低应力条件下的岩土工程问题

杨玉生，刘启旺，温彦锋，刘小生，杨正权

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

低应力条件下的岩土工程问题

杨玉生，刘启旺，温彦锋，刘小生，杨正权

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

结合实际工程建设需求，对工程建设和开发中涉及低应力条件的岩土工程问题进行系统的总结和分析，包括未来月球资源开发，土工构筑物浅层土体的变形和稳定，地基地震液化，室内和原位试验的判释和应用等。国内外目前的研究多关注土石料在中、高应力条件下的工程性质，对低应力条件下土石料工程性质研究很少且研究结论有相悖之处。在应用中低应力区的土石料计算参数取值通常与中、高应力条件下获得的强度和变形参数一致，而土石料的强度和变形性质对应力条件有很强的依赖性，不同应力条件下土石料的强度和变形特性可能差异较大，这种计算参数取值方法的适用性存在疑虑。建议对低应力条件下土石料静、动力工程性质开展系统的试验研究，在此基础上，研究能够反映低应力条件下土石料工程特点的本构模型，为土工结构低应力区土石料参数设计标准的选择及土工结构数值分析中低应力区材料参数取值提供科学依据。

低应力；岩土工程问题；土石料工程性质

1 研究背景

在水利水电工程建设中，涉及坝基覆盖层、堤防、边坡和土石坝等土工构筑物的工程众多。在工程实践中，对地基或土工构筑物，大多从抗滑稳定性、容许变形量和液化可能性来评价其安全性，这与材料的强度、变形和动力液化性质密切相关。但人们更多的关注中高应力状态下土石料的力学性质，以及中高应力状态下土石料计算参数的取值，而很少关注低应力状态下土石料性质和计算参数的取值。笔者检阅文献资料，自20世纪60年代以来，有关土石料在低应力状态下的性质的研究资料十分有限，低应力条件下土石料的工程性质研究是长期以来被忽视的问题。

从目前及未来的工程建设来看，有很多实际工程问题与土石料低应力状态下的性质密切相关，本文对低应力条件的岩土工程问题进行系统的总结，并对其中的科学问题进行了提炼。涉及低应力条件的岩土工程问题包括以下几个方面：（1）月球资源开发；（2）土工构筑物浅层土体的变形和稳定性，包括堤防和土石坝边坡以及列车振动作用下铁路碎石路基的变形和稳定等；（3）地基地震液化；（4）室内和原位试验成果的判释和应用，如坝体或地基浅层原位现场试验成果的判释，1 g条件下岩土工程问题的模型试验等。

2 月球资源开发

地外资源开发和利用是中国太空探测中重要的科学问题，月球是距离地球最近的天体，是人类进行太空探测的首选。我国目前正在开展嫦娥探月工程，嫦娥三号已于12月15日4时35分成功着陆月球，并发回月面图片（见图1所示）。图1所示为覆盖于月球表面的月壤［1］，月壤是月球探测的主要对象与载体，对月壤基本岩土力学性质的研究具有重要的科学意义和重大效益［2］。未来月球资源开发中，月面构筑物设计所需要解决的重点问题就是月壤的工程力学特性。但是由于特殊的成因条件，月壤具有独特的工程力学性质。且月球上重力加速度约为1.62 m/s2，月球引力仅相当于地球引力的1/ 6，月壤所处的应力条件普遍较低，因此，月球资源开发所面临的是低应力条件下的岩土工程问题。

3 土工构筑物浅层土体的变形和稳定

图1 嫦娥三号发回的月面照片

土石坝振动台模型试验表明，坝坡顶部和坝体表层是抗震的薄弱环节，其一般的破坏形式为坝坡土体的浅层滑动［3］。震害调查也表明，浅层滑坡是土坝、土堤和土石坝震害的主要表现形式之一［4］。因此堤防和土石坝的安全与与低应力下土的工程性质密切相关。

