程展林，潘家軍

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院, 武漢 430010; 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430010)

1 研究背景

土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過(guò)拋填、輾壓等方法堆筑而成的擋水壩。土石壩由于具有對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性、就地取材和節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，成為世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的壩型之一[1]。土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。進(jìn)入20世紀(jì)以后，土石壩在美國(guó)、加拿大和蘇聯(lián)等國(guó)家得到了快速的發(fā)展，相繼建成了一批200～300 m級(jí)的高土石壩，如美國(guó)Oroville(壩高235 m)、哥斯達(dá)黎加Boruca(壩高267 m)、蘇聯(lián)Nurek(壩高300 m)[2]。我國(guó)高土石壩工程建設(shè)雖然起步較晚，但發(fā)展速度之快在世界上絕無(wú)僅有。目前已建及擬建高度200 m以上的高土石壩數(shù)量與高度均居世界前列。隨著我國(guó)河流梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)及水資源合理配置進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)土石壩的建設(shè)高度已發(fā)展至300 m級(jí)，如雙江口(壩高314 m)、如美(壩高315 m)、兩河口(壩高295 m)。保證這些高壩大庫(kù)的建設(shè)與長(zhǎng)期運(yùn)行安全是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和公共安全保障的重大需求[3]。在國(guó)內(nèi)外高土石壩建設(shè)運(yùn)行史上，有不少的土石壩工程出現(xiàn)了壩體裂縫和滲漏量較大等問(wèn)題，也有極少數(shù)土石壩在首次蓄水時(shí)出現(xiàn)突然滲漏的現(xiàn)象[4]。工程實(shí)踐和已有的研究表明，土石壩應(yīng)力變形計(jì)算分析成果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在明顯差異，土石壩計(jì)算分析難以做到準(zhǔn)確的定量?，F(xiàn)有壩工理論、方法和技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后工程實(shí)踐的需求，對(duì)300 m級(jí)高土石壩的建設(shè)與長(zhǎng)期安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

粗粒料常作為筑壩材料在土石壩工程中廣泛應(yīng)用，由于粗粒料力學(xué)特性的復(fù)雜性以及試驗(yàn)?zāi)芰Φ牟蛔悖至Ａ系谋緲?gòu)模型仍然難以準(zhǔn)確反映其力學(xué)特性。由不同填料形成的土石壩，壩體各分區(qū)材料性質(zhì)不同，土石壩應(yīng)力變形時(shí)空演化規(guī)律十分復(fù)雜。對(duì)于心墻區(qū)，伴隨著填筑過(guò)程中非飽和礫石土的瞬時(shí)變形、固結(jié)變形、蠕變，以及蓄水過(guò)程中非飽和土滲流過(guò)程的濕化變形；對(duì)于堆石區(qū)，變形相對(duì)簡(jiǎn)單，伴隨著填筑過(guò)程中非飽和堆石料的瞬時(shí)變形、蠕變，以及蓄水過(guò)程濕化變形。壩體各分區(qū)變形量以及變形過(guò)程的差異性，一定會(huì)影響土石壩的安全性，尤其是對(duì)特高土石壩，因?qū)ζ鋺?yīng)力變形時(shí)空演化規(guī)律認(rèn)識(shí)不充分，忽視了其安全性方面存在的問(wèn)題。要真實(shí)模擬各種變形，首要問(wèn)題是建立可信的本構(gòu)模型，并試驗(yàn)確定模型參數(shù)。在試驗(yàn)技術(shù)方面，一些關(guān)鍵技術(shù)仍然制約壩工理論的發(fā)展，如粗粒料級(jí)配相似理論、土工試驗(yàn)消摩技術(shù)、礫石土的飽和方法、壩基覆蓋層取樣技術(shù)等。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在大量的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目的資助下，我國(guó)學(xué)者已在土石壩筑壩材料的試驗(yàn)和理論研究等方面取得了卓有成效的研究進(jìn)展，為我國(guó)高土石壩建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。本文將圍繞粗粒料(包括礫石土心墻料)試驗(yàn)方法與測(cè)試技術(shù)、粗粒料強(qiáng)度變形特性和粗粒料蠕變變形特性、濕化變形特性、覆蓋層的工程特性試驗(yàn)方法等方面的問(wèn)題，介紹長(zhǎng)江科學(xué)院近幾年相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，為高土石壩建設(shè)提供重要科技支撐。

2 粗粒料試驗(yàn)方法與測(cè)試技術(shù)

