覆蓋層土體和筑壩堆石料力學參數(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.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；2.水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京 100048）

1 研究背景

我國西部水利水電工程建設中，壩址區(qū)常有深厚覆蓋層發(fā)育，對地形條件適應性強的高土石壩成為西部水利水電開發(fā)中的主要壩型。對于覆蓋層上的高土石壩結構安全評價，一個方面是基于巖土試驗獲得的分析參數(shù)進行數(shù)值模擬，另一個方面是考慮原型結構的關鍵特性，進行模型試驗，兩者結合才能對復雜結構的性能進行更為全面和準確的評價[1]。但不論是數(shù)值模擬還是模型試驗，對土體工程力學參數(shù)進行準確測試是開展工作的基礎和前提。因此，巖土體力學參數(shù)測試是解決巖土工程工作的基礎性問題，也是影響工程設計的關鍵問題。

對于覆蓋層上的高土石壩建設，從土體工程力學參數(shù)測試的角度，主要存在兩個方面的問題。對于覆蓋層土體來說，由于地質(zhì)年代久遠，層次結構復雜，具有顯著的原位結構效應[2-9]，傳統(tǒng)的鉆探—取樣—室內(nèi)試驗的測試方法，難以準確測定覆蓋層土體的力學參數(shù)。此外，由于覆蓋層砂土或砂卵礫石層為無黏性土，原狀取樣困難，成本昂貴，且由于應力釋放、取樣擾動等的影響，實際上難以取得真正意義上的原狀樣。對于筑壩堆石料來說，以大噸位振動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配天然砂礫料，爆破堆石料最大粒徑達600～800 mm，甚至超過1 m，天然級配砂礫石料的最大粒徑往往也達到300～400 mm以上，而室內(nèi)試驗設備尺寸大多直徑僅為30 cm，能夠開展的試驗材料最大粒徑不能超過6 cm，試驗時需對原級配堆石料或砂礫料進行較大比例縮尺，嚴重改變了原級配堆石料和砂礫料的級配特征。嚴格意義上講，縮尺之后的堆石料與原級配堆石料已經(jīng)不是同一種材料，以縮尺料進行的室內(nèi)模擬測試結果難以反映原級配料的真實工程力學特性。

在水利水電工程勘探中，原位測試是了解覆蓋層土體分層和物理力學指標的關鍵技術手段。與鉆探—取樣—室內(nèi)試驗相比，原位測試能夠在土體保持天然結構、級配、天然含水及天然應力狀態(tài)下測定難以采取不擾動試樣的土層的相關工程特性參數(shù)，可以避免取樣過程應力釋放的影響。此外，原位測試的土體體積遠比室內(nèi)試樣大，因此其代表性也大。但不同原位測試有其各自的適用條件，且原位試驗無法控制周圍的應力場、排水條件等影響原位測試成果的相關因素，其主應力方向往往也與實際巖土工程問題中的主應力方向不一致。最關鍵的是原位測試的常規(guī)判釋方法僅能夠提供特定應力條件下的參數(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)場試驗均有局限性，單純依靠室內(nèi)試驗或現(xiàn)場試驗，均難以可靠確定用于覆蓋層地基和壩體安全評價的成套本構模型參數(shù)。在實際工程實踐中，一些研究者[10-16]對依據(jù)施工期或運行期監(jiān)測資料，采用反分析的方法確定覆蓋層地基和壩體堆石料的本構模型參數(shù)進行了研究探索，對于量大面廣的已建高土石壩，基于監(jiān)測資料的反饋分析評價土石壩的運行形態(tài)和安全狀況，是未來土石壩全生命周期安全評價和復核中的一項常態(tài)化工作。因此，反分析技術在覆蓋層地基和土石壩工程領域具有很高的實用價值和廣泛的應用前景。但基于施工期和運行期監(jiān)測資料的反分析參數(shù)更多的屬于后期驗證性質(zhì)，來不及用于指導當前的工程設計。