对实际工程中土石坝和堤防发生的震害实例分析来看，地震中发生滑坡等严重震害的堤防和土石坝，其滑坡深度一般不超过7 m，上覆有效应力一般不超过100 kPa［5］。如1975年海城地震（震级M=7.3级）中，石门土坝距震中33 km，地震中上游发生较大滑坡，坝高35 m以下普遍滑动，滑动面积达150 000 m2，体积3万m3，滑坡最大深度4.7 m［4］。1995年日本Kobe地震（震级M=7.1级）中，Kita⁃yama坝距震中33 km，坝址基岩加速度为0.3 g，地震引起坝体上游坡发生滑坡，滑坡体顶部在地震时库水位以下1.0～1.5 m，滑坡体长100 m（沿坝轴向），滑坡深度1.5～2 m，其上覆有效应力不超过50 kPa［6］。此外，我国正在开展的高铁建设，对路基的要求也越来越高，列车振动作用下碎石路基的变形和稳定等属于低应力条件下的往复荷载作用下的振动问题。

图2 石门土坝震害示意图［3］

4 地基液化

在以往的大地震中，严重的震害很多都与土体液化密切相关。在搜集整理历次大地震中的液化数据资料基础上，表1给出了以往地震中液化砂层上覆有效应力情况，图3给出了液化砂层中点上覆有效应力与中心点距地下水位深度图。

从表1和图3地震液化的震害调查资料来看，地基可液化层的液化大多发生在上覆有效应力不超过100 kPa的低应力条件下，少量发生在100～150 kPa范围内，当上覆有效应力超过150 kPa时，很少有液化发生。1964年Nigata地震（M=7.5）液化调查资料表明，当上覆有效应力大于70 kPa时，砂层均未液化，当上覆有效应力小于60 kPa时，砂层均发生液化［5］。1976年唐山地震（震级M=7.8级）陡河水库坝址区（地震烈度为Ⅸ度强）震后喷水冒砂比较集中的地区和未喷水冒砂地区的地震液化调查资料表明，当砂层上覆有效应力σ′v≥93 kPa时，砂层未液化，当砂层上覆有效应力σ′v≤88 kPa时，砂

层均发生液化［5，7］。因此，地基砂土液化与应力上覆有效应力条件密切相关，液化砂层绝大多数都发生在低应力条件下。

表1 以往地震中液化土层上覆有效应力汇总表

5 室内和原位试验成果的判释

图3 液化砂层的上覆有效应力统计

在土石坝工程领域，覆盖层和大粒径坝料工程性质的测定，常采用在现场取散装样运至实验室，并按密度（干密度或相对密度）控制重新制样进行室内模拟试验的方法来确定。但对于覆盖层来说，由于成因复杂，结构性强，原位效应显著，难以取得真正意义上的原状样。因此，土石坝和地基工程领域日益倾向于采用原位试验来获得土体的工程力学性质。而坝体或地基浅层原位现场试验成果的判释，离不开对低应力条件下土石料工程性质的把握。

在土工抗震领域，1 g下的土工结构（如边坡、渠道和土石坝等）振动台模型试验目前依然是了解和评价土工结构在地震荷载作用下的安全性，以及研究其破坏形态及破坏机理的重要手段。但模型与原型除了尺寸上的显著差别外，材料所处应力状态差异显著是最根本的不同。要了解模型试验成果在多大程度上能够反映原型的性质，不仅需要了解原型在实际的中、高应力条件下的工程性质，也需要把握低应力条件下模型土石料的工程性质。同时，目前大多数地震动力反应计算程序的验证，所依据的试验手段依然主要是振动台模型试验，这种对计算程序的验证所需的计算参数也应与模型土石料的低应力条件相匹配。