2.1 粗粒料級(jí)配相似理論試驗(yàn)方法研究

筑壩粗粒料的最大粒徑達(dá)1 000 mm的量級(jí)，利用室內(nèi)試驗(yàn)儀器不可能對(duì)原級(jí)配粗粒料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，往往需要對(duì)原級(jí)配料進(jìn)行縮尺。針對(duì)縮尺后的替代料，如何試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映原級(jí)配料的力學(xué)特性是粗粒料試驗(yàn)必須解決的問(wèn)題。由于原級(jí)配料的力學(xué)特性不確定，土力學(xué)界始終未找到可信的方法解決這一難題。長(zhǎng)江科學(xué)院在充分研究粗粒料組構(gòu)特性的基礎(chǔ)上提出“旁壓模量當(dāng)量密度法”新思路，即對(duì)于縮尺前后的2種級(jí)配料，在應(yīng)力一定的條件下，依據(jù)旁壓模量相等原則確定縮尺后的替代料試驗(yàn)密度。原級(jí)配料的旁壓模量可在壩體中鉆孔測(cè)定，縮尺后的替代料的旁壓模量可在室內(nèi)進(jìn)行模型試驗(yàn)測(cè)定，室內(nèi)模型可模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并成孔測(cè)定其旁壓模量，并通過(guò)系列室內(nèi)模型測(cè)定縮尺后的替代料旁壓模量與密度的關(guān)系。由此，在應(yīng)力相同的條件下，當(dāng)量密度的替代料與實(shí)際密度的原級(jí)配料旁壓模量相同，在粗粒料可縮尺的前提下，認(rèn)為2種級(jí)配料的力學(xué)性質(zhì)基本相同，可以針對(duì)當(dāng)量密度的替代料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)以測(cè)定原級(jí)配料的力學(xué)參數(shù)。粗粒料級(jí)配相似理論研究簡(jiǎn)化為粗粒料試驗(yàn)密度的確定方法研究。

級(jí)配相似理論研究有2個(gè)問(wèn)題需試驗(yàn)論證。其一，如何縮尺，當(dāng)量密度的替代料與實(shí)際密度的原級(jí)配料力學(xué)參數(shù)相近。目前，正在利用直徑1 000 mm和300 mm的2種三軸試驗(yàn)料進(jìn)行研究，將直徑1 000 mm的三軸試驗(yàn)料視為原級(jí)配料，將直徑300 mm的三軸試驗(yàn)料視為替代料。其二，單一力學(xué)指標(biāo)旁壓模量能否作為級(jí)配相似理論的判據(jù)。近年來(lái)，長(zhǎng)江科學(xué)院針對(duì)土粒粒徑大、無(wú)法取原狀樣的深厚砂礫石覆蓋層工程特性研究，提出了采用室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)間接確定深厚砂礫石覆蓋層天然密度的新方法(簡(jiǎn)稱(chēng)旁壓模量當(dāng)量密度法)，通過(guò)烏東德壩基深厚砂礫石覆蓋層的旁壓模量當(dāng)量密度法試驗(yàn)與后期伴隨基坑開(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)比較得到成功驗(yàn)證，已編入《粗粒料試驗(yàn)規(guī)程》(T/CHES 29—2019)。該試驗(yàn)在一定程度上表明旁壓模量是可以作為級(jí)配相似理論判據(jù)的。同時(shí)，結(jié)合上述2種尺寸的三軸試驗(yàn)，對(duì)2種級(jí)配料進(jìn)行室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)，從另一方面進(jìn)行試驗(yàn)論證。

2.2 粗粒料細(xì)觀試驗(yàn)方法

粗粒料是一種典型的散體材料，具有多尺度散粒體的離散特征?，F(xiàn)有的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法難以全面表征粗粒料的許多力學(xué)特性，作為一種散體材料，粗粒料的力學(xué)特性受土顆粒的位置排列和粒間接觸力的影響。人們雖然很早就認(rèn)識(shí)到散粒體材料的離散特征，但是卻幾乎一直沿用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法構(gòu)造其數(shù)學(xué)模型。鄭穎人[5]系統(tǒng)總結(jié)了經(jīng)典塑性力學(xué)用于巖土類(lèi)材料研究所存在的問(wèn)題。沈珠江[6]指出建立土體結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型將成為21世紀(jì)土力學(xué)研究的核心問(wèn)題。粗粒料具有相對(duì)較大的顆粒尺寸、相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特征，因此，土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)研究可以從粗粒料的研究入手。計(jì)算機(jī)斷層X(jué)-射線技術(shù)(Computerized Tomography，CT)可以無(wú)損、動(dòng)態(tài)、定量和實(shí)時(shí)地量測(cè)巖土材料在受力過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，適用于從細(xì)觀角度研究粗粒料的變形與破壞機(jī)理。

長(zhǎng)江科學(xué)院建立了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)巖土試驗(yàn)專(zhuān)用CT工作站(圖1(a))，并于2006年首次研制了第一代立式CT三軸儀(圖1(b))，該試樣尺寸為Φ100 mm×200 mm，壓力室和千斤頂均為非金屬材料，可對(duì)試樣進(jìn)行軸向掃描，小主應(yīng)力最大值為1.0 MPa。2009年研制了第二代臥式CT三軸儀(圖1(c))，千斤頂為金屬構(gòu)件，壓力室拉桿為特種鋁合金，可有效減小偽影。在壓力室與千斤頂之間增加了位移傳感器和荷重傳感器，可實(shí)現(xiàn)豎向應(yīng)變和大主應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)量，小主應(yīng)力最大值進(jìn)一步提高到3.0 MPa。2016年與英國(guó)GDS公司合作又新研制了第三代CT三軸儀(圖1(d))，與第二代CT三軸儀相比，推力油源加載由手動(dòng)控制改為伺服控制，大大增加了加載精確度和穩(wěn)壓效果，提高荷載傳感器和位移傳感器精度，實(shí)現(xiàn)了CT三軸試驗(yàn)的全過(guò)程伺服控制與精確測(cè)量。

