李向陽(yáng) 左永振 周躍峰 陳晴

摘要：

針對(duì)覆蓋層粗粒料的原位物理特性難以確定的技術(shù)難題，采用室內(nèi)旁壓試驗(yàn)與大型三軸試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)金沙江蘇洼龍水電站壩基深厚覆蓋層③層和⑤層粗粒土進(jìn)行了原位密度與力學(xué)特性的試驗(yàn)研究。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量，采用同源粗粒土進(jìn)行不同密度的室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)，建立旁壓模量與密度的關(guān)系曲線，推求了覆蓋層③層和⑤層的原位密度。依照上述密度，開展了覆蓋層③層和⑤層的常規(guī)大型三軸試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和變形參數(shù)指標(biāo)。研究成果可為蘇洼龍水電站高土石壩安全分析和變形協(xié)調(diào)控制提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

粗粒土; 深厚覆蓋層; 原位密度; 旁壓試驗(yàn); 大型三軸試驗(yàn); 蘇洼龍水電站

中圖法分類號(hào)： TU47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.030

0 引 言

深厚覆蓋層是指堆積于河床之中，厚度大于30 m的第四系松散堆積物[1]。河床深厚覆蓋層結(jié)構(gòu)松散、成因類型復(fù)雜、物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)較大的不均勻性。當(dāng)今的水利水電工程建設(shè)不得不面臨地基條件差且復(fù)雜的難題，其中覆蓋層的力學(xué)特性是水利水電工程設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外建于覆蓋層上的水工建筑物約有50%事故是由于壩基變形過大、滲透破壞或滑動(dòng)等因素導(dǎo)致的[2]。河床覆蓋層的空間結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)特性極為復(fù)雜，但目前對(duì)這種材料的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐。為了保證深厚覆蓋層上高土石壩的安全穩(wěn)定，必須在充分了解河床覆蓋層的空間分布特征與力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)覆蓋層壩基與壩體的變形，并嚴(yán)格控制其變形。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)深厚覆蓋層的勘探、取樣、工程特性試驗(yàn)、建壩試驗(yàn)研究、變形應(yīng)力計(jì)算及防滲加固處理等方面都積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[3-5]。同時(shí)，在經(jīng)過多年研究之后，在深厚覆蓋層成因、物理性質(zhì)、一般力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)問題，以及土石壩筑壩材料研究、大壩應(yīng)力變形分析等方面己取得了一定的成果和突破，但由于深厚覆蓋層的復(fù)雜性，依然有不少難題有待解決。深厚覆蓋層天然密度和級(jí)配是進(jìn)行室內(nèi)單元體力學(xué)性試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，比如：壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)等。但由于深厚覆蓋層多以大粒徑砂礫石為主，屬松散堆積體，很難對(duì)天然密度和級(jí)配進(jìn)行測(cè)試，長(zhǎng)期以來(lái)成為困擾工程建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。

地質(zhì)工作者嘗試通過各種各樣的方法，在勘察階段獲得深厚覆蓋層天然密度和級(jí)配。起初主要通過挖坑灌水法，由于開挖深度淺，只能對(duì)淺部覆蓋層進(jìn)行測(cè)試。后期進(jìn)行探槽開挖，可對(duì)10 m左右深度范圍內(nèi)的覆蓋層進(jìn)行測(cè)試，隨著探明覆蓋層厚度的增大，探槽開挖的工作量巨大，已不能滿足測(cè)試要求，深部覆蓋層的天然密度和級(jí)配只能通過鉆探取芯法獲得。為解決取芯問題，勘察單位將植物膠[6]作為鉆探?jīng)_洗液，取得了一定的效果，但仍存在兩個(gè)方面的問題：首先，采用沖洗液獲得的鉆孔芯樣結(jié)構(gòu)受到了很大的擾動(dòng)，用于分析顆粒級(jí)配是可行的，但不能用于確定天然密度，很難達(dá)到規(guī)范中對(duì)于原狀樣密度誤差小于3%的規(guī)定[7];其次，對(duì)較大粒徑的粗粒土仍然無(wú)法完成取樣。

