郭維祥，鐘國華

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著國內(nèi)各水電勘察設(shè)計研究院逐漸走出國門，水電勘測設(shè)計企業(yè)進入了一個激烈競爭的國際性市場。在涉外水電工程勘測設(shè)計過程中，不可避免地遇到各種類型的基礎(chǔ)參數(shù)取值問題，其中，巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值合理性涉及到大壩的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，國外政府主管部門及項目咨詢機構(gòu)特別關(guān)注。歷史以來，中美兩國均沿襲各自的技術(shù)脈絡(luò)，發(fā)展并形成了各自成熟的水電工程勘察設(shè)計技術(shù)體系，在巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值方法上也各自取得了從試驗、參數(shù)取值到工程應用的成功經(jīng)驗，對其進行對比研究[1]，可以較好地了解國外水電工程中地質(zhì)勘察的理念和要求，找出中美水電標準巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值方法的差異，為我國水電勘測設(shè)計企業(yè)順利進入國際市場提供技術(shù)支撐。

1 試驗方法的主要差異

通過典型試驗方法對比可知，中美試驗標準[2]在試驗尺寸、施加荷載、位移觀測、成果整理等方面或多或少存在差異。在國外工程試驗成果分析應用時，要對試驗采用標準與相關(guān)規(guī)定進行對比分析，科學合理地選取試驗成果統(tǒng)計分析值。

1.1 巖塊單軸抗壓強度試驗

美國標準ASTM D 7012—07是關(guān)于巖塊單軸抗壓強度、單軸壓縮變形、三軸試驗的試驗標準，3種試驗均在三軸試驗機上完成，其試驗成果反映三軸狀態(tài)下的強度值。當圍壓為0時，可獲得巖塊的單軸抗壓強度。我國標準針對以上3項試驗分別有不同的試驗設(shè)備和試驗程序。在具體進行巖塊單軸抗壓強度試驗時，中美兩國采用的巖樣尺寸基本一致。因此，采用美國試驗標準進行圍壓為0時獲得的巖塊單軸抗壓強度與我國試驗標準具有可對比性，具體試驗成果應用時應注意相應試驗條件的對比。

1.2 巖塊直剪試驗

我國標準要求試件呈立方體或圓柱體，邊長或直徑不宜小于150 mm；美國標準則可以為任意不規(guī)則試件，最小樣本尺寸應不小于巖體中最大晶體尺寸的10倍，同時剪切面不應小于1 900 mm2(相當于立方體邊長45 mm，圓柱直徑50 mm)。具體試驗過程、成果整理方面中美標準基本一致。相較而言，我國標準試件尺寸更大，代表性更好，試驗成果更準確可靠。對巖石結(jié)構(gòu)面中含有充填物的直剪試驗，我國標準要求試驗過程中采用的最大法向應力以不擠出充填物為宜，美國標準對此未提及。

1.3 巖體變形試驗

中美標準的巖體變形試驗主要差異在變形測試系統(tǒng)方面。我國標準只測預定承壓面的變形，美國標準則要求同時測定兩端承壓面的變形，即既要測定預定承壓面變形，也要測定預定反力面巖體變形，相應巖體變形模量值較我國標準計算值略偏小。

1.4 巖體強度試驗

我國標準的巖體強度試驗有混凝土/巖體接觸面直剪試驗、巖體軟弱結(jié)構(gòu)面直剪試驗、巖體軟弱結(jié)構(gòu)面直剪蠕變試驗、巖體直剪試驗、巖體三軸試驗、巖體載荷試驗等6項，分別有相關(guān)試驗方法的規(guī)定。美國標準的巖體強度試驗主要涉及巖體軟弱結(jié)構(gòu)面，對于軟巖，美國標準建議相應的巖體強度試驗在保護罩強度足夠的條件下，可參考巖體軟弱結(jié)構(gòu)面試驗進行，而針對硬巖的強度試驗，美國標準[3]建議在室內(nèi)進行。

中美標準中均開展的巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的直剪試驗主要差異有：①美國標準要求試體尺寸一般是700 mm×700 mm×350 mm，我國標準一般是500 mm×500 mm×250 mm，美國標準試體尺寸更大，代表性更好；②我國標準規(guī)定，剪切面上最大法向應力不宜小于預定的法向應力，但不應使軟弱結(jié)構(gòu)面中的夾泥擠出，美國標準對法向應力沒有明確說明；③美國標準在施加剪切荷載前有一固結(jié)階段，我國規(guī)程沒有固結(jié)階段要求，相較而言，我國規(guī)程試驗時間要短許多。