圖1 長(zhǎng)江科學(xué)院CT可視化系統(tǒng)

圖2 CT三軸試驗(yàn)圖像(圍壓σ3=0.2 MPa)

針對(duì)粗粒料組構(gòu)問(wèn)題，采用自主研制的CT三軸儀開(kāi)展了粗粒料應(yīng)變式三軸壓縮試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中粗粒料試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和無(wú)損檢測(cè)[7]。利用自行開(kāi)發(fā)的“計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量分析系統(tǒng)”，針對(duì)試驗(yàn)得到的CT圖像(圖2)，對(duì)不同宏觀應(yīng)變時(shí)刻下的顆粒位置及其位置變化進(jìn)行了量測(cè)，獲得了三軸剪切過(guò)程中粗粒料顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(圖3)。實(shí)現(xiàn)了由三軸試驗(yàn)的CT圖像取得粗粒料組構(gòu)信息的研究方法，實(shí)現(xiàn)了粗粒料組構(gòu)要素的定量測(cè)量。

圖3 顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

結(jié)果表明，掃描得到的粗粒料CT圖像清晰可靠，能夠準(zhǔn)確顯示顆粒的形態(tài)和位置。通過(guò)CT三軸儀和計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量分析系統(tǒng)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，初步解決了粗粒料細(xì)觀組構(gòu)的量化問(wèn)題。

2.3 土工試驗(yàn)微摩擦加載技術(shù)

在土工三軸、壓縮等試驗(yàn)中，由于土體材料與加載結(jié)構(gòu)之間變形的不協(xié)調(diào)，兩者之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，界面摩擦力的存在影響到試樣受力的準(zhǔn)確性，對(duì)試樣的變形大小和形態(tài)產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不確定性。同時(shí)，在三軸試驗(yàn)中，試樣剪切完成后呈現(xiàn)鼓狀形態(tài)；固結(jié)試驗(yàn)中，孔壓滯后并明顯偏低；大型直剪試驗(yàn)中，剪切面上的正應(yīng)力偏低。這些現(xiàn)象都是界面摩擦力導(dǎo)致的結(jié)果。

現(xiàn)有降低界面摩擦力的技術(shù)通常有以下幾種：采用高拋光板、摩擦系數(shù)較小的墊片或在加載板與試樣接觸面間涂黃油、凡士林等潤(rùn)滑劑[8-10]。程展林等[11]自行設(shè)計(jì)了一種端部摩擦力測(cè)試設(shè)備，開(kāi)展了粗粒料界面摩擦力的相關(guān)試驗(yàn)研究工作，結(jié)果表明，傳統(tǒng)界面減摩方法僅能使摩擦系數(shù)由0.4降低至0.2左右。近年來(lái)，對(duì)土工試驗(yàn)減摩技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)研究，提出了土工試驗(yàn)中試樣與加載板之間的減摩新方法并研制了相關(guān)裝置。

2.3.1 土工三軸試驗(yàn)中試樣與加載板之間的減摩新方法

針對(duì)土工三軸試驗(yàn)中存在的界面摩擦力問(wèn)題，提出了加載板與試樣之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦、整體式接觸變?yōu)榉稚⑹浇佑|的減摩新方法，大幅降低了加載板與試樣之間的摩擦系數(shù)，破解了加載板與試樣接觸面摩擦力過(guò)大的關(guān)鍵技術(shù)難題，為土工三軸試驗(yàn)的減摩技術(shù)開(kāi)辟了新的研究思路。

2.3.2 土工常規(guī)三軸試驗(yàn)單向微摩擦荷載傳力板

針對(duì)在三軸試驗(yàn)中試樣端部受到剛性試樣帽摩擦力束縛的問(wèn)題，發(fā)明了一種巖土工程三軸試驗(yàn)微摩擦荷載傳力板[12](圖4)，該裝置為直徑300 mm的圓盤(pán)，由7圈126個(gè)分布式接觸的滑塊組成，在承載板與滑塊之間設(shè)置滾珠，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，首次有效解決了三軸試驗(yàn)的端部約束問(wèn)題，提高了三軸試驗(yàn)精度。采用此創(chuàng)新裝置開(kāi)展了多種類(lèi)型的粗粒料大型三軸試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了端部摩擦約束是試樣出現(xiàn)鼓脹的根本原因，以及常規(guī)試驗(yàn)方法在應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)成果上可能出現(xiàn)較大偏差，尤其是體應(yīng)變?cè)囼?yàn)成果，證明了單向微摩擦荷載傳力板的有效性。

圖4 土工三軸試驗(yàn)微摩擦荷載傳力板

圖5 土工真三軸試驗(yàn)雙向微摩擦荷載傳力板的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 土工真三軸試驗(yàn)雙向微摩擦荷載傳力板

