覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法

杨玉生 ，刘小生，赵剑明 ，汪小刚 ，刘启旺

（1.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；2.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100048）

1 研究背景

我国西部水利水电工程建设中，坝址区常有深厚覆盖层发育，对地形条件适应性强的高土石坝成为西部水利水电开发中的主要坝型。对于覆盖层上的高土石坝结构安全评价，一个方面是基于岩土试验获得的分析参数进行数值模拟，另一个方面是考虑原型结构的关键特性，进行模型试验，两者结合才能对复杂结构的性能进行更为全面和准确的评价[1]。但不论是数值模拟还是模型试验，对土体工程力学参数进行准确测试是开展工作的基础和前提。因此，岩土体力学参数测试是解决岩土工程工作的基础性问题，也是影响工程设计的关键问题。

对于覆盖层上的高土石坝建设，从土体工程力学参数测试的角度，主要存在两个方面的问题。对于覆盖层土体来说，由于地质年代久远，层次结构复杂，具有显著的原位结构效应[2-9]，传统的钻探—取样—室内试验的测试方法，难以准确测定覆盖层土体的力学参数。此外，由于覆盖层砂土或砂卵砾石层为无黏性土，原状取样困难，成本昂贵，且由于应力释放、取样扰动等的影响，实际上难以取得真正意义上的原状样。对于筑坝堆石料来说，以大吨位振动碾碾压施工的堆石坝工程，其主体填筑料大多采用爆破堆石料或原级配天然砂砾料，爆破堆石料最大粒径达600～800 mm，甚至超过1 m，天然级配砂砾石料的最大粒径往往也达到300～400 mm以上，而室内试验设备尺寸大多直径仅为30 cm，能够开展的试验材料最大粒径不能超过6 cm，试验时需对原级配堆石料或砂砾料进行较大比例缩尺，严重改变了原级配堆石料和砂砾料的级配特征。严格意义上讲，缩尺之后的堆石料与原级配堆石料已经不是同一种材料，以缩尺料进行的室内模拟测试结果难以反映原级配料的真实工程力学特性。

在水利水电工程勘探中，原位测试是了解覆盖层土体分层和物理力学指标的关键技术手段。与钻探—取样—室内试验相比，原位测试能够在土体保持天然结构、级配、天然含水及天然应力状态下测定难以采取不扰动试样的土层的相关工程特性参数，可以避免取样过程应力释放的影响。此外，原位测试的土体体积远比室内试样大，因此其代表性也大。但不同原位测试有其各自的适用条件，且原位试验无法控制周围的应力场、排水条件等影响原位测试成果的相关因素，其主应力方向往往也与实际岩土工程问题中的主应力方向不一致。最关键的是原位测试的常规判释方法仅能够提供特定应力条件下的参数，难以提供用于覆盖层地基和土石坝系统数值分析的成套参数。

因此，室内和现场试验均有局限性，单纯依靠室内试验或现场试验，均难以可靠确定用于覆盖层地基和坝体安全评价的成套本构模型参数。在实际工程实践中，一些研究者[10-16]对依据施工期或运行期监测资料，采用反分析的方法确定覆盖层地基和坝体堆石料的本构模型参数进行了研究探索，对于量大面广的已建高土石坝，基于监测资料的反馈分析评价土石坝的运行形态和安全状况，是未来土石坝全生命周期安全评价和复核中的一项常态化工作。因此，反分析技术在覆盖层地基和土石坝工程领域具有很高的实用价值和广泛的应用前景。但基于施工期和运行期监测资料的反分析参数更多的属于后期验证性质，来不及用于指导当前的工程设计。