2 參數(shù)取值原則、試驗數(shù)據(jù)整理方法的主要差異

我國標準[4]巖石(體)物理力學性質(zhì)參數(shù)取值宜分為3步：首先，根據(jù)試驗成果分析整理得到試驗標準值；然后，根據(jù)水工建筑物地基或圍巖的工程地質(zhì)條件、試件的地質(zhì)代表性、尺寸效應等，對標準值進行調(diào)整，提出地質(zhì)建議值；最后，在地質(zhì)建議值的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物工作條件及其他已建工程的經(jīng)驗確定設(shè)計采用值。具體試驗數(shù)據(jù)整理時，強調(diào)“當采用各單組試驗成果整理時，應取小值平均值作為標準值；當采用同一類別巖體試驗成果整理時，應取優(yōu)定斜率法的下限值作為標準值”。

美國標準[5]規(guī)定，在巖體或結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)取值時，考慮最可能發(fā)生的破壞模式、安全系數(shù)、設(shè)計使用、測試成本以及失敗后果等因素，強調(diào)當確定由各種材料提供的抗剪力時，應考慮變形的影響；試驗數(shù)據(jù)整理時，考慮應力水平、結(jié)構(gòu)面起伏差、充填物厚度及材料類型、先前應力、位移歷史等因素，主要根據(jù)同一類別巖體或結(jié)構(gòu)面剪切測試獲得的剪切應力和法向應力散點圖，采用優(yōu)定斜率法確定其抗剪強度上下限值，根據(jù)工程實際情況選用設(shè)計抗剪強度參數(shù)，并沒有嚴格限制選用上限值還是下限值。

3 參數(shù)取值方法的主要差異

3.1 巖體變形模量取值對比

中美標準對巖體變形模量的定義基本一致，但取值要求有差異。我國標準[4]規(guī)定，巖體變形模量或彈性模量應根據(jù)巖體實際承受工程作用力方向和大小進行現(xiàn)場試驗，并以壓力-變形曲線上建筑物預計最大荷載下相應的變形關(guān)系為依據(jù)，應按巖體類別、工程地質(zhì)單元、區(qū)段或?qū)游粴w類進行整理，采用試驗成果的算術(shù)平均值作為標準值，根據(jù)試件的地質(zhì)代表性對標準值適當調(diào)整，提出地質(zhì)建議值。

3.2 巖體允許承載力取值對比

中美標準對巖體允許承載力的取值方法有差異。我國標準主要采用強度折減法確定允許承載力，對軟質(zhì)巖及破碎巖體開展少量的現(xiàn)場測試工作；美國標準確定壩基巖體允許承載力的方法與我國標準類似，在具體折減系數(shù)取值方面有些差異。

我國標準[4]規(guī)定，硬質(zhì)巖宜根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強度，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度及巖體完整性，按1/3～1/10折減后確定地質(zhì)建議值；軟質(zhì)巖、破碎巖體宜采用現(xiàn)場載荷試驗(取比例極限)確定，也可采用超重型動力觸探試驗或三軸壓縮試驗確定其允許承載力。

美國標準[5]提出了3種允許承載力確定方法：①安全系數(shù)法。可通過試驗得到的極限抗壓強度，除以適當?shù)陌踩禂?shù)來確定允許承載力值，水利建造物使用的允許承載力值必須基于安全系數(shù)方法，考慮現(xiàn)場所有具體情況和該建造物的特殊性，對大多數(shù)地基而言，最小可接受安全系數(shù)是3，結(jié)構(gòu)載荷由全靜載荷和全動載荷組成；②從相關(guān)規(guī)范中獲得允許承載力經(jīng)驗值，其中建筑規(guī)范一般僅適用于住宅或商業(yè)建筑物，不適用于水利建造物，美國標準[6]列出了小壩附屬建筑物基礎(chǔ)的允許承載力。對規(guī)模較大的水工建筑物地基允許承載力需專門研究；③從經(jīng)驗關(guān)聯(lián)公式或圖中獲得地基承載力容許值并非特定現(xiàn)場，因此僅可用于初步設(shè)計和/或現(xiàn)場評估等目的，如Peck，Hanson and Thornburn提出容許承載力和巖石質(zhì)量指標(RQD)之間存在經(jīng)驗關(guān)聯(lián)，該關(guān)聯(lián)性適用于弱面緊密或裂隙不大于1ft的巖體。