針對(duì)真三軸試驗(yàn)中剛性加載板與試樣之間的雙向摩擦力問(wèn)題，發(fā)明了土工真三軸試驗(yàn)雙向微摩擦荷載傳力板[13](如圖5)，有效解決加載板與試樣接觸面的摩擦力過(guò)大的關(guān)鍵技術(shù)難題。該裝置長(zhǎng)600 mm，寬300 mm，通過(guò)在加載板上布置60個(gè)豎向滾軸排，滾軸排上布置1 800個(gè)分散式滑塊，在滑塊與滾軸排之間設(shè)置滾珠，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，滑塊在加載板平面作滾動(dòng)摩擦雙向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了真三維應(yīng)力狀態(tài)下試樣與加載板之間的雙向微摩擦加載。為驗(yàn)證土工真三軸試驗(yàn)雙向微摩擦荷載傳力板的實(shí)際摩擦力，采用大型疊環(huán)式剪切儀對(duì)荷載傳力板進(jìn)行了4個(gè)上覆壓力的摩擦試驗(yàn)，得到的摩擦系數(shù)平均值為0.023。

不同減摩方法的對(duì)比試驗(yàn)表明[11]，采用試樣與加載板直接接觸，摩擦系數(shù)高達(dá)0.4；采用常規(guī)減摩方法，摩擦系數(shù)為0.2左右。長(zhǎng)江科學(xué)院研發(fā)的“微摩擦傳力板”減摩技術(shù)使摩擦系數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，低至0.023，有效消除了剛性加載板產(chǎn)生的附加摩擦力對(duì)試驗(yàn)成果的影響。

2.4 大型土工真三軸試驗(yàn)技術(shù)

土工真三軸試驗(yàn)儀是一種真實(shí)模擬土體三向受力狀態(tài)的土工測(cè)試設(shè)備。 真三軸儀采用立方體試樣， 從3個(gè)主應(yīng)力方向分別獨(dú)立加載， 使土樣中產(chǎn)生均勻的應(yīng)變和應(yīng)力。 與常規(guī)三軸試驗(yàn)相比， 真三軸試驗(yàn)可以更真實(shí)、 更全面地反映土體單元的三向受力狀態(tài)， 可用于土體的力學(xué)特性與本構(gòu)模型研究等[14]。 真三軸儀可在室內(nèi)對(duì)三向應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬， 并測(cè)定3個(gè)方向變形和體積變化， 是揭示土體變形和強(qiáng)度變化規(guī)律的關(guān)鍵科學(xué)儀器。 1936年，Kjellman首次提出真三軸儀的設(shè)想。 迄今為止， 已有多種各具特點(diǎn)的真三軸儀先后研制并投入使用。 按其壓力室的加荷特性， 分為剛性加載真三軸儀[15-17]、 柔性加載真三軸儀[18-19]和剛?cè)釓?fù)合加載真三軸儀[20-26]。 但由于儀器本身的復(fù)雜性， 目前真三軸儀還存在加載板與試樣接觸面摩擦力大、 加載板在大變形條件下三向加載相互干擾、 試樣尺寸小、 加載噸位低、 測(cè)試精度和自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題， 有待于進(jìn)一步完善和研發(fā)更佳的試驗(yàn)平臺(tái)。

長(zhǎng)江科學(xué)院在國(guó)家“八五”攻關(guān)期間研制了國(guó)內(nèi)最大的平面應(yīng)變儀(試樣尺寸L800 mm×W400 mm×H800 mm)，在三峽工程二期圍堰的方案比選中發(fā)揮了重要作用。2008年，長(zhǎng)江科學(xué)院程展林主持對(duì)原有的大型平面應(yīng)變儀進(jìn)行了升級(jí)改造，創(chuàng)造性地采用滾軸排技術(shù)，有效解決了加載板與試樣加載面存在較大摩阻力的難題。在平面應(yīng)變儀研制成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年潛心鉆研，提出了剛?cè)釓?fù)合的三向無(wú)干擾微摩擦加載技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)既可實(shí)現(xiàn)大變形條件下三向加載互不干擾，又解決了界面摩阻力過(guò)大的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上研制了大型微摩擦土工真三軸測(cè)試設(shè)備，解決了大尺寸、高壓力、高精度的復(fù)雜加載與測(cè)量等試驗(yàn)測(cè)試條件下所涉及的機(jī)械、力學(xué)、控制和計(jì)算機(jī)等諸多交叉與集成技術(shù)難題，為研究高土石壩復(fù)雜應(yīng)力條件下筑壩粗粒料的力學(xué)特性提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

