中美水电标准岩体及结构面力学参数取值方法对比研究

郭维祥，钟国华

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

随着国内各水电勘察设计研究院逐渐走出国门，水电勘测设计企业进入了一个激烈竞争的国际性市场。在涉外水电工程勘测设计过程中，不可避免地遇到各种类型的基础参数取值问题，其中，岩体及结构面力学参数取值合理性涉及到大坝的稳定性和经济性，国外政府主管部门及项目咨询机构特别关注。历史以来，中美两国均沿袭各自的技术脉络，发展并形成了各自成熟的水电工程勘察设计技术体系，在岩体及结构面参数取值方法上也各自取得了从试验、参数取值到工程应用的成功经验，对其进行对比研究[1]，可以较好地了解国外水电工程中地质勘察的理念和要求，找出中美水电标准岩体及结构面力学参数取值方法的差异，为我国水电勘测设计企业顺利进入国际市场提供技术支撑。

1 试验方法的主要差异

通过典型试验方法对比可知，中美试验标准[2]在试验尺寸、施加荷载、位移观测、成果整理等方面或多或少存在差异。在国外工程试验成果分析应用时，要对试验采用标准与相关规定进行对比分析，科学合理地选取试验成果统计分析值。

1.1 岩块单轴抗压强度试验

美国标准ASTM D 7012—07是关于岩块单轴抗压强度、单轴压缩变形、三轴试验的试验标准，3种试验均在三轴试验机上完成，其试验成果反映三轴状态下的强度值。当围压为0时，可获得岩块的单轴抗压强度。我国标准针对以上3项试验分别有不同的试验设备和试验程序。在具体进行岩块单轴抗压强度试验时，中美两国采用的岩样尺寸基本一致。因此，采用美国试验标准进行围压为0时获得的岩块单轴抗压强度与我国试验标准具有可对比性，具体试验成果应用时应注意相应试验条件的对比。

1.2 岩块直剪试验

我国标准要求试件呈立方体或圆柱体，边长或直径不宜小于150 mm；美国标准则可以为任意不规则试件，最小样本尺寸应不小于岩体中最大晶体尺寸的10倍，同时剪切面不应小于1 900 mm2(相当于立方体边长45 mm，圆柱直径50 mm)。具体试验过程、成果整理方面中美标准基本一致。相较而言，我国标准试件尺寸更大，代表性更好，试验成果更准确可靠。对岩石结构面中含有充填物的直剪试验，我国标准要求试验过程中采用的最大法向应力以不挤出充填物为宜，美国标准对此未提及。

1.3 岩体变形试验

中美标准的岩体变形试验主要差异在变形测试系统方面。我国标准只测预定承压面的变形，美国标准则要求同时测定两端承压面的变形，即既要测定预定承压面变形，也要测定预定反力面岩体变形，相应岩体变形模量值较我国标准计算值略偏小。

1.4 岩体强度试验

我国标准的岩体强度试验有混凝土/岩体接触面直剪试验、岩体软弱结构面直剪试验、岩体软弱结构面直剪蠕变试验、岩体直剪试验、岩体三轴试验、岩体载荷试验等6项，分别有相关试验方法的规定。美国标准的岩体强度试验主要涉及岩体软弱结构面，对于软岩，美国标准建议相应的岩体强度试验在保护罩强度足够的条件下，可参考岩体软弱结构面试验进行，而针对硬岩的强度试验，美国标准[3]建议在室内进行。

中美标准中均开展的岩体软弱结构面的直剪试验主要差异有：①美国标准要求试体尺寸一般是700 mm×700 mm×350 mm，我国标准一般是500 mm×500 mm×250 mm，美国标准试体尺寸更大，代表性更好；②我国标准规定，剪切面上最大法向应力不宜小于预定的法向应力，但不应使软弱结构面中的夹泥挤出，美国标准对法向应力没有明确说明；③美国标准在施加剪切荷载前有一固结阶段，我国规程没有固结阶段要求，相较而言，我国规程试验时间要短许多。

2 参数取值原则、试验数据整理方法的主要差异

我国标准[4]岩石(体)物理力学性质参数取值宜分为3步：首先，根据试验成果分析整理得到试验标准值；然后，根据水工建筑物地基或围岩的工程地质条件、试件的地质代表性、尺寸效应等，对标准值进行调整，提出地质建议值；最后，在地质建议值的基础上，结合建筑物工作条件及其他已建工程的经验确定设计采用值。具体试验数据整理时，强调“当采用各单组试验成果整理时，应取小值平均值作为标准值；当采用同一类别岩体试验成果整理时，应取优定斜率法的下限值作为标准值”。