3.3 巖體抗剪強度參數(shù)取值對比

中美標準對巖體抗剪強度參數(shù)取值方法差異較大。我國標準主要采用巖體現(xiàn)場剪切試驗成果進行統(tǒng)計分析；美國標準有2種常用的確定巖體抗剪強度力學參數(shù)的方法：①采用巖體現(xiàn)場剪切試驗成果進行統(tǒng)計分析；②基于Hoek-Brown強度準則，采用現(xiàn)場測繪和室內(nèi)試驗相結(jié)合的辦法，獲取壩基巖體抗剪強度參數(shù)c和f。

我國標準[4]規(guī)定：①巖體抗剪斷強度應取峰值強度；②當試件呈脆性破壞時，應取比例極限強度與殘余強度兩者的小值或二次剪(摩擦試驗)的峰值強度作為巖體抗剪強度；當試件呈塑性破壞或彈塑性破壞時，應取屈服強度或取二次剪峰值強度作為巖體抗剪強度。

美國標準[5]強調(diào)當確定由各種材料提供的抗剪力時，應考慮變形的影響，其巖體抗剪強度參數(shù)應通過對完整巖體進行的剪切測試獲得的剪切應力和法向應力散點圖(通常需要9次或更多次測試數(shù)據(jù))，采用優(yōu)定斜率法確定其抗剪強度上下限值，根據(jù)工程實際情況選用，并沒有嚴格限制選用上限值還是下限值。同時，由于基于Hoek-Brown準則的壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值方法在國外應用較早，多數(shù)國外咨詢工程師都習慣采用此方法進行取值。因此，我國公司在開展國外工程勘察設(shè)計時，經(jīng)常遇到業(yè)主咨詢工程師要求采用Hoek-Brown法進行壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值的問題，需反復溝通并進行中外方法參數(shù)取值結(jié)果對比后，才能取得業(yè)主咨詢工程師的理解?？梢?，在國外工程勘察過程中，有效掌握基于Hoek-Brown準則的壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值方法對我國的勘察設(shè)計企業(yè)非常重要。無論是直接引用Hoek-Brown強度準則還是采用Hoek-Brown法將取值結(jié)果轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)摩爾-庫倫強度參數(shù)c和f，一項基本工作是需要在勘察過程中獲得3個基本參數(shù)：地質(zhì)強度指標GSI、巖石單軸抗壓強度UCS和巖性指標mi。GSI=RQD/2+1.5JCond89，RQD表示巖體結(jié)構(gòu)特征；JCond89表示節(jié)理面狀態(tài)，直接引用了1989年版RMR系統(tǒng)中節(jié)理面狀態(tài)指標的取值結(jié)果，該值在[0，30]之間。UCS可通過試驗獲得，需要注意的是，我國水電行業(yè)實際工作中更加關(guān)注飽和單軸抗壓強度，在Hoek-Brown準則和取值方法中，UCS指天然單軸抗壓強度，鑒于UCS對最終取值結(jié)果影響相對較小，不是主要因素，可以考慮除壩基巖體以外，按照Hoek-Brown準則的要求，采用自然樣試驗結(jié)果。mi可以采用室內(nèi)三軸試驗或查詢統(tǒng)計結(jié)果的方式獲得，前者可靠性較好，Hoek等人根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，提出了不同巖石的mi經(jīng)驗值表，可直接查詢。

3.4 無充填結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)取值對比

中美標準在無充填結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)取值方面的差異主要體現(xiàn)在正應力水平和破壞模式分析方面。我國標準沒有結(jié)合具體建筑物規(guī)模來考慮；美國標準要求考慮施加在結(jié)構(gòu)面的正應力水平，分析可能的剪切破壞模式，進行有針對性的取值。