从1999年国电公司重点项目“深厚覆盖层地基特性及处理技术”[17]开始，结合水利部“948创新项目”[18]、国家自然科学基金项目[19-20]开展了联合室内和现场试验确定土体本构模型参数的方法研究，在覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法方面形成了系统的研究成果，所提出的联合室内和现场试验确定土体工程力学特性参数的研究思路，为考虑覆盖层土体原位结构效应和筑坝土石料尺寸效应确定其力学参数开辟了可行的新途径，已成行业共识，被水工建筑抗震设计规范国标[21]和行标[22]采用，且也在水利学会团体标准[23]得到体现，部分成果已被列入水利先进实用技术推广目录重点推广，目前已推广应用于新疆卡拉贝利、阿尔塔什、玉龙喀什、尼雅和大石门等10余项国家重点建设的水利工程。

本文对考虑原位效应的覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数确定方法进行系统的总结，主要内容包括：联合室内外试验考虑原位结构效应，综合确定覆盖层土体的原位相对密度、邓肯-张E-B模型参数、动力变形特性参数和动强度参数等；联合室内外试验考虑尺寸效应确定高土石坝的填筑标准和邓肯—张E-B模型参数。

2 深厚覆盖层土体力学参数室内外联合确定方法

覆盖层上建设高土石坝，关键技术难题是如何应对地基变形的影响，特别是其防渗系统（比如心墙堆石坝的心墙、灌浆廊道及防渗墙，混凝土面板坝的面板、周边缝、趾板、连接板及防渗墙等）对覆盖层变形尤其敏感。这些结构的破坏，将使库水直接作用在堆石材料上，导致渗透破坏，而产生严重后果。为了评价坝基覆盖层、防渗系统及坝体等的工作性状和安全性，了解防渗系统受地基变形的影响，目前主要采用数值计算分析和模型试验两种手段，但两者都是建立在对覆盖层地基砂砾石料及坝体堆石料工程力学特性参数可靠确定基础上的，如何获取和把握深厚覆盖层力学特性就成为覆盖层上建设高土石坝的关键技术难题。依托国家重大工程建设实践，结合纵向应用基础研究和技术开发项目，联合室内试验和现场原位试验，对深厚覆盖层勘探和静、动力工程特性测试技术和新的判释方法进行了系统研究，开发了联合室内和现场试验，考虑覆盖层土体原位结构效应，综合确定土体静、动力工程特性参数的方法和配套技术，并成功应用于包括察汗乌苏、阿尔塔什、卡拉贝利等强震区高土石坝设计和安全论证。

2.1 覆盖层的原位相对密度室内外联合确定方法提出了根据覆盖层土体特点，选择采用合适的原位测试方法，并联合室内模拟试验，综合确定覆盖层原位相对密度的方法。包括以下步骤：（1）根据钻孔勘探试验确定覆盖层土体沿覆盖层深度方向的分层分布情况及其代表性级配；（2）根据不同土层的土性特点，进行现场原位试验，确定不同土层能反映覆盖层原位状态的力学指标特征值；（3）基于室内试验确定重塑样力学指标随相对密度和应力条件的变化关系；（4）基于现场原位试验确定的覆盖层力学指标特征值，结合室内试验确定的重塑样相应力学指标值随相对密度和应力条件的变化关系曲线，确定土体的原位密度。

现场原位试验包括波速试验、标准贯入试验、静力触探试验和大型贯入试验等，根据覆盖层土体的特点选择不同的现场试验，当覆盖层土体为砂土时，可采用波速试验、静力触探试验或标准贯入试验，当覆盖层土体为砂卵砾石料时，可采用波速试验或大型贯入试验。比如对于砂土，可对砂土层进行标贯试验或波速试验，确定砂土层的代表性标贯击数或剪切波速。采用室内标贯试验或剪切波速测试，研究不同试验条件下标贯击数或剪切波速与相对密度的关系，依据砂层原位测试的代表性标贯击数或剪切波速，标定砂层原位相对密度。包括以下步骤：（1）对标贯试验或现场剪切波速试验结果，分别按土层类别进行标准有效应力（比如100 kPa）归一化处理，统计分析得到平均值、标准差及分布规律；（2）在室内研究不同级配和粒径特征、制样方法、固结时间、超固结比下，砂土标贯击数或剪切波速随相对密度的变化规律，依据现场标贯击数或剪切波速试验成果，标定砂层的原位相对密度。图1给出了某工程覆盖层砂土层依据标贯击数预测相对密度与钻孔测试相对密度的对比。总体上看，钻孔测试相对密度比依据标贯试验预测相对密度要低2%～3%，对于50 m以下部分的砂层，钻孔实测相对密度比依据标贯试验预测相对密度要低5%以上。由于钻孔测试相对密度的结果也受到钻孔原状取样扰动、应力释放，土样回弹等诸多因素的影响，钻孔密度测试结果通常会小于原位实际相对密度。