圖6 大型土工真三軸測(cè)試設(shè)備

大型土工真三軸試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備(見(jiàn)圖6)，由壓力室、減摩系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。該設(shè)備是國(guó)內(nèi)外首臺(tái)大尺寸(試樣尺寸為L(zhǎng)300 mm×W300 mm×H600 mm)、微摩擦(摩擦系數(shù)0.023)、高壓力(最小主應(yīng)力達(dá)3 MPa，大主應(yīng)力達(dá)15 MPa)、高精度(體積變形精度達(dá)0.1 mL)、大變形(豎向最大變形達(dá)90 mm)、全自動(dòng)(可按任意設(shè)定加載過(guò)程，根據(jù)應(yīng)力或應(yīng)變控制方式進(jìn)行三向獨(dú)立加載)真三軸力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在大型土工真三軸試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的空白。

3 粗粒料應(yīng)力-應(yīng)變特性與K-K-G本構(gòu)模型

粗粒料作為土石壩主要填料，其本構(gòu)模型選擇及參數(shù)確定一直是土石壩工程數(shù)值分析中的難點(diǎn)問(wèn)題。能突出土的主要特性、力學(xué)概念簡(jiǎn)單、參數(shù)物理意義明確且不同土體間參數(shù)具有可比性是一種有生命力的本構(gòu)模型所具備的特點(diǎn)[27]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)粗粒料的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，建立了多個(gè)反映粗粒料特性的本構(gòu)模型[28-31]。簡(jiǎn)單的鄧肯-張模型[32]得到了工程界廣泛應(yīng)用就是例證。

高土石壩的工程實(shí)踐表明，本構(gòu)模型能否反映堆石料的剪脹性直接影響堆石壩計(jì)算分析成果的合理性。因此，合理的粗粒料本構(gòu)模型應(yīng)該能較好地反映其剪縮剪脹特性。針對(duì)多種粗粒料，長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行了大量的大型三軸和真三軸試驗(yàn)，在上述試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，作出了土的應(yīng)變分為彈性應(yīng)變和剪脹應(yīng)變、彈性應(yīng)變與應(yīng)力之間服從廣義虎克定律、剪脹應(yīng)變服從Rowe剪脹方程、彈性泊松比為常數(shù)等相關(guān)假設(shè)，提出了粗粒料體變模量(Kp)、剪脹模量(Kq)、剪切模量(G)與應(yīng)力關(guān)系式(如式(1)—式(5)所示)，構(gòu)建了粗粒料的非線性K-K-G模型，提出了模型參數(shù)確定方法，并通過(guò)復(fù)雜應(yīng)力條件下的真三軸試驗(yàn)驗(yàn)證了模型能夠很好地模擬試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(見(jiàn)圖7)，能合理反映粗粒料的非線性和剪脹性等主要力學(xué)特性。

(1)

(2)

(3)

其中:

(5)

圖7 粗粒料真三軸試驗(yàn)成果及K-K-G模型擬合曲線

4 粗粒料濕化特性試驗(yàn)與模型

粗粒料的濕化變形是指粗粒料遇水由干態(tài)變成濕態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的變形， 是堆石壩產(chǎn)生后期變形的主要因素之一。 在堆石壩的建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中， 水庫(kù)蓄水、 水位上下波動(dòng)、 雨水浸入壩體等都會(huì)使粗粒料產(chǎn)生濕化變形， 從而導(dǎo)致壩體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化。 國(guó)內(nèi)外已建成的堆石壩， 也存在不少因濕化變形產(chǎn)生不同程度破壞的現(xiàn)象。 粗粒料濕化變形大多通過(guò)單線法三軸濕化試驗(yàn)量測(cè)濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變， 并采用數(shù)據(jù)擬合方法來(lái)尋求其規(guī)律。 Nobari等[33]較早開(kāi)展了粗粒料濕化變形特性的研究； 國(guó)內(nèi)李廣信[34]、 殷宗澤等[35]較早開(kāi)展了粗粒料濕化變形特性試驗(yàn)并建立了數(shù)學(xué)模型； 隨后， 國(guó)內(nèi)多位學(xué)者[36-39]采用不同試驗(yàn)條件進(jìn)行了一系列濕化試驗(yàn)， 獲得了豐富的研究成果。 然而， 不同試驗(yàn)條件下得到的濕化體變規(guī)律存在一定的差異性。 長(zhǎng)江科學(xué)院針對(duì)雙江口堆石壩工程的花崗巖和變質(zhì)巖堆石料， 分別采用單線法和雙線法進(jìn)行了試樣直徑為300 mm的三軸濕化試驗(yàn)。 研究了粗粒料的濕化變形與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系、 單線法和雙線法試驗(yàn)成果之間的差異性， 在此基礎(chǔ)上提出了堆石料的濕化模型及模型參數(shù)， 并給出了模型的有限元數(shù)值計(jì)算方法。 與已有濕化模型相比， 粗粒料六參數(shù)濕化模型能夠明確指定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下濕化變形各分量， 能夠很好地模擬土石壩蓄水濕化變形。