從1999年國電公司重點項目“深厚覆蓋層地基特性及處理技術”[17]開始，結合水利部“948創(chuàng)新項目”[18]、國家自然科學基金項目[19-20]開展了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗確定土體本構模型參數(shù)的方法研究，在覆蓋層土體和筑壩堆石料力學參數(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)場試驗確定土體工程力學特性參數(shù)的研究思路，為考慮覆蓋層土體原位結構效應和筑壩土石料尺寸效應確定其力學參數(shù)開辟了可行的新途徑，已成行業(yè)共識，被水工建筑抗震設計規(guī)范國標[21]和行標[22]采用，且也在水利學會團體標準[23]得到體現(xiàn)，部分成果已被列入水利先進實用技術推廣目錄重點推廣，目前已推廣應用于新疆卡拉貝利、阿爾塔什、玉龍喀什、尼雅和大石門等10余項國家重點建設的水利工程。

本文對考慮原位效應的覆蓋層土體和筑壩堆石料力學參數(shù)確定方法進行系統(tǒng)的總結，主要內(nèi)容包括：聯(lián)合室內(nèi)外試驗考慮原位結構效應，綜合確定覆蓋層土體的原位相對密度、鄧肯-張E-B模型參數(shù)、動力變形特性參數(shù)和動強度參數(shù)等；聯(lián)合室內(nèi)外試驗考慮尺寸效應確定高土石壩的填筑標準和鄧肯—張E-B模型參數(shù)。

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

覆蓋層上建設高土石壩，關鍵技術難題是如何應對地基變形的影響，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）對覆蓋層變形尤其敏感。這些結構的破壞，將使庫水直接作用在堆石材料上，導致滲透破壞，而產(chǎn)生嚴重后果。為了評價壩基覆蓋層、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)值計算分析和模型試驗兩種手段，但兩者都是建立在對覆蓋層地基砂礫石料及壩體堆石料工程力學特性參數(shù)可靠確定基礎上的，如何獲取和把握深厚覆蓋層力學特性就成為覆蓋層上建設高土石壩的關鍵技術難題。依托國家重大工程建設實踐，結合縱向應用基礎研究和技術開發(fā)項目，聯(lián)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位試驗，對深厚覆蓋層勘探和靜、動力工程特性測試技術和新的判釋方法進行了系統(tǒng)研究，開發(fā)了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，考慮覆蓋層土體原位結構效應，綜合確定土體靜、動力工程特性參數(shù)的方法和配套技術，并成功應用于包括察汗烏蘇、阿爾塔什、卡拉貝利等強震區(qū)高土石壩設計和安全論證。

2.1 覆蓋層的原位相對密度室內(nèi)外聯(lián)合確定方法提出了根據(jù)覆蓋層土體特點，選擇采用合適的原位測試方法，并聯(lián)合室內(nèi)模擬試驗，綜合確定覆蓋層原位相對密度的方法。包括以下步驟：（1）根據(jù)鉆孔勘探試驗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配；（2）根據(jù)不同土層的土性特點，進行現(xiàn)場原位試驗，確定不同土層能反映覆蓋層原位狀態(tài)的力學指標特征值；（3）基于室內(nèi)試驗確定重塑樣力學指標隨相對密度和應力條件的變化關系；（4）基于現(xiàn)場原位試驗確定的覆蓋層力學指標特征值，結合室內(nèi)試驗確定的重塑樣相應力學指標值隨相對密度和應力條件的變化關系曲線，確定土體的原位密度。

現(xiàn)場原位試驗包括波速試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗和大型貫入試驗等，根據(jù)覆蓋層土體的特點選擇不同的現(xiàn)場試驗，當覆蓋層土體為砂土時，可采用波速試驗、靜力觸探試驗或標準貫入試驗，當覆蓋層土體為砂卵礫石料時，可采用波速試驗或大型貫入試驗。比如對于砂土，可對砂土層進行標貫試驗或波速試驗，確定砂土層的代表性標貫擊數(shù)或剪切波速。采用室內(nèi)標貫試驗或剪切波速測試，研究不同試驗條件下標貫擊數(shù)或剪切波速與相對密度的關系，依據(jù)砂層原位測試的代表性標貫擊數(shù)或剪切波速，標定砂層原位相對密度。包括以下步驟：（1）對標貫試驗或現(xiàn)場剪切波速試驗結果，分別按土層類別進行標準有效應力（比如100 kPa）歸一化處理，統(tǒng)計分析得到平均值、標準差及分布規(guī)律；（2）在室內(nèi)研究不同級配和粒徑特征、制樣方法、固結時間、超固結比下，砂土標貫擊數(shù)或剪切波速隨相對密度的變化規(guī)律，依據(jù)現(xiàn)場標貫擊數(shù)或剪切波速試驗成果，標定砂層的原位相對密度。圖1給出了某工程覆蓋層砂土層依據(jù)標貫擊數(shù)預測相對密度與鉆孔測試相對密度的對比?？傮w上看，鉆孔測試相對密度比依據(jù)標貫試驗預測相對密度要低2%～3%，對于50 m以下部分的砂層，鉆孔實測相對密度比依據(jù)標貫試驗預測相對密度要低5%以上。由于鉆孔測試相對密度的結果也受到鉆孔原狀取樣擾動、應力釋放，土樣回彈等諸多因素的影響，鉆孔密度測試結果通常會小于原位實際相對密度。