图1 依据标贯击数计算相对密度与钻孔测试相对密度与对比

2.2 覆盖层的层次结构和剪切波速结构确定方法[24]利用多道瞬态面波勘测技术，结合少量钻孔及单孔、跨孔等原位波速测试，对察汗乌苏水电站工程覆盖层地基进行了大面积的现场勘测；在获取大量勘测资料的基础上，对坝基覆盖层的层次、厚度和分布状况以及剪切波速结构进行了详细的分析，有关成果可作为场地类别、土体类型划分的依据，并为进一步研究覆盖层的工程性状提供丰富的基础资料。

在总结国内外有关瑞利波（R波）勘测技术研究现状和发展趋势的基础上，从弹性波的传播机理及基本方程出发，采用有限元—半无限元方法建立了水平均匀分层地基中瑞利波的特征方程，并对特征曲线的性质及其影响因素进行了研究。在此基础上，应用非线性优化理论，开发了一套根据实测瑞利波特征曲线（即瑞利波频率弥散曲线）反演地基各土层剪切波速的分析方法和相应的计算机程序。在分析方法中首次考虑了同一土层中剪切波速随土层埋深连续变化的关系，能更真实地反映剪切波速的分层结构情况。图2给出了察汗乌苏水电站工程覆盖层地基测试和分析的示例。

图2 察汗乌苏水电站地基覆盖层波速测试应用示例

2.3 联合室内和现场试验的土体本构模型[25-26]充分考虑现场原位试验能够较为准确地反映出实际土料工程特性的多变性和复杂性，并且忠实于现场土体的原状结构性，以及室内试验能够利用现代高精度、高压力的试验设备，控制各种应力条件，对各类土料进行不同级配、不同密度、不同饱和度的试验，获得具有一定规律性的参数的特点，对联合室内和现场试验建立土体本构模型的方法进行了有益探讨，取得以下进展。

（1）提出了一种新的土体静力本构模式，根据现场实测土体的最大弹性模量Emax和室内得到的归一的弹性模量比～应变比（Es/Emax～εa/εr）关系曲线，联合确定原位土体的静力应力应变关系，克服了邓肯-张双曲线模式的缺陷，能很好地描述试验结果。

采用式（1）对图3所示的归一后的Es/Emax～εa/εr曲线进行描述：

式中a、b1、b2为拟合参数。图3给出了试验结果与式（1）的拟合情况，可见拟合曲线与试验结果适线很好。

将割线模量Es=（σ1-σ3）/εa代入式（1），有：

此时，切线模量Et为：

式（3）即为联合室内和现场试验的土体静力本构模式。

（2）提出了一种新的土体动力本构模式，根据现场实测的Gmax及室内得到的如图4示例的归一的动剪模量比随剪应变衰减关系曲线（Gd/Gmax～γd/γr），联合确定原位土体的动力应力应变关系，采用式（4）对如图4所示G/Gmax～γ/γr曲线进行回归拟合，适线效果相当好，说明该模式能很好地描述试验结果。

图3 察汗乌苏砂砾料Es/Emax与εa/εr关系曲线

图4 察汗乌苏砂砾料G/Gmax与γa/γr关系曲线

式中α，β1和β2为拟合参数。

（3）提出土体的阻尼比λ与动应变γd的关系曲线，可用参考剪应变γr归一，归一化曲线λ～γd/γr受结构性、颗粒级配及尺寸等因素的影响很小，室内得到如图5示例的λ～γd/γr曲线能可靠地反映实际土体的阻尼特性，引入Fredlund的土水特性曲线，采用式（5）描述λ～γ/γr关系。