我國標準[4]規(guī)定，抗剪斷強度應取峰值強度，抗剪強度應取殘余強度或取二次剪(摩擦試驗)峰值強度。美國標準[5]對無充填結(jié)構(gòu)面定義了低正應力表面微凸體爬坡、高正應力表面微凸體破壞2種破壞模式，當建構(gòu)筑物施加的正應力較低時，破壞模式由表面微凸體爬坡控制，抗剪強度參數(shù)為基本摩擦角Фu和一階表面微凸體有效傾斜角i，相應τf=σntan(Фu+i)，式中，τf為剪應力，σn為正應力，其上下界剪切強度分別從試驗室測試含有自然非連續(xù)面和已裂開剪切面的樣本中獲得，從光滑已裂開面剪切測試獲得破壞包絡(luò)面下界，可界定Фu，為設(shè)計選擇的摩擦角可從Фu和i的角度總和中獲得，2個角之和不得超過自然非連續(xù)面上界剪切測試獲得的摩擦角。當正應力水平較高，且超過破壞模式轉(zhuǎn)換應力στ時，表現(xiàn)為高正應力表面微凸體破壞，τf=ca+σntanФr，式中，Фr為構(gòu)成表面微凸體物質(zhì)的殘余摩擦角，ca為源自表面微凸體的視凝聚力(抗剪強度截距)，相應破壞模式下的抗剪強度參數(shù)Фr和ca需通過大量原位剪切試驗匯總分析確定。

3.5 充填結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)取值對比

中美標準在充填結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)取值方面的差異主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)面的分類和對構(gòu)造型結(jié)構(gòu)面的取值方面。我國標準按結(jié)構(gòu)面類型進行現(xiàn)場試驗和參數(shù)整理分析，考慮結(jié)構(gòu)面厚度和起伏差的影響；美國標準特別關(guān)注結(jié)構(gòu)面的位移歷史，對于結(jié)構(gòu)面的起伏情況一般不考慮。

我國標準[4]規(guī)定：①軟弱結(jié)構(gòu)面應根據(jù)巖塊巖屑型、巖屑夾泥型、泥夾巖屑型和泥型分別取值；②抗剪斷強度應取峰值強度，當試件粘粒含量大于30%或有泥化鏡面或粘土礦物以蒙脫石為主時，抗剪斷強度應取流變強度，抗剪強度應取屈服強度或殘余強度，整理方法同剛性結(jié)構(gòu)面；③當軟弱結(jié)構(gòu)面有一定厚度時，應考慮厚度的影響，當厚度大于起伏差時，軟弱結(jié)構(gòu)面應采用軟弱物質(zhì)的抗剪(斷)強度作為標準值，當厚度小于起伏差時，還應采用起伏差的最小爬坡角，提高軟弱物質(zhì)抗剪(斷)強度試驗值作為標準值。

美國標準[5]主要考慮充填物的厚度、材料類型、先前應力、位移歷史等4個因素，對結(jié)構(gòu)面的起伏情況一般不考慮。①充填結(jié)構(gòu)面位移歷史是主要關(guān)注的問題，當充填物性狀表明結(jié)構(gòu)面最近發(fā)生位移，則代表結(jié)構(gòu)面的強度處于或接近其殘余值，相應剪切強度選擇應基于自然節(jié)理試驗室殘余剪切測試，不考慮粘聚力的影響；②充填結(jié)構(gòu)面先前未發(fā)生位移，抗剪強度則處于或接近其峰值，充填物是否是正常固結(jié)或超固結(jié)土壤具有重要意義，需要通過合理工程判斷進行調(diào)整，峰值強度用于由正常固結(jié)粘性材料和所有無粘性材料組成的填料，峰值強度或極限強度用于由低塑性超固結(jié)粘性材料組成的填料，極限強度、重塑填料峰值強度或殘余強度(取決于材料特性)用于由中高度塑性超固結(jié)粘性材料組成的填料。

3.6 混合破壞模式抗剪強度參數(shù)取值對比

我國標準[4]未定義混合破壞模式抗剪強度參數(shù)取值方法，工程實踐中，一般考慮裂隙連通率，采用裂隙和巖體抗剪強度參數(shù)加權(quán)平均方法取值。美國標準[5]中，混合破壞模式指關(guān)鍵破壞路徑由非連續(xù)面段和穿過完整巖石的平面段予以界定的模式，由于非連續(xù)面或完整巖石界定的破壞路徑比例鮮為人知，且導致完整巖石破壞的應變/位移的數(shù)量級(10倍)要小于非連續(xù)巖石相關(guān)的位移，當完整巖石的峰值強度部分已經(jīng)動員起來時，而沿不連續(xù)面的峰值強度被動員起來以前尚只達到殘余強度。因此，選擇混合模式組合面抗剪強度時，必須基于合理的工程判斷和在類似地質(zhì)條件建設(shè)類似項目所獲得的經(jīng)驗。