美国标准[5]规定，在岩体或结构面抗剪强度参数取值时，考虑最可能发生的破坏模式、安全系数、设计使用、测试成本以及失败后果等因素，强调当确定由各种材料提供的抗剪力时，应考虑变形的影响；试验数据整理时，考虑应力水平、结构面起伏差、充填物厚度及材料类型、先前应力、位移历史等因素，主要根据同一类别岩体或结构面剪切测试获得的剪切应力和法向应力散点图，采用优定斜率法确定其抗剪强度上下限值，根据工程实际情况选用设计抗剪强度参数，并没有严格限制选用上限值还是下限值。

3 参数取值方法的主要差异

3.1 岩体变形模量取值对比

中美标准对岩体变形模量的定义基本一致，但取值要求有差异。我国标准[4]规定，岩体变形模量或弹性模量应根据岩体实际承受工程作用力方向和大小进行现场试验，并以压力-变形曲线上建筑物预计最大荷载下相应的变形关系为依据，应按岩体类别、工程地质单元、区段或层位归类进行整理，采用试验成果的算术平均值作为标准值，根据试件的地质代表性对标准值适当调整，提出地质建议值。

3.2 岩体允许承载力取值对比

中美标准对岩体允许承载力的取值方法有差异。我国标准主要采用强度折减法确定允许承载力，对软质岩及破碎岩体开展少量的现场测试工作；美国标准确定坝基岩体允许承载力的方法与我国标准类似，在具体折减系数取值方面有些差异。

我国标准[4]规定，硬质岩宜根据岩石饱和单轴抗压强度，结合岩体结构、裂隙发育程度及岩体完整性，按1/3～1/10折减后确定地质建议值；软质岩、破碎岩体宜采用现场载荷试验(取比例极限)确定，也可采用超重型动力触探试验或三轴压缩试验确定其允许承载力。

美国标准[5]提出了3种允许承载力确定方法：①安全系数法。可通过试验得到的极限抗压强度，除以适当的安全系数来确定允许承载力值，水利建造物使用的允许承载力值必须基于安全系数方法，考虑现场所有具体情况和该建造物的特殊性，对大多数地基而言，最小可接受安全系数是3，结构载荷由全静载荷和全动载荷组成；②从相关规范中获得允许承载力经验值，其中建筑规范一般仅适用于住宅或商业建筑物，不适用于水利建造物，美国标准[6]列出了小坝附属建筑物基础的允许承载力。对规模较大的水工建筑物地基允许承载力需专门研究；③从经验关联公式或图中获得地基承载力容许值并非特定现场，因此仅可用于初步设计和/或现场评估等目的，如Peck，Hanson and Thornburn提出容许承载力和岩石质量指标(RQD)之间存在经验关联，该关联性适用于弱面紧密或裂隙不大于1ft的岩体。

3.3 岩体抗剪强度参数取值对比

中美标准对岩体抗剪强度参数取值方法差异较大。我国标准主要采用岩体现场剪切试验成果进行统计分析；美国标准有2种常用的确定岩体抗剪强度力学参数的方法：①采用岩体现场剪切试验成果进行统计分析；②基于Hoek-Brown强度准则，采用现场测绘和室内试验相结合的办法，获取坝基岩体抗剪强度参数c和f。

我国标准[4]规定：①岩体抗剪断强度应取峰值强度；②当试件呈脆性破坏时，应取比例极限强度与残余强度两者的小值或二次剪(摩擦试验)的峰值强度作为岩体抗剪强度；当试件呈塑性破坏或弹塑性破坏时，应取屈服强度或取二次剪峰值强度作为岩体抗剪强度。