式中A、α、β1、β2为拟合参数。

图5 察汗乌苏砂砾料λ与γa/γr关系曲线

2.4 覆盖层土体本构模型参数室内外联合确定方法[27-29]提出了联合室内模拟试验和现场大型旁压试验，综合确定土体本构模型和确定模型参数的新方法，主要包括：①以室内控制条件下的模拟试验，研究土体合理的本构模型以及模型参数的变化规律；②根据研究对象选取适宜的现场原位试验方法和技术，通过原位试验获得能够比较真实反映实际土体受力变形特性的试验数据；③采用合理的土体本构模型和有限元方法，建立反映现场原位试验机理和受力变形特点的数值模拟方法，对原位试验机理进行数值模拟；④采用阻尼最小二乘法非线性优化理论、遗传算法或和声算法，依据现场实测的荷载-位移试验曲线，进行土体本构模型参数的智能优化反演。

如针对察汗乌苏工程覆盖层地基中砂砾石料及含砾中粗砂土体，进行了室内模拟试验及现场大型旁压仪试验。在对模型各参数敏感性分析的基础上，以室内试验结果为初值，依据实际工程覆盖层地基的旁压试验曲线，进行了邓肯-张E-B模型参数的有限元反演分析；对实测旁压曲线、室内试验参数计算的旁压曲线及反演参数计算的旁压曲线三者进行了比较分析，见图6所示。结果表明，覆盖层地基土体原位结构性的影响显著，室内试验参数计算的曲线与实测曲线相差较大。

为了进一步评价反分析参数的合理性，分别采用室内试验参数和反分析参数，对察汗乌苏面板堆石坝工程进行了三维有限元数值分析，将计算沉降与实际沉降监测资料进行了对比，见图7所示。结果表明，采用反分析参数获得的覆盖层沉降计算值与实际沉降监测值十分接近，说明反分析参数能够较好地反映覆盖层的原位效应。

因此，室内外联合确定的本构模型参数较单纯室内试验更能反映实际情况，考虑结构性的影响有重要工程意义。该方法为考虑覆盖层土体的原位结构性及颗粒级配、尺寸等效应的影响，开辟了新的研究途径。目前已在察汗乌苏、苏洼龙、ML水电工程等得到应用，且笔者提出的旁压试验的新的判释方法已被写入团体标准[23]。

图6 37号孔（埋深38.1m，中粗砂）

2.5 覆盖层土体动力变形特性参数的确定方法[30]研究了联合室内和现场试验，考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体动力变形特性参数的方法。包括以下步骤：（1）对覆盖层土体开展原位波速试验，基于剪切波速确定覆盖层土体最大动剪模量的压力效应关系，根据覆盖层土体现场剪切波速随深度的变化，确定其压力效应关系，进一步结合弹性波理论，确定覆盖层土体最大动剪模量的压力效应关系；（2）在室内开展重塑样在不同应力条件下的动力特性试验，确定最大动剪模量的压力效应关系，以及动剪切模量随动剪应变的变化关系；（3）根据室内试验确定的最大动剪模量的压力效应关系和现场波速试验确定的最大动剪模量的压力效应关系，确定考虑土体原位结构性的最大动剪模量参数；（4）根据最大动剪模量参数和动剪模量随动剪应变的变化关系，考虑原位结构效应确定土体动剪模量随剪应变的衰减曲线。图8给出了考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动力变形特性参数与室内试验参数的对比。

该方法的试验基础在于，室内试验确定的砂土归一化动剪模量衰减曲线和阻尼比增长曲线受颗粒大小、级配和结构性的影响很小，因此室内试验结果可以较为接近的表征原位土体的相应变化曲线，而覆盖层土体动力变形特性的原位结构效应则通过室内外联合确定的最大动剪模量Gmax来反映。

