震級(jí)修正系數(shù)、上覆有效應(yīng)力校正系數(shù)和初始剪應(yīng)力校正系數(shù)；（3）考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定覆蓋層土體的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，基于由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定砂土的動(dòng)強(qiáng)度基準(zhǔn)值CRR和由室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)確定的震級(jí)比例系數(shù)、上覆有效應(yīng)力校正系數(shù)和初始剪應(yīng)力校正系數(shù)，考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定深厚覆蓋層土體的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)。

所依據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)包括靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、波速試驗(yàn)和貝克貫入試驗(yàn)，可根據(jù)覆蓋層的具體特點(diǎn)選擇不同的原位試驗(yàn)類型，如覆蓋層為干凈砂土則可采用靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或波速試驗(yàn)，覆蓋層為砂礫料時(shí)可采用波速試驗(yàn)或大型貫入試驗(yàn)。對(duì)應(yīng)于不同現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)基準(zhǔn)值的計(jì)算方法不同。圖9給出了考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)確定的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比。

圖9 考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)確定的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

3 筑壩堆石料力學(xué)特性參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法

3.1 高土石壩填筑標(biāo)準(zhǔn)確定方法[32-34]高土石壩建設(shè)最為關(guān)鍵的問(wèn)題是變形控制，包括大壩總體變形和關(guān)鍵部位不均勻變形控制和變形協(xié)調(diào)。堆石料力學(xué)特性極為復(fù)雜，不僅具有明顯的非線性、剪脹性、流變性及應(yīng)力路徑相關(guān)性，還存在遇水濕化、高圍壓下材料破碎、長(zhǎng)期劣變等更為復(fù)雜的特性，目前常用的本構(gòu)模型難以完整、準(zhǔn)確地描述堆石體的所有特性，大壩變形的計(jì)算理論和方法有待完善。另一方面，堆石材料試驗(yàn)由于存在縮尺效應(yīng)影響，試驗(yàn)室內(nèi)獲得的材料參數(shù)與大壩堆石的真實(shí)參數(shù)有明顯差異。由于這些原因，目前還不能依靠數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行高土石壩的變形控制。土體的密實(shí)程度對(duì)其變形特性、強(qiáng)度特性、滲透特性和地震動(dòng)力特性等均有重要影響。一般來(lái)講土體的密實(shí)程度越高，其所表現(xiàn)出來(lái)的工程特性越有利于土工構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。尤其是對(duì)于壩體變形這一高面板安全的控制性條件，控制好壩體的填筑密實(shí)度，壩體變形特性就可以可得到較好的控制。

對(duì)于以砂礫料作為筑壩材料的砂礫石壩，其設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)一般按相對(duì)密度進(jìn)行控制，目前室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)由于試驗(yàn)設(shè)備尺寸限制，只能采用經(jīng)過(guò)縮尺處理的模擬級(jí)配材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映實(shí)際情況。特別是現(xiàn)在大型機(jī)械設(shè)備在水利工程上的廣泛應(yīng)用，在工程質(zhì)量檢測(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)密度大于100%的情況，說(shuō)明原來(lái)的方法得到的最大干密度并不是真實(shí)的最大干密度。

在研究中采用直徑120 cm的密度桶，對(duì)原級(jí)配砂礫石筑壩材料，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大型相對(duì)密度試驗(yàn)：（1）采用料場(chǎng)風(fēng)干砂礫料，按級(jí)配人工配料；（2）分別對(duì)設(shè)計(jì)平均線級(jí)配、上包線級(jí)配、下包線級(jí)配、上平均線級(jí)配、下平均線級(jí)配的5個(gè)不同礫石含量進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)；（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)上料的級(jí)配情況，選擇級(jí)配補(bǔ)充相對(duì)密度試驗(yàn)；（4）最后對(duì)試驗(yàn)確定的最優(yōu)砂礫料含量進(jìn)行校核試驗(yàn)。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用于包括新疆卡拉貝利、新疆阿爾塔什、新疆大石門(mén)等實(shí)際工程。圖10給出了阿爾塔什水電站現(xiàn)場(chǎng)砂礫石原型級(jí)配料相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果。

圖10 阿爾塔什水電站現(xiàn)場(chǎng)砂礫石原型級(jí)料三因素相關(guān)圖

3.2 筑壩堆石料鄧肯-張E-B模型參數(shù)的室內(nèi)外聯(lián)合確定方法[19]研究提出了對(duì)筑壩堆石料碾壓層進(jìn)行大型載荷試驗(yàn)，測(cè)得載荷試驗(yàn)的荷載-位移關(guān)系曲線，基于智能優(yōu)化算法進(jìn)行本構(gòu)模型參數(shù)反分析，確定筑壩堆石料的本構(gòu)模型參數(shù)的方法，目前筆者提出的載荷試驗(yàn)的新的判釋方法已寫(xiě)入團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[23]，已經(jīng)應(yīng)用于包括青海公伯峽、新疆阿爾塔什等實(shí)際工程。