4 主要體會

(1)中美標準在安全控制指標、荷載組合、試驗方法、試驗數(shù)據(jù)整理及參數(shù)取值方面均存在差異。在參數(shù)取值過程中，應充分了解使用條件和參數(shù)取值上的差異，避免隨意混用、套用標準，未經(jīng)分析就將按國內(nèi)規(guī)范方式下的巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值成果直接用于美標公式計算，可能導致穩(wěn)定性計算成果存在較大偏差。因此，在使用美標進行穩(wěn)定性分析計算時，如何獲取與之對應的力學參數(shù)，確保計算成果合理是一個關(guān)鍵的問題。

(2)我國規(guī)范[4]給出了基于巖體質(zhì)量分類的抗剪斷強度參數(shù)建議值，該成果來源于大量現(xiàn)場剪切試驗的統(tǒng)計分析，但該表對經(jīng)驗取值的來源和可靠性沒有詳細的分析說明，要得到業(yè)主咨詢工程師的認可需反復溝通解釋，建議我國標準針對此經(jīng)驗參數(shù)表提供詳細的取值過程分析成果，并公開發(fā)表，提高成果的權(quán)威性，便于我國企業(yè)在國外與咨詢工程師進行溝通。同時，我國規(guī)范中所列經(jīng)驗參數(shù)表備注僅適用于壩高70 m以上的硬巖，壩高低于70 m時參考取值，軟巖地基適當折減，但沒有具體參考和折減標準，建議補充說明。

(3)我國標準在參數(shù)取值時重視室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，并有一定的試驗組數(shù)要求，對最終提供的巖土物理力學參數(shù)一般不反映取值分析的過程，更強調(diào)既往經(jīng)驗的運用；美國標準重視參數(shù)取值過程，要求詳細說明參數(shù)來源、取值分析過程和最終參數(shù)取值的合理性。

(4)由于基于Hoek-Brown強度準則的壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值方法在國外應用較早，多數(shù)國外咨詢工程師都習慣采用此方法進行取值。我國公司在開展國外工程勘察設(shè)計時，經(jīng)常遇到業(yè)主咨詢工程師要求采用Hoek-Brown法進行壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值的問題，需反復溝通，并進行中外標準參數(shù)取值結(jié)果對比后，才能取得業(yè)主咨詢工程師的理解并最終接受。因此，在國外工程勘察設(shè)計過程中，有效掌握基于Hoek-Brown強度準則的壩基巖體抗剪強度參數(shù)取值方法，對我國勘察設(shè)計企業(yè)走出去非常重要。

(5)試驗數(shù)據(jù)整理方面，我國標準規(guī)定，當采用各單組試驗成果整理時取小值平均值作為標準值，當采用同一類別巖體或結(jié)構(gòu)面試驗成果整理時取優(yōu)定斜率法的下限值作為標準值；美國標準主要采用優(yōu)定斜率法確定同一類別巖體或結(jié)構(gòu)面的抗剪強度上下限值，并沒有嚴格限制選用上限值還是下限值。

(6)對混合破壞模式抗剪強度參數(shù)取值，美國標準強調(diào)變形協(xié)調(diào)性的影響，我國標準考慮連通率按巖塊和結(jié)構(gòu)面加權(quán)平均來確定混合破壞模式抗剪強度參數(shù)，可能存在抗剪強度參數(shù)高估的問題。

5 結(jié) 語

在國外工程勘察設(shè)計過程中，我國企業(yè)或多或少都遇到標準的適用性問題，特別是基于我國水電工程實踐總結(jié)提出的巖體及結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)經(jīng)驗表，因其取值過程在規(guī)范中沒有詳細交待，很難被國外業(yè)主和咨詢工程師接受。多數(shù)國外業(yè)主和咨詢工程師對美國標準和Hoek-Brown強度準則較為熟悉，而我國標準在這幾年才大規(guī)模的走出去，外國咨詢工程師對我國規(guī)范不熟悉，一開始自然很難接受。因此，在合同談判時，除了爭取明確采用我國標準外，還要加強外國標準的學習，進行對比研究，在工作過程中反復溝通，才能取得業(yè)主咨詢工程師的理解，并逐步接受我國標準。