長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注堆石料的濕化變形，對(duì)礫石土心墻料的濕化變形研究相對(duì)比較匱乏。在高心墻堆石壩的后期變形分析中，一般只考慮蓄水引起的堆石料的濕化變形，而忽略礫石土心墻料的濕化變形。這主要是由于當(dāng)前試驗(yàn)技術(shù)條件的限制，無(wú)法開(kāi)展礫石土心墻料的濕化變形特性研究，更沒(méi)有合理有效的礫石土心墻料濕化模型。礫石土心墻料的級(jí)配較寬，其中既含有顆粒較粗的碎石，最大粒徑可達(dá)150 mm，>5 mm的粒徑一般占30%～50%，又含有較大比例的黏性土，滲透系數(shù)一般在10-5～10-6cm/s。因此，需要采用試樣直徑為300 mm的大型三軸儀開(kāi)展礫石土心墻料力學(xué)特性試驗(yàn)，但因滲透系數(shù)低而導(dǎo)致大直徑試樣的飽和、排水固結(jié)等過(guò)程非常困難，從而導(dǎo)致礫石土心墻料濕化試驗(yàn)周期長(zhǎng)、效率低，同時(shí)難以保證試樣內(nèi)部心墻料達(dá)到充分飽和狀態(tài)。

隨著高心墻堆石壩的建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)行安全的需求，開(kāi)展高心墻堆石壩礫石土心墻料的濕化變形試驗(yàn)，成為必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)期研究礫石土心墻料的試驗(yàn)技術(shù)，提出采用“砂芯”加速飽和、固結(jié)排水的專(zhuān)利技術(shù)方法，成功突破了礫石土心墻料大型三軸試驗(yàn)飽和、固結(jié)排水周期長(zhǎng)、效率低等技術(shù)瓶頸。

4.1 堆石料的濕化試驗(yàn)與濕化模型及參數(shù)

堆石料濕化變形的機(jī)理是在水的作用下，水的潤(rùn)滑作用和材料軟化造成其顆粒的重新排列和破碎。開(kāi)展了堆石料三軸濕化試驗(yàn)，其結(jié)果表明不同堆石料的濕化應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系具有相似的規(guī)律，論證了單線法與雙線法成果的差異性，采用單線法開(kāi)展三軸濕化試驗(yàn)更為合理[37]。研究發(fā)現(xiàn):堆石料的濕化變形與其所受的應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，且規(guī)律性強(qiáng)。堆石料的濕化軸向應(yīng)變僅與濕化應(yīng)力水平密切相關(guān)，而與濕化時(shí)的圍壓關(guān)系不大；當(dāng)濕化應(yīng)力水平達(dá)0.6后，隨濕化應(yīng)力水平的增加，濕化軸向應(yīng)變?cè)黾语@著，見(jiàn)圖8(a)。堆石料的濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平和圍壓均相關(guān)，且與濕化應(yīng)力水平和圍壓均呈線性增長(zhǎng)關(guān)系(見(jiàn)圖8(b))。

圖8 花崗巖堆石料濕化應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平關(guān)系曲線

根據(jù)濕化試驗(yàn)結(jié)果，采用指數(shù)函數(shù)擬合濕化軸向應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平的關(guān)系，采用線性方程擬合濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力水平間的關(guān)系，提出了堆石料的濕化模型(如式(6))，相應(yīng)的應(yīng)變單位為%，應(yīng)力單位為MPa。

εaw=aebSw，εvw=(fσ3+g)Sw+(kσ3+h) 。(6)

式中：εaw和εvw分別為濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變；Sw為濕化應(yīng)力水平；σ3為濕化時(shí)小主應(yīng)力；a、b、f、g、k和h為擬合參數(shù)。

4.2 礫石土的濕化試驗(yàn)

針對(duì)典型工程礫石土心墻料，基于三軸試樣內(nèi)設(shè)置“砂芯”的加速飽和排水的專(zhuān)利技術(shù)，開(kāi)展了礫石土心墻料的濕化變形試驗(yàn)，其試驗(yàn)步驟是在堆石料的濕化變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了CO2置換和真空飽和過(guò)程。

試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石土心墻料存在明顯的濕化變形現(xiàn)象。礫石土心墻料的濕化變形與應(yīng)力水平、圍壓密切相關(guān)(圖9)。當(dāng)圍壓較小時(shí)，濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的增加呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)圍壓較大(1.2 MPa)時(shí)，其濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平關(guān)系明顯弱化。濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平的關(guān)系具有明顯的分叉結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力水平較低時(shí)(SL=0.2、0.4)，濕化軸向應(yīng)變和濕化體積應(yīng)變與圍壓關(guān)系不明顯；在應(yīng)力水平較高時(shí)(SL=0.6、0.8)，隨著圍壓的增加，濕化軸向應(yīng)變整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，濕化體積應(yīng)變整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。礫石土心墻料的濕化變形規(guī)律與堆石料明顯不同，呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的變化規(guī)律。