美国标准[5]强调当确定由各种材料提供的抗剪力时，应考虑变形的影响，其岩体抗剪强度参数应通过对完整岩体进行的剪切测试获得的剪切应力和法向应力散点图(通常需要9次或更多次测试数据)，采用优定斜率法确定其抗剪强度上下限值，根据工程实际情况选用，并没有严格限制选用上限值还是下限值。同时，由于基于Hoek-Brown准则的坝基岩体抗剪强度参数取值方法在国外应用较早，多数国外咨询工程师都习惯采用此方法进行取值。因此，我国公司在开展国外工程勘察设计时，经常遇到业主咨询工程师要求采用Hoek-Brown法进行坝基岩体抗剪强度参数取值的问题，需反复沟通并进行中外方法参数取值结果对比后，才能取得业主咨询工程师的理解。可见，在国外工程勘察过程中，有效掌握基于Hoek-Brown准则的坝基岩体抗剪强度参数取值方法对我国的勘察设计企业非常重要。无论是直接引用Hoek-Brown强度准则还是采用Hoek-Brown法将取值结果转换成传统摩尔-库伦强度参数c和f，一项基本工作是需要在勘察过程中获得3个基本参数：地质强度指标GSI、岩石单轴抗压强度UCS和岩性指标mi。GSI=RQD/2+1.5JCond89，RQD表示岩体结构特征；JCond89表示节理面状态，直接引用了1989年版RMR系统中节理面状态指标的取值结果，该值在[0，30]之间。UCS可通过试验获得，需要注意的是，我国水电行业实际工作中更加关注饱和单轴抗压强度，在Hoek-Brown准则和取值方法中，UCS指天然单轴抗压强度，鉴于UCS对最终取值结果影响相对较小，不是主要因素，可以考虑除坝基岩体以外，按照Hoek-Brown准则的要求，采用自然样试验结果。mi可以采用室内三轴试验或查询统计结果的方式获得，前者可靠性较好，Hoek等人根据统计结果，提出了不同岩石的mi经验值表，可直接查询。

3.4 无充填结构面抗剪强度参数取值对比

中美标准在无充填结构面抗剪强度参数取值方面的差异主要体现在正应力水平和破坏模式分析方面。我国标准没有结合具体建筑物规模来考虑；美国标准要求考虑施加在结构面的正应力水平，分析可能的剪切破坏模式，进行有针对性的取值。

我国标准[4]规定，抗剪断强度应取峰值强度，抗剪强度应取残余强度或取二次剪(摩擦试验)峰值强度。美国标准[5]对无充填结构面定义了低正应力表面微凸体爬坡、高正应力表面微凸体破坏2种破坏模式，当建构筑物施加的正应力较低时，破坏模式由表面微凸体爬坡控制，抗剪强度参数为基本摩擦角Фu和一阶表面微凸体有效倾斜角i，相应τf=σntan(Фu+i)，式中，τf为剪应力，σn为正应力，其上下界剪切强度分别从试验室测试含有自然非连续面和已裂开剪切面的样本中获得，从光滑已裂开面剪切测试获得破坏包络面下界，可界定Фu，为设计选择的摩擦角可从Фu和i的角度总和中获得，2个角之和不得超过自然非连续面上界剪切测试获得的摩擦角。当正应力水平较高，且超过破坏模式转换应力στ时，表现为高正应力表面微凸体破坏，τf=ca+σntanФr，式中，Фr为构成表面微凸体物质的残余摩擦角，ca为源自表面微凸体的视凝聚力(抗剪强度截距)，相应破坏模式下的抗剪强度参数Фr和ca需通过大量原位剪切试验汇总分析确定。

3.5 充填结构面抗剪强度参数取值对比

中美标准在充填结构面抗剪强度参数取值方面的差异主要体现在结构面的分类和对构造型结构面的取值方面。我国标准按结构面类型进行现场试验和参数整理分析，考虑结构面厚度和起伏差的影响；美国标准特别关注结构面的位移历史，对于结构面的起伏情况一般不考虑。

我国标准[4]规定：①软弱结构面应根据岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型和泥型分别取值；②抗剪断强度应取峰值强度，当试件粘粒含量大于30%或有泥化镜面或粘土矿物以蒙脱石为主时，抗剪断强度应取流变强度，抗剪强度应取屈服强度或残余强度，整理方法同刚性结构面；③当软弱结构面有一定厚度时，应考虑厚度的影响，当厚度大于起伏差时，软弱结构面应采用软弱物质的抗剪(断)强度作为标准值，当厚度小于起伏差时，还应采用起伏差的最小爬坡角，提高软弱物质抗剪(断)强度试验值作为标准值。

美国标准[5]主要考虑充填物的厚度、材料类型、先前应力、位移历史等4个因素，对结构面的起伏情况一般不考虑。①充填结构面位移历史是主要关注的问题，当充填物性状表明结构面最近发生位移，则代表结构面的强度处于或接近其残余值，相应剪切强度选择应基于自然节理试验室残余剪切测试，不考虑粘聚力的影响；②充填结构面先前未发生位移，抗剪强度则处于或接近其峰值，充填物是否是正常固结或超固结土壤具有重要意义，需要通过合理工程判断进行调整，峰值强度用于由正常固结粘性材料和所有无粘性材料组成的填料，峰值强度或极限强度用于由低塑性超固结粘性材料组成的填料，极限强度、重塑填料峰值强度或残余强度(取决于材料特性)用于由中高度塑性超固结粘性材料组成的填料。