图7 坝上0-040.00m处计算值与监测值对比

图8 考虑原位结构效应确定的动力变形特性参数与室内试验参数的对比

2.6 覆盖层土体动强度参数的室内外联合确定方法[31]考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动强度参数的方法，包括以下步骤：（1）基于现场试验确定原位土体的动强度基准值，根据深厚覆盖层土体的土性特点，对其开展现场原位测试，确定能反映覆盖层原位结构效应的力学指标，再依据这些力学指标，基于已建立的经震害资料检验的动强度确定公式或图表，确定深厚覆盖层土体原位条件下的动强度基准值；（2）基于室内模拟试验确定动强度参数在各影响因素下的修正参数，对深厚覆盖层土体开展室内模拟试验，研究动强度随震级、上覆有效应力、初始剪应力比的变化规律，确定震级修正系数、上覆有效应力校正系数和初始剪应力校正系数；（3）考虑原位结构效应确定覆盖层土体的动强度参数，基于由现场试验确定砂土的动强度基准值CRR和由室内动三轴试验确定的震级比例系数、上覆有效应力校正系数和初始剪应力校正系数，考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体的动强度参数。

所依据的现场试验包括静力触探试验、标准贯入试验、波速试验和贝克贯入试验，可根据覆盖层的具体特点选择不同的原位试验类型，如覆盖层为干净砂土则可采用静力触探试验、标准贯入试验或波速试验，覆盖层为砂砾料时可采用波速试验或大型贯入试验。对应于不同现场原位试验的动强度参数基准值的计算方法不同。图9给出了考虑原位结构效应确定的动强度参数与室内试验确定的动强度参数对比。

图9 考虑原位结构效应确定的动强度参数与室内试验确定的动强度参数对比

3 筑坝堆石料力学特性参数室内外联合确定方法

3.1 高土石坝填筑标准确定方法[32-34]高土石坝建设最为关键的问题是变形控制，包括大坝总体变形和关键部位不均匀变形控制和变形协调。堆石料力学特性极为复杂，不仅具有明显的非线性、剪胀性、流变性及应力路径相关性，还存在遇水湿化、高围压下材料破碎、长期劣变等更为复杂的特性，目前常用的本构模型难以完整、准确地描述堆石体的所有特性，大坝变形的计算理论和方法有待完善。另一方面，堆石材料试验由于存在缩尺效应影响，试验室内获得的材料参数与大坝堆石的真实参数有明显差异。由于这些原因，目前还不能依靠数值计算方法来进行高土石坝的变形控制。土体的密实程度对其变形特性、强度特性、渗透特性和地震动力特性等均有重要影响。一般来讲土体的密实程度越高，其所表现出来的工程特性越有利于土工构筑物的结构安全稳定。尤其是对于坝体变形这一高面板安全的控制性条件，控制好坝体的填筑密实度，坝体变形特性就可以可得到较好的控制。

对于以砂砾料作为筑坝材料的砂砾石坝，其设计填筑标准一般按相对密度进行控制，目前室内相对密度试验由于试验设备尺寸限制，只能采用经过缩尺处理的模拟级配材料进行试验，试验结果不能完全反映实际情况。特别是现在大型机械设备在水利工程上的广泛应用，在工程质量检测中经常出现相对密度大于100%的情况，说明原来的方法得到的最大干密度并不是真实的最大干密度。

在研究中采用直径120 cm的密度桶，对原级配砂砾石筑坝材料，进行现场大型相对密度试验：（1）采用料场风干砂砾料，按级配人工配料；（2）分别对设计平均线级配、上包线级配、下包线级配、上平均线级配、下平均线级配的5个不同砾石含量进行相对密度试验；（3）根据现场碾压试验上料的级配情况，选择级配补充相对密度试验；（4）最后对试验确定的最优砂砾料含量进行校核试验。目前该方法已经应用于包括新疆卡拉贝利、新疆阿尔塔什、新疆大石门等实际工程。图10给出了阿尔塔什水电站现场砂砾石原型级配料相对密度试验结果。