圖9 礫石土料濕化應(yīng)變與應(yīng)力水平、圍壓的關(guān)系曲線

礫石土心墻料的濕化變形試驗(yàn)成果應(yīng)該給予足夠重視，以往普遍認(rèn)為礫石土心墻料沒(méi)有濕化變形，試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石土心墻料的濕化變形遠(yuǎn)大于粗粒料。礫石土心墻料濕化變形的存在將會(huì)改變壩體各區(qū)的應(yīng)力重分布，將引起心墻壩安全性降低，壩體越高，安全性降低的幅度會(huì)越大。同時(shí)，濕化變形是伴隨飽和過(guò)程產(chǎn)生的，當(dāng)大壩蓄水，心墻飽和過(guò)程將十分漫長(zhǎng)，大壩的安全性降低過(guò)程也將十分漫長(zhǎng)，因此，關(guān)注礫石土心墻料的濕化變形是十分重要的。

5 粗粒料蠕變特性試驗(yàn)與模型

從目前建成的土石壩的觀測(cè)資料可見(jiàn)，一些堆石壩建成后，其后期的變形明顯，并可持續(xù)數(shù)十年之久，直接影響到土石壩的工作性狀。因此，筑壩材料的蠕變特性愈來(lái)愈引起壩工界的重視。蠕變與濕化變形均表現(xiàn)為工后變形，但兩者的力學(xué)機(jī)制完全不同，從理論上宜區(qū)別對(duì)待。

在應(yīng)用粗粒料作為筑壩材料時(shí)，有必要對(duì)粗粒料的蠕變特性進(jìn)行試驗(yàn)，以分析其長(zhǎng)期性能。國(guó)外Parkin[40]最早進(jìn)行粗粒料的單軸蠕變?cè)囼?yàn)，認(rèn)為沉降速率和時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系。國(guó)內(nèi)沈珠江等[41]最早對(duì)西北口面板壩墊層料進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn)，并提出了沈珠江三參數(shù)蠕變模型。隨后，多位學(xué)者[42-44]基于不同的蠕變時(shí)間發(fā)展規(guī)律或影響機(jī)制，提出了新的蠕變模型。2004年，長(zhǎng)江科學(xué)院針對(duì)水布埡面板堆石壩粗粒料進(jìn)行了三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究，在此基礎(chǔ)上，提出了九參數(shù)蠕變模型[45]，后續(xù)針對(duì)雙江口水電站、密松水電站、丹巴水電站等筑壩材料進(jìn)行了多組蠕變?cè)囼?yàn)[46-47]，研究成果為工程建設(shè)提供了有益的科技支撐。

5.1 粗粒料的蠕變?cè)囼?yàn)

按照滯后變形理論，總軸向應(yīng)變由瞬時(shí)產(chǎn)生的彈塑性軸向應(yīng)變?chǔ)舉p和滯后產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?nèi)渥儲(chǔ)臠兩部分組成；同理，總體積應(yīng)變由瞬時(shí)產(chǎn)生的彈塑性體積應(yīng)變?chǔ)舉pv和滯后產(chǎn)生的體積應(yīng)變?nèi)渥儲(chǔ)臠v兩部分組成。整理試驗(yàn)成果時(shí)，以2 h為界，2 h以前的應(yīng)變?yōu)槌跏紡椝苄詰?yīng)變，2 h以后的應(yīng)變?yōu)闇螽a(chǎn)生的蠕變。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，堆石料的蠕變量與時(shí)間t在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下均呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系(如圖10)，時(shí)間曲線可以采用冪函數(shù)表達(dá),即：

εL=εf(1-t-λ) ；

(7)

εLv=εfv(1-t-λv) 。

(8)

式中：εf、εfv分別為某一應(yīng)力狀態(tài)下的最終軸向蠕變量和最終體積應(yīng)變?nèi)渥兞?；εf、λ、εfv、λv為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)。軸向剩余蠕變量(εf+εep)-ε=εf-εL和體積應(yīng)變剩余蠕變量(εfv+εepv)-εv=εfv-εLv與時(shí)間t在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

圖10 軸向應(yīng)變?nèi)渥兞?、體積應(yīng)變?nèi)渥兞颗c時(shí)間的關(guān)系曲線

5.2 蠕變模型及模型參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)成果擬合得到不同圍壓和應(yīng)力水平下的參數(shù)εf、λ，且εf、λ為應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，可由式(9)、式(10)表示。

(9)

λ=ησ3-m。

(10)

體積應(yīng)變?nèi)渥兞侩S時(shí)間的變化曲線可以采用冪函數(shù)表達(dá)，且參數(shù)εfv與圍壓σ3呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，與應(yīng)力水平SL之間呈冪函數(shù)關(guān)系。λv與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系不明顯，假定λv為常數(shù),即：

εfv=cαSLdα+cβSLdβσ3;

(11)

λv=常數(shù) 。

(12)

綜上，粗粒料蠕變模型共9個(gè)參數(shù)，c、d、η、m、cα、dα、cβ、dβ、λv為擬合參數(shù)。

6 深厚砂礫石覆蓋層的原位密度試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)河床覆蓋層工程特性的研究，主要采用現(xiàn)場(chǎng)大型力學(xué)試驗(yàn)，或通過(guò)開(kāi)挖豎井、深槽以及大直徑鉆孔取樣等方法進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，以獲得表層和中淺部土層的土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。對(duì)于較深部和深部的土層只能采取類(lèi)比或者經(jīng)驗(yàn)的方法推測(cè)確定，或通過(guò)觸探、聲波、鉆孔旁壓等手段對(duì)土層性質(zhì)進(jìn)行定性分析?？偟膩?lái)說(shuō)，目前，覆蓋層物理力學(xué)特性試驗(yàn)還沒(méi)有好方法[48]。