6 低应力条件下岩土工程问题中的科学问题

从对土石料工程性质的研究现状来看，伴随着高土石坝工程的建设，目前对土石料在中、高应力条件下的工程性质的研究资料很多，但对低应力条件下土石料工程性质的研究资料较少，且不同研究者对土石料在低应力条件下的静、动力强度和变形性质的研究结论也不尽一致。如有关围压对内摩擦角影响的问题，Ponce等［8］和Yoshikazu等［9］的研究表明，低围压下内摩擦角随围压的增大而显著降低，而Tatsuoka等［10］和Agustian等［11］的研究表明，在100 kPa以内的低围压下，围压对峰值内摩擦角的影响很小，甚至可以忽略。Sayeed等［12］采用三维离散元程序对粒状材料的研究表明，在约束应力为5～20 kPa的范围内，内摩擦角受约束应力的影响很小；当约束应力超过50 kPa时，内摩擦角随约束应力的增大而降低。此外，不同研究者对低围压下，围压对应力-应变关系和剪胀性的影响结论也不尽一致。这些有限的研究表明：高、中、低应力条件下土石料的强度和应力、应变、剪胀性质是不同的；低应力下有关土石料强度和变形性质的研究还很不充分，一些问题还未达成共识。

目前在处理工程问题时，通常只进行中、高应力条件下的试验，并据此确定数值计算中的计算参数。在数值计算中，目前基本上依据室内中、高应力下土的强度和变形试验结果进行土工构筑物和地基的变形与稳定分析，对处于土工构筑物表层或地基浅层的土体，也均以中、高应力条件下获得的试验参数作为计算参数，这与实际应力条件是不相符的。而高、低应力应变条件下土石料的强度和变形特性差异较大，因此这种取值方法的适用性存在疑虑。

因此，结合实际工程需求和研究现状，对于低应力条件下的岩土工程问题，应着重开展低应力条件下土石料工程力学性质的试验研究，研究土石料在低应力条件下的静、动力强度和变形特性，在此基础上，研究能够反映低应力条件下土石料工程特点的本构模型，为土工结构低应力区土石料参数设计标准的选择及数值分析中土工结构低应力区参数取值提供科学依据，这对土工构筑物的设计和安全评价均具有重要的意义。

7 结语

实际工程中，未来月球资源开发、土工构筑物浅层土体的变形和稳定、地基地震液化，以及室内和原位试验成果的判释等岩土工程问题均与低应力条件密切相关。已有的研究表明，土工结构如堤防和土石坝等的严重震害大多发生在100 kPa以内的低应力条件下；地基地震液化也大多发生在100 kPa以内的低应力条件下。现有的研究多注重中、高应力条件下的土石料工程性质的研究，对低应力条件下的土石料工程性质研究较少，这与地基和土工构筑物的破坏大多发生在100 kPa以下的低应力条件不相适应。

随应力条件的不同，土石料工程性质通常具有强烈的非线性，中、高应力条件下获得的静、动力强度特性、应力应变和剪胀特性，以及相关的经验关系对低应力条件的适用性有待验证。然而，在目前的实际应用中，土工结构低应力区土石料参数设计取值及数值计算参数取值通常与中、高应力条件下试验获得的强度和变形参数一致，这种参数取值的适用性存在疑虑。

因此，有必要结合实际工程问题，对低应力条件下土石料的工程性质开展系统的试验研究，在此基础上，研究能够反映低应力条件下土石料工程性质特点的本构模型，为土工结构低应力区土石料参数设计标准的选择及数值分析中土工结构低应力区参数取值提供科学依据。

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［ 2］ 刘军.欧阳自远回应“探月无意义”说：目光短浅［N/OL］.南方都市报，2013-12-15（2013-12-21）http：// news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/12/286296.shtm.

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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

（责任编辑：王学凤）

2013-12-20

国家自然科学基金青年项目（51209234）；973计划项目（2013CB036404）；中国水利院科研专项（GE0145B102014）

杨玉生（1980-），男，河南南阳人，博士，高级工程师，主要从事土工抗震研究。E-mail：yangysh@iwhr.com