由于覆蓋層粗粒土的粒徑遠(yuǎn)大于細(xì)粒土，它的原位密度難以像細(xì)粒土那樣可以通過鉆孔取芯（深部土體）或環(huán)刀取樣（淺部土體）的方法進(jìn)行測(cè)試。密度作為散體材料的最基本物理參數(shù)，對(duì)于確定土體材料的各種指標(biāo)具有重要意義。程展林等基于“顆粒材質(zhì)和形態(tài)相同、級(jí)配和密度相近、旁壓模量相當(dāng)”的基本原理，提出了一種基于原位測(cè)試技術(shù)的深厚覆蓋層密度確定新方法[8]，即在模型中模擬深厚覆蓋層的級(jí)配、密度以及應(yīng)力狀態(tài)，利用原位測(cè)試技術(shù)，建立覆蓋層密度和上覆應(yīng)力與原位特征參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)原位特征參數(shù)推測(cè)相應(yīng)測(cè)試部位的天然密度。本文結(jié)合以上當(dāng)量密度法的工程實(shí)踐與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提供一種關(guān)于河床覆蓋層粗粒土原位密度的土工測(cè)試技術(shù)與試驗(yàn)方法。

蘇洼龍水電站位于四川和西藏界河——金沙江上游河段，為規(guī)劃中的金沙江上游13個(gè)梯級(jí)電站中的第10級(jí)，上游為巴塘水電站，下游與昌波水電站銜接。蘇洼龍水電站地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，壩址區(qū)河床覆蓋層厚度變化較大，一般厚度在60～80 m之間。本文以蘇洼龍水電站深厚覆蓋層為研究對(duì)象，研究試驗(yàn)密度、上覆壓力、旁壓特征參數(shù)的相互關(guān)系，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)旁壓特征參數(shù)測(cè)定覆蓋層的密度。針對(duì)模型箱尺寸限制和級(jí)配縮尺問題，以旁壓特征參數(shù)相同為基準(zhǔn)，建立與“原型密度和級(jí)配”相對(duì)應(yīng)的“試驗(yàn)密度和試驗(yàn)級(jí)配”。在預(yù)測(cè)深厚覆蓋層密度的基礎(chǔ)之上，采用大型三軸儀開展試驗(yàn)，確定覆蓋層粗粒土的物理力學(xué)特性。

1 旁壓模型試驗(yàn)研究

1.1 基本物理指標(biāo)

依據(jù)壩址區(qū)河床覆蓋層顆分試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，河床覆蓋層③層和⑤層粗粒土平均級(jí)配見圖1。以這兩類粗粒土為對(duì)象開展研究。室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)允許的顆粒最大粒徑為60 mm，按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中等量替代法進(jìn)行縮尺，用60～5 mm粒組等量替代大于60 mm粒組，小于5 mm粒組含量保持不變，得到的試驗(yàn)級(jí)配曲線亦如圖1所示。

本文按DLT 5356-2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[9]對(duì)壩址區(qū)覆蓋層兩類粗粒土進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)，包括最大干密度和最小干密度試驗(yàn)。最大干密度采用振動(dòng)臺(tái)法，試驗(yàn)筒尺寸300 mm×340 mm。上覆加重蓋板壓力14 kPa，振動(dòng)頻率50 Hz，振幅±2 mm，試樣分2層填裝，每層振動(dòng)8.0 min。最小干密度采用人工松填法，試驗(yàn)筒尺寸300 mm×340 mm。對(duì)壩址區(qū)覆蓋層③層和⑤層試樣進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)筒尺寸300 mm×285 mm，采用表面振動(dòng)法，試樣分3層填裝，每層振動(dòng)6.5 min。試驗(yàn)成果如表1所列。

1.2 試驗(yàn)方法

限于目前深厚覆蓋層中勘測(cè)技術(shù)手段，不能直接獲得深厚覆蓋層深部原位密度?？紤]到覆蓋層天然密度主要用于進(jìn)行單元體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，嘗試通過原位測(cè)試的間接方法進(jìn)行分析。本次研究中，采用旁壓模量來(lái)間接獲取現(xiàn)場(chǎng)深部土層密度。

（1） 根據(jù)對(duì)河床覆蓋層的分層，對(duì)較深部和深部的關(guān)鍵土層進(jìn)行多組原位旁壓試驗(yàn)，獲取現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量統(tǒng)計(jì)平均值。

（2） 取同源粗粒土進(jìn)行不同密度的室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)，建立旁壓模量與密度的關(guān)系曲線。

（3） 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量統(tǒng)計(jì)平均值，在建立的旁壓模量與密度的關(guān)系曲線上，找到對(duì)應(yīng)的密度值。根據(jù)基本物理性質(zhì)相同條件下旁壓模量相當(dāng)，推斷該密度值對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)原位密度。