針對(duì)超深厚覆蓋層原位密度難以確定的問(wèn)題，基于當(dāng)量密度法的原創(chuàng)思想，提出了一種利用旁壓試驗(yàn)間接確定深厚覆蓋層的原位密度試驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)“旁壓模量當(dāng)量密度法”)，為準(zhǔn)確測(cè)定深厚覆蓋層力學(xué)特性提供了先進(jìn)手段?；舅悸肥窃诂F(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)定覆蓋層地基的旁壓模量。采用覆蓋層原級(jí)配料，在室內(nèi)進(jìn)行不同密度覆蓋層的旁壓模型試驗(yàn)，室內(nèi)模型可模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并成孔測(cè)定其旁壓模量，建立覆蓋層的旁壓模量與密度的相關(guān)關(guān)系，從而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的旁壓模量大小推測(cè)深厚覆蓋層的現(xiàn)場(chǎng)密度，該密度也是室內(nèi)力學(xué)性試驗(yàn)的控制密度(見(jiàn)圖11)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展室內(nèi)力學(xué)特性試驗(yàn)。由此建立了整套確定深厚覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)的新方法。

圖11 利用室內(nèi)旁壓試驗(yàn)成果推求現(xiàn)場(chǎng)砂礫石密度示意圖

同時(shí)，針對(duì)目前旁壓探頭不能適應(yīng)大旁脹量和高壓的要求而無(wú)法測(cè)得完整的試驗(yàn)曲線等問(wèn)題，研制了一種新型高壓大膨脹量的新型旁壓儀探頭，旁壓儀承受最大壓力6 MPa以上，極限體積變形可達(dá)1 000 cm3，測(cè)試深度為200～300 m，可滿足深厚覆蓋層中試驗(yàn)要求。在原有中型旁壓模型試驗(yàn)箱基礎(chǔ)上(圖12(a))，研制了高2.0 m、直徑1.5 m的大型旁壓模型試驗(yàn)箱(圖12(b))，可在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)邊界條件可控的砂卵石覆蓋層旁壓試驗(yàn)。

圖12 室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)儀

7 結(jié) 論

我國(guó)高土石壩筑壩材料的試驗(yàn)和理論研究取得引人矚目的成果，為高土石壩安全建設(shè)提供了重要的參考和技術(shù)支撐。本文系統(tǒng)介紹了長(zhǎng)江科學(xué)院在筑壩粗粒料的試驗(yàn)方法與測(cè)試技術(shù)、強(qiáng)度變形特性、蠕變變形特性、濕化變形特性、覆蓋層的工程特性試驗(yàn)方法等方面的研究進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)粗粒料級(jí)配相似問(wèn)題，提出了“旁壓模量當(dāng)量密度法”，由此開(kāi)展堆石料的級(jí)配相似理論研究是一個(gè)全新的思路。

(2)針對(duì)粗粒料組構(gòu)問(wèn)題，介紹了研發(fā)的新型CT三軸儀，基于CT機(jī)的高空間、時(shí)間分辨率及多維重建圖像功能，耦合CT三軸儀實(shí)現(xiàn)了粗粒料組構(gòu)要素的定量測(cè)量。

(3)提出了土工試驗(yàn)中試樣與加載板之間的接觸由整體接觸變?yōu)榉稚⑹浇佑|、滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的減摩方法，發(fā)明了相關(guān)減摩裝置，實(shí)現(xiàn)了真三維應(yīng)力狀態(tài)下試樣與加載板之間的雙向微摩擦加載，有效解決加載板與試樣接觸面的摩阻力過(guò)大的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(4)研制了大尺寸、高壓力、微摩擦、剛?cè)釓?fù)合加載土工真三軸儀，攻克了大變形條件下三維無(wú)干擾的獨(dú)立智能加載、變形過(guò)程中試樣形心空間位置不變及三維軸向均勻加載等關(guān)鍵技術(shù)難題。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在大型土工真三軸試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的空白。

(5)揭示了粗粒料真實(shí)三維應(yīng)力條件下的強(qiáng)度與變形的變化規(guī)律、濕化與蠕變變形機(jī)理；構(gòu)建了粗粒料三參量非線性K-K-G剪脹模型、六參數(shù)濕化模型、九參數(shù)蠕變數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的參數(shù)確定方法，為高土石壩變形預(yù)測(cè)與控制提供了有效途徑。

(6)基于當(dāng)量密度法的原創(chuàng)思想，提出了利用旁壓試驗(yàn)間接確定超百米級(jí)深厚覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)密度的試驗(yàn)方法，為準(zhǔn)確測(cè)定深厚覆蓋層力學(xué)特性提供了先進(jìn)手段，破解了深厚覆蓋層工程特性測(cè)試技術(shù)難題。