图10 阿尔塔什水电站现场砂砾石原型级料三因素相关图

3.2 筑坝堆石料邓肯-张E-B模型参数的室内外联合确定方法[19]研究提出了对筑坝堆石料碾压层进行大型载荷试验，测得载荷试验的荷载-位移关系曲线，基于智能优化算法进行本构模型参数反分析，确定筑坝堆石料的本构模型参数的方法，目前笔者提出的载荷试验的新的判释方法已写入团体标准[23]，已经应用于包括青海公伯峡、新疆阿尔塔什等实际工程。

联合室内试验和筑坝堆石料碾压层大型载荷试验反分析本构模型参数的方法如下：（1）对筑坝堆石料碾压层开展载荷试验，测得承压板底部和碾压层内不同深度部位的的荷载-位移曲线；（2）将载荷试验的荷载-位移曲线，作为反分析输入的真实位移信息；（3）建立载荷试验的数值模型，对实际载荷试验过程进行数值模拟，计算各级荷载下的计算位移值；（4）根据具体的工程问题，进行本构模型参数对位移影响的敏感性分析，确定待反演参数；（5）进行适量的室内试验，测定土体的本构模型参数，并结合工程类比，确定待反演参数的初值范围；（6）采用载荷试验各级荷载下的计算位移值与相应的实测位移值，构建反演目标函数；（7）结合最优化方法，进行反演分析。基于载荷试验的位移反分析过程就是寻找与载荷试验实测位移值相比误差最小的计算位移值所对应的本构模型参数的过程。表1给出了某工程坝料反演k、n值。

表1 某工程坝料反演参数值

4 结语

（1）覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法，克服了原位试验不能控制应力条件、排水条件等影响原位测试的相关因素，以及原位测试的常规判释方法难以提供用于数值分析的成套参数的缺点，同时克服了室内试验难以考虑原位结构效应和反映原级配料的真实工程力学特性的缺点，从理论上得到的力学参数更切合实际。

（2）通过20多年的研究，在覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法方面，已经形成了涵盖土体室内制样控制标准、土石坝填筑标准、静强度参数、静力变形参数、动强度参数、动力变形特性参数和动力残余变形特性参数等系统的方法和技术体系，能够为室内制样控制、土石坝填筑质量控制、静力稳定和变形分析、动力响应分析、动力稳定和残余变形分析提供全套参数。

（3）覆盖层土体和筑坝堆石料力学参数室内外联合确定方法目前已应用于察汗乌苏、阿尔塔什、卡拉贝利、玉龙喀什、九甸峡等10余项国家重大水利工程，为这些工程设计论证和安全评价起到了关键支撑作用。

研究和应用实践表明，联合现场试验和室内重塑样试验，进行土体工程力学参数的室内外联合确定，能够较好的考虑原位结构效应确定深厚覆盖层土体和考虑尺寸效应确定筑坝堆石料的工程力学参数。但目前相关的研究还需要进一步的深入和拓展，已有的研究成果也需要更多的试验资料支持，其中也还有不少问题需要根据实际情况在未来的研究中进行修正、补充和完善。未来也有待于进一步根据要解决的工程问题，形成依据不同的土类，选择合适的现场和室内测试手段，给出配套的判释方法，并进行应用效果验证，进而对方法进行改进和完善。

致谢：国家重大工程建设项目需求为本项工作的持续开展和不断完善提供了动力和激励，也为成果应用提供了平台；项目开展过程中得到了包括新疆自治区水利水电规划设计管理局、新疆水利水电勘测设计研究院等，以及四川、青海等省区水利水电工程管理、设计和施工单位的支持和配合以及水利水电工程界同仁的关注和支持，也得到国家和部委各个层面基金项目的资助，在此一并表示衷心感谢！