圖1 依據(jù)標貫擊數(shù)計算相對密度與鉆孔測試相對密度與對比

2.2 覆蓋層的層次結構和剪切波速結構確定方法[24]利用多道瞬態(tài)面波勘測技術，結合少量鉆孔及單孔、跨孔等原位波速測試，對察汗烏蘇水電站工程覆蓋層地基進行了大面積的現(xiàn)場勘測；在獲取大量勘測資料的基礎上，對壩基覆蓋層的層次、厚度和分布狀況以及剪切波速結構進行了詳細的分析，有關成果可作為場地類別、土體類型劃分的依據(jù)，并為進一步研究覆蓋層的工程性狀提供豐富的基礎資料。

在總結國內(nèi)外有關瑞利波（R波）勘測技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上，從彈性波的傳播機理及基本方程出發(fā)，采用有限元—半無限元方法建立了水平均勻分層地基中瑞利波的特征方程，并對特征曲線的性質(zhì)及其影響因素進行了研究。在此基礎上，應用非線性優(yōu)化理論，開發(fā)了一套根據(jù)實測瑞利波特征曲線（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的計算機程序。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)變化的關系，能更真實地反映剪切波速的分層結構情況。圖2給出了察汗烏蘇水電站工程覆蓋層地基測試和分析的示例。

圖2 察汗烏蘇水電站地基覆蓋層波速測試應用示例

2.3 聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗的土體本構模型[25-26]充分考慮現(xiàn)場原位試驗能夠較為準確地反映出實際土料工程特性的多變性和復雜性，并且忠實于現(xiàn)場土體的原狀結構性，以及室內(nèi)試驗能夠利用現(xiàn)代高精度、高壓力的試驗設備，控制各種應力條件，對各類土料進行不同級配、不同密度、不同飽和度的試驗，獲得具有一定規(guī)律性的參數(shù)的特點，對聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗建立土體本構模型的方法進行了有益探討，取得以下進展。

（1）提出了一種新的土體靜力本構模式，根據(jù)現(xiàn)場實測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～應變比（Es/Emax～εa/εr）關系曲線，聯(lián)合確定原位土體的靜力應力應變關系，克服了鄧肯-張雙曲線模式的缺陷，能很好地描述試驗結果。

采用式（1）對圖3所示的歸一后的Es/Emax～εa/εr曲線進行描述：

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

將割線模量Es=（σ1-σ3）/εa代入式（1），有：

此時，切線模量Et為：

式（3）即為聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗的土體靜力本構模式。

（2）提出了一種新的土體動力本構模式，根據(jù)現(xiàn)場實測的Gmax及室內(nèi)得到的如圖4示例的歸一的動剪模量比隨剪應變衰減關系曲線（Gd/Gmax～γd/γr），聯(lián)合確定原位土體的動力應力應變關系，采用式（4）對如圖4所示G/Gmax～γ/γr曲線進行回歸擬合，適線效果相當好，說明該模式能很好地描述試驗結果。

圖3 察汗烏蘇砂礫料Es/Emax與εa/εr關系曲線

圖4 察汗烏蘇砂礫料G/Gmax與γa/γr關系曲線

式中α，β1和β2為擬合參數(shù)。

（3）提出土體的阻尼比λ與動應變γd的關系曲線，可用參考剪應變γr歸一，歸一化曲線λ～γd/γr受結構性、顆粒級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關系曲線