3.6 混合破坏模式抗剪强度参数取值对比

我国标准[4]未定义混合破坏模式抗剪强度参数取值方法，工程实践中，一般考虑裂隙连通率，采用裂隙和岩体抗剪强度参数加权平均方法取值。美国标准[5]中，混合破坏模式指关键破坏路径由非连续面段和穿过完整岩石的平面段予以界定的模式，由于非连续面或完整岩石界定的破坏路径比例鲜为人知，且导致完整岩石破坏的应变/位移的数量级(10倍)要小于非连续岩石相关的位移，当完整岩石的峰值强度部分已经动员起来时，而沿不连续面的峰值强度被动员起来以前尚只达到残余强度。因此，选择混合模式组合面抗剪强度时，必须基于合理的工程判断和在类似地质条件建设类似项目所获得的经验。

4 主要体会

(1)中美标准在安全控制指标、荷载组合、试验方法、试验数据整理及参数取值方面均存在差异。在参数取值过程中，应充分了解使用条件和参数取值上的差异，避免随意混用、套用标准，未经分析就将按国内规范方式下的岩体及结构面力学参数取值成果直接用于美标公式计算，可能导致稳定性计算成果存在较大偏差。因此，在使用美标进行稳定性分析计算时，如何获取与之对应的力学参数，确保计算成果合理是一个关键的问题。

(2)我国规范[4]给出了基于岩体质量分类的抗剪断强度参数建议值，该成果来源于大量现场剪切试验的统计分析，但该表对经验取值的来源和可靠性没有详细的分析说明，要得到业主咨询工程师的认可需反复沟通解释，建议我国标准针对此经验参数表提供详细的取值过程分析成果，并公开发表，提高成果的权威性，便于我国企业在国外与咨询工程师进行沟通。同时，我国规范中所列经验参数表备注仅适用于坝高70 m以上的硬岩，坝高低于70 m时参考取值，软岩地基适当折减，但没有具体参考和折减标准，建议补充说明。

(3)我国标准在参数取值时重视室内试验和现场试验，并有一定的试验组数要求，对最终提供的岩土物理力学参数一般不反映取值分析的过程，更强调既往经验的运用；美国标准重视参数取值过程，要求详细说明参数来源、取值分析过程和最终参数取值的合理性。

(4)由于基于Hoek-Brown强度准则的坝基岩体抗剪强度参数取值方法在国外应用较早，多数国外咨询工程师都习惯采用此方法进行取值。我国公司在开展国外工程勘察设计时，经常遇到业主咨询工程师要求采用Hoek-Brown法进行坝基岩体抗剪强度参数取值的问题，需反复沟通，并进行中外标准参数取值结果对比后，才能取得业主咨询工程师的理解并最终接受。因此，在国外工程勘察设计过程中，有效掌握基于Hoek-Brown强度准则的坝基岩体抗剪强度参数取值方法，对我国勘察设计企业走出去非常重要。

(5)试验数据整理方面，我国标准规定，当采用各单组试验成果整理时取小值平均值作为标准值，当采用同一类别岩体或结构面试验成果整理时取优定斜率法的下限值作为标准值；美国标准主要采用优定斜率法确定同一类别岩体或结构面的抗剪强度上下限值，并没有严格限制选用上限值还是下限值。

(6)对混合破坏模式抗剪强度参数取值，美国标准强调变形协调性的影响，我国标准考虑连通率按岩块和结构面加权平均来确定混合破坏模式抗剪强度参数，可能存在抗剪强度参数高估的问题。

5 结 语

在国外工程勘察设计过程中，我国企业或多或少都遇到标准的适用性问题，特别是基于我国水电工程实践总结提出的岩体及结构面力学参数经验表，因其取值过程在规范中没有详细交待，很难被国外业主和咨询工程师接受。多数国外业主和咨询工程师对美国标准和Hoek-Brown强度准则较为熟悉，而我国标准在这几年才大规模的走出去，外国咨询工程师对我国规范不熟悉，一开始自然很难接受。因此，在合同谈判时，除了争取明确采用我国标准外，还要加强外国标准的学习，进行对比研究，在工作过程中反复沟通，才能取得业主咨询工程师的理解，并逐步接受我国标准。