聯(lián)合室內(nèi)試驗(yàn)和筑壩堆石料碾壓層大型載荷試驗(yàn)反分析本構(gòu)模型參數(shù)的方法如下：（1）對(duì)筑壩堆石料碾壓層開(kāi)展載荷試驗(yàn)，測(cè)得承壓板底部和碾壓層內(nèi)不同深度部位的的荷載-位移曲線；（2）將載荷試驗(yàn)的荷載-位移曲線，作為反分析輸入的真實(shí)位移信息；（3）建立載荷試驗(yàn)的數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際載荷試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算各級(jí)荷載下的計(jì)算位移值；（4）根據(jù)具體的工程問(wèn)題，進(jìn)行本構(gòu)模型參數(shù)對(duì)位移影響的敏感性分析，確定待反演參數(shù)；（5）進(jìn)行適量的室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定土體的本構(gòu)模型參數(shù)，并結(jié)合工程類比，確定待反演參數(shù)的初值范圍；（6）采用載荷試驗(yàn)各級(jí)荷載下的計(jì)算位移值與相應(yīng)的實(shí)測(cè)位移值，構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù)；（7）結(jié)合最優(yōu)化方法，進(jìn)行反演分析?；谳d荷試驗(yàn)的位移反分析過(guò)程就是尋找與載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)位移值相比誤差最小的計(jì)算位移值所對(duì)應(yīng)的本構(gòu)模型參數(shù)的過(guò)程。表1給出了某工程壩料反演k、n值。

表1 某工程壩料反演參數(shù)值

4 結(jié)語(yǔ)

（1）覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法，克服了原位試驗(yàn)不能控制應(yīng)力條件、排水條件等影響原位測(cè)試的相關(guān)因素，以及原位測(cè)試的常規(guī)判釋方法難以提供用于數(shù)值分析的成套參數(shù)的缺點(diǎn)，同時(shí)克服了室內(nèi)試驗(yàn)難以考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)和反映原級(jí)配料的真實(shí)工程力學(xué)特性的缺點(diǎn)，從理論上得到的力學(xué)參數(shù)更切合實(shí)際。

（2）通過(guò)20多年的研究，在覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法方面，已經(jīng)形成了涵蓋土體室內(nèi)制樣控制標(biāo)準(zhǔn)、土石壩填筑標(biāo)準(zhǔn)、靜強(qiáng)度參數(shù)、靜力變形參數(shù)、動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)、動(dòng)力變形特性參數(shù)和動(dòng)力殘余變形特性參數(shù)等系統(tǒng)的方法和技術(shù)體系，能夠?yàn)槭覂?nèi)制樣控制、土石壩填筑質(zhì)量控制、靜力穩(wěn)定和變形分析、動(dòng)力響應(yīng)分析、動(dòng)力穩(wěn)定和殘余變形分析提供全套參數(shù)。

（3）覆蓋層土體和筑壩堆石料力學(xué)參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法目前已應(yīng)用于察汗烏蘇、阿爾塔什、卡拉貝利、玉龍喀什、九甸峽等10余項(xiàng)國(guó)家重大水利工程，為這些工程設(shè)計(jì)論證和安全評(píng)價(jià)起到了關(guān)鍵支撐作用。

研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)重塑樣試驗(yàn)，進(jìn)行土體工程力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)外聯(lián)合確定，能夠較好的考慮原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)確定深厚覆蓋層土體和考慮尺寸效應(yīng)確定筑壩堆石料的工程力學(xué)參數(shù)。但目前相關(guān)的研究還需要進(jìn)一步的深入和拓展，已有的研究成果也需要更多的試驗(yàn)資料支持，其中也還有不少問(wèn)題需要根據(jù)實(shí)際情況在未來(lái)的研究中進(jìn)行修正、補(bǔ)充和完善。未來(lái)也有待于進(jìn)一步根據(jù)要解決的工程問(wèn)題，形成依據(jù)不同的土類，選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)試手段，給出配套的判釋方法，并進(jìn)行應(yīng)用效果驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。

致謝：國(guó)家重大工程建設(shè)項(xiàng)目需求為本項(xiàng)工作的持續(xù)開(kāi)展和不斷完善提供了動(dòng)力和激勵(lì)，也為成果應(yīng)用提供了平臺(tái)；項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中得到了包括新疆自治區(qū)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局、新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等，以及四川、青海等省區(qū)水利水電工程管理、設(shè)計(jì)和施工單位的支持和配合以及水利水電工程界同仁的關(guān)注和支持，也得到國(guó)家和部委各個(gè)層面基金項(xiàng)目的資助，在此一并表示衷心感謝！