2.4 覆蓋層土體本構模型參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法[27-29]提出了聯(lián)合室內(nèi)模擬試驗和現(xiàn)場大型旁壓試驗，綜合確定土體本構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，研究土體合理的本構模型以及模型參數(shù)的變化規(guī)律；②根據(jù)研究對象選取適宜的現(xiàn)場原位試驗方法和技術，通過原位試驗獲得能夠比較真實反映實際土體受力變形特性的試驗數(shù)據(jù)；③采用合理的土體本構模型和有限元方法，建立反映現(xiàn)場原位試驗機理和受力變形特點的數(shù)值模擬方法，對原位試驗機理進行數(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)場實測的荷載-位移試驗曲線，進行土體本構模型參數(shù)的智能優(yōu)化反演。

如針對察汗烏蘇工程覆蓋層地基中砂礫石料及含礫中粗砂土體，進行了室內(nèi)模擬試驗及現(xiàn)場大型旁壓儀試驗。在對模型各參數(shù)敏感性分析的基礎上，以室內(nèi)試驗結果為初值，依據(jù)實際工程覆蓋層地基的旁壓試驗曲線，進行了鄧肯-張E-B模型參數(shù)的有限元反演分析；對實測旁壓曲線、室內(nèi)試驗參數(shù)計算的旁壓曲線及反演參數(shù)計算的旁壓曲線三者進行了比較分析，見圖6所示。結果表明，覆蓋層地基土體原位結構性的影響顯著，室內(nèi)試驗參數(shù)計算的曲線與實測曲線相差較大。

為了進一步評價反分析參數(shù)的合理性，分別采用室內(nèi)試驗參數(shù)和反分析參數(shù)，對察汗烏蘇面板堆石壩工程進行了三維有限元數(shù)值分析，將計算沉降與實際沉降監(jiān)測資料進行了對比，見圖7所示。結果表明，采用反分析參數(shù)獲得的覆蓋層沉降計算值與實際沉降監(jiān)測值十分接近，說明反分析參數(shù)能夠較好地反映覆蓋層的原位效應。

因此，室內(nèi)外聯(lián)合確定的本構模型參數(shù)較單純室內(nèi)試驗更能反映實際情況，考慮結構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構性及顆粒級配、尺寸等效應的影響，開辟了新的研究途徑。目前已在察汗烏蘇、蘇洼龍、ML水電工程等得到應用，且筆者提出的旁壓試驗的新的判釋方法已被寫入團體標準[23]。

圖6 37號孔（埋深38.1m，中粗砂）

2.5 覆蓋層土體動力變形特性參數(shù)的確定方法[30]研究了聯(lián)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，考慮原位結構效應確定深厚覆蓋層土體動力變形特性參數(shù)的方法。包括以下步驟：（1）對覆蓋層土體開展原位波速試驗，基于剪切波速確定覆蓋層土體最大動剪模量的壓力效應關系，根據(jù)覆蓋層土體現(xiàn)場剪切波速隨深度的變化，確定其壓力效應關系，進一步結合彈性波理論，確定覆蓋層土體最大動剪模量的壓力效應關系；（2）在室內(nèi)開展重塑樣在不同應力條件下的動力特性試驗，確定最大動剪模量的壓力效應關系，以及動剪切模量隨動剪應變的變化關系；（3）根據(jù)室內(nèi)試驗確定的最大動剪模量的壓力效應關系和現(xiàn)場波速試驗確定的最大動剪模量的壓力效應關系，確定考慮土體原位結構性的最大動剪模量參數(shù)；（4）根據(jù)最大動剪模量參數(shù)和動剪模量隨動剪應變的變化關系，考慮原位結構效應確定土體動剪模量隨剪應變的衰減曲線。圖8給出了考慮原位結構效應確定深厚覆蓋層土體的動力變形特性參數(shù)與室內(nèi)試驗參數(shù)的對比。

該方法的試驗基礎在于，室內(nèi)試驗確定的砂土歸一化動剪模量衰減曲線和阻尼比增長曲線受顆粒大小、級配和結構性的影響很小，因此室內(nèi)試驗結果可以較為接近的表征原位土體的相應變化曲線，而覆蓋層土體動力變形特性的原位結構效應則通過室內(nèi)外聯(lián)合確定的最大動剪模量Gmax來反映。

圖7 壩上0-040.00m處計算值與監(jiān)測值對比

圖8 考慮原位結構效應確定的動力變形特性參數(shù)與室內(nèi)試驗參數(shù)的對比

2.6 覆蓋層土體動強度參數(shù)的室內(nèi)外聯(lián)合確定方法[31]考慮原位結構效應確定深厚覆蓋層土體的動強度參數(shù)的方法，包括以下步驟：（1）基于現(xiàn)場試驗確定原位土體的動強度基準值，根據(jù)深厚覆蓋層土體的土性特點，對其開展現(xiàn)場原位測試，確定能反映覆蓋層原位結構效應的力學指標，再依據(jù)這些力學指標，基于已建立的經(jīng)震害資料檢驗的動強度確定公式或圖表，確定深厚覆蓋層土體原位條件下的動強度基準值；（2）基于室內(nèi)模擬試驗確定動強度參數(shù)在各影響因素下的修正參數(shù)，對深厚覆蓋層土體開展室內(nèi)模擬試驗，研究動強度隨震級、上覆有效應力、初始剪應力比的變化規(guī)律，確定震級修正系數(shù)、上覆有效應力校正系數(shù)和初始剪應力校正系數(shù)；（3）考慮原位結構效應確定覆蓋層土體的動強度參數(shù)，基于由現(xiàn)場試驗確定砂土的動強度基準值CRR和由室內(nèi)動三軸試驗確定的震級比例系數(shù)、上覆有效應力校正系數(shù)和初始剪應力校正系數(shù)，考慮原位結構效應確定深厚覆蓋層土體的動強度參數(shù)。

所依據(jù)的現(xiàn)場試驗包括靜力觸探試驗、標準貫入試驗、波速試驗和貝克貫入試驗，可根據(jù)覆蓋層的具體特點選擇不同的原位試驗類型，如覆蓋層為干凈砂土則可采用靜力觸探試驗、標準貫入試驗或波速試驗，覆蓋層為砂礫料時可采用波速試驗或大型貫入試驗。對應于不同現(xiàn)場原位試驗的動強度參數(shù)基準值的計算方法不同。圖9給出了考慮原位結構效應確定的動強度參數(shù)與室內(nèi)試驗確定的動強度參數(shù)對比。

圖9 考慮原位結構效應確定的動強度參數(shù)與室內(nèi)試驗確定的動強度參數(shù)對比

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

3.1 高土石壩填筑標準確定方法[32-34]高土石壩建設最為關鍵的問題是變形控制，包括大壩總體變形和關鍵部位不均勻變形控制和變形協(xié)調(diào)。堆石料力學特性極為復雜，不僅具有明顯的非線性、剪脹性、流變性及應力路徑相關性，還存在遇水濕化、高圍壓下材料破碎、長期劣變等更為復雜的特性，目前常用的本構模型難以完整、準確地描述堆石體的所有特性，大壩變形的計算理論和方法有待完善。另一方面，堆石材料試驗由于存在縮尺效應影響，試驗室內(nèi)獲得的材料參數(shù)與大壩堆石的真實參數(shù)有明顯差異。由于這些原因，目前還不能依靠數(shù)值計算方法來進行高土石壩的變形控制。土體的密實程度對其變形特性、強度特性、滲透特性和地震動力特性等均有重要影響。一般來講土體的密實程度越高，其所表現(xiàn)出來的工程特性越有利于土工構筑物的結構安全穩(wěn)定。尤其是對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度，壩體變形特性就可以可得到較好的控制。

對于以砂礫料作為筑壩材料的砂礫石壩，其設計填筑標準一般按相對密度進行控制，目前室內(nèi)相對密度試驗由于試驗設備尺寸限制，只能采用經(jīng)過縮尺處理的模擬級配材料進行試驗，試驗結果不能完全反映實際情況。特別是現(xiàn)在大型機械設備在水利工程上的廣泛應用，在工程質(zhì)量檢測中經(jīng)常出現(xiàn)相對密度大于100%的情況，說明原來的方法得到的最大干密度并不是真實的最大干密度。

在研究中采用直徑120 cm的密度桶，對原級配砂礫石筑壩材料，進行現(xiàn)場大型相對密度試驗：（1）采用料場風干砂礫料，按級配人工配料；（2）分別對設計平均線級配、上包線級配、下包線級配、上平均線級配、下平均線級配的5個不同礫石含量進行相對密度試驗；（3）根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗上料的級配情況，選擇級配補充相對密度試驗；（4）最后對試驗確定的最優(yōu)砂礫料含量進行校核試驗。目前該方法已經(jīng)應用于包括新疆卡拉貝利、新疆阿爾塔什、新疆大石門等實際工程。圖10給出了阿爾塔什水電站現(xiàn)場砂礫石原型級配料相對密度試驗結果。

圖10 阿爾塔什水電站現(xiàn)場砂礫石原型級料三因素相關圖

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]研究提出了對筑壩堆石料碾壓層進行大型載荷試驗，測得載荷試驗的荷載-位移關系曲線，基于智能優(yōu)化算法進行本構模型參數(shù)反分析，確定筑壩堆石料的本構模型參數(shù)的方法，目前筆者提出的載荷試驗的新的判釋方法已寫入團體標準[23]，已經(jīng)應用于包括青海公伯峽、新疆阿爾塔什等實際工程。

聯(lián)合室內(nèi)試驗和筑壩堆石料碾壓層大型載荷試驗反分析本構模型參數(shù)的方法如下：（1）對筑壩堆石料碾壓層開展載荷試驗，測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）將載荷試驗的荷載-位移曲線，作為反分析輸入的真實位移信息；（3）建立載荷試驗的數(shù)值模型，對實際載荷試驗過程進行數(shù)值模擬，計算各級荷載下的計算位移值；（4）根據(jù)具體的工程問題，進行本構模型參數(shù)對位移影響的敏感性分析，確定待反演參數(shù)；（5）進行適量的室內(nèi)試驗，測定土體的本構模型參數(shù)，并結合工程類比，確定待反演參數(shù)的初值范圍；（6）采用載荷試驗各級荷載下的計算位移值與相應的實測位移值，構建反演目標函數(shù)；（7）結合最優(yōu)化方法，進行反演分析?；谳d荷試驗的位移反分析過程就是尋找與載荷試驗實測位移值相比誤差最小的計算位移值所對應的本構模型參數(shù)的過程。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 結語

（1）覆蓋層土體和筑壩堆石料力學參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法，克服了原位試驗不能控制應力條件、排水條件等影響原位測試的相關因素，以及原位測試的常規(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，同時克服了室內(nèi)試驗難以考慮原位結構效應和反映原級配料的真實工程力學特性的缺點，從理論上得到的力學參數(shù)更切合實際。

（2）通過20多年的研究，在覆蓋層土體和筑壩堆石料力學參數(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)制樣控制標準、土石壩填筑標準、靜強度參數(shù)、靜力變形參數(shù)、動強度參數(shù)、動力變形特性參數(shù)和動力殘余變形特性參數(shù)等系統(tǒng)的方法和技術體系，能夠為室內(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、動力響應分析、動力穩(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參數(shù)室內(nèi)外聯(lián)合確定方法目前已應用于察汗烏蘇、阿爾塔什、卡拉貝利、玉龍喀什、九甸峽等10余項國家重大水利工程，為這些工程設計論證和安全評價起到了關鍵支撐作用。

研究和應用實踐表明，聯(lián)合現(xiàn)場試驗和室內(nèi)重塑樣試驗，進行土體工程力學參數(shù)的室內(nèi)外聯(lián)合確定，能夠較好的考慮原位結構效應確定深厚覆蓋層土體和考慮尺寸效應確定筑壩堆石料的工程力學參數(shù)。但目前相關的研究還需要進一步的深入和拓展，已有的研究成果也需要更多的試驗資料支持，其中也還有不少問題需要根據(jù)實際情況在未來的研究中進行修正、補充和完善。未來也有待于進一步根據(jù)要解決的工程問題，形成依據(jù)不同的土類，選擇合適的現(xiàn)場和室內(nèi)測試手段，給出配套的判釋方法，并進行應用效果驗證，進而對方法進行改進和完善。

致謝：國家重大工程建設項目需求為本項工作的持續(xù)開展和不斷完善提供了動力和激勵，也為成果應用提供了平臺；項目開展過程中得到了包括新疆自治區(qū)水利水電規(guī)劃設計管理局、新疆水利水電勘測設計研究院等，以及四川、青海等省區(qū)水利水電工程管理、設計和施工單位的支持和配合以及水利水電工程界同仁的關注和支持，也得到國家和部委各個層面基金項目的資助，在此一并表示衷心感謝！