室內(nèi)模擬深厚覆蓋層的旁壓試驗(yàn)在專用模型箱體中進(jìn)行。由于砂礫石屬于粗粒料，尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)成果的影響較大，同時(shí)還要承受較大的上覆壓力，因此要求模型箱體具備一定的尺寸和較強(qiáng)的剛度，箱體內(nèi)尺寸為：0.84 m×0.86 m×1.05 m，制作材料采用60 mm厚鋼板。模型豎向加壓系統(tǒng)采用4個(gè)50 t千斤頂組成的自反力系統(tǒng)，反力架在加壓蓋上對(duì)稱布置，加壓蓋對(duì)角設(shè)置位移測(cè)量系統(tǒng)，在加壓蓋的幾何中心預(yù)留旁壓孔。旁壓試驗(yàn)箱與旁壓儀如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 上覆壓力選擇

根據(jù)蘇洼龍壩址區(qū)覆蓋層的現(xiàn)場(chǎng)地勘資料可知：③層粗粒土為卵石混合土，現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量為31.7～42.4 MPa，旁壓模量平均值為37.8 MPa;⑤層粗粒土為混合土卵石，現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量為40.6～58.7 MPa，旁壓模量平均值為48.6 MPa。在模型試驗(yàn)中，覆蓋層深度是通過在模型上方施加一定的上覆壓力實(shí)現(xiàn)的，上覆壓力取值為該層平均深度處的自重有效壓力值。

根據(jù)覆蓋層粗粒土料的工程類比與經(jīng)驗(yàn)判別原位平均密度為2.26 g/cm3。按照地勘資料，覆蓋層③層粗粒土的深度為22.8～34.4 m，平均深度27.4 m?？紤]河床覆蓋層深度和浮容重，計(jì)算上覆壓力約為339 kPa，本文試驗(yàn)中取上覆壓力為340 kPa。③層選擇了2.10，2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共5種試驗(yàn)密度（見圖3）。覆蓋層⑤層粗粒土的深度為41.9～63.0 m，平均深度49.8 m?？紤]河床覆蓋層深度和浮容重，計(jì)算上覆壓力約為616 kPa，本文試驗(yàn)中取上覆壓力為620 kPa。⑤層選擇了2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共4種試驗(yàn)密度（見圖3）。

1.3.2 試驗(yàn)過程

將旁壓探頭的保護(hù)管（開縫鋼管）預(yù)埋于模型中間，并與加壓蓋和封蓋中心圓孔對(duì)應(yīng)，將模型總的土石料用量分成6～8層（視裝樣密度而定），每層按照選取級(jí)配和控制密度進(jìn)行配制和裝樣，逐層夯實(shí)。然后加水排氣飽和，并加上加壓蓋進(jìn)行加壓，壓力值根據(jù)上覆壓力確定。最后將旁壓探頭置于保護(hù)管內(nèi)進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，按壓力從小到大依次進(jìn)行，直至完成。

1.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

壩址區(qū)覆蓋層③層和⑤層粗粒土的室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)成果如圖3所示。根據(jù)原位旁壓模量37.8 MPa，推測(cè)③層原位密度為2.28 g/cm3。根據(jù)原位旁壓模量48.6 MPa，推測(cè)⑤層原位密度為2.29 g/cm3。

2 砂礫石覆蓋層大型三軸試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)試樣尺寸為300 mm×600 mm，試驗(yàn)設(shè)備最大圍壓3.0 MPa，最大軸向應(yīng)力21 MPa，最大軸向行程300 mm（見圖4）。

試樣密度對(duì)土工試驗(yàn)中的應(yīng)力變形曲線影響顯著，為了盡量如實(shí)反映原位條件下粗粒土的力學(xué)特性，采用第1節(jié)中旁壓模型試驗(yàn)推求得③層試驗(yàn)密度為2.28 g/cm3，⑤層試驗(yàn)密度為2.29 g/cm3。三軸試驗(yàn)中，采用③層和⑤層的試驗(yàn)級(jí)配（見圖1）。試驗(yàn)時(shí)的周圍壓力為0.4，0.8，1.2，1.6 MPa，加載速率為0.40 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖5～8所示。

③層和⑤層粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5（a）和圖6（a）所示。各試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，剪切過程中主應(yīng)力差逐漸增大，增速逐漸放緩，在15%軸向應(yīng)變條件下各試樣均達(dá)到了峰值強(qiáng)度。③層和⑤層粗粒料的體積應(yīng)變曲線如圖5（b）和圖6（b）所示。在圍壓為0.4 MPa時(shí)，③層粗粒土剪切過程中體積先減小，然后在0.9%體積應(yīng)變時(shí)開始增加，⑤層粗粒土也呈現(xiàn)出類似規(guī)律。以上現(xiàn)象說(shuō)明在當(dāng)前制樣密度與0.4 MPa圍壓條件下，試樣較為密實(shí)，表現(xiàn)出剪脹變形。在圍壓為0.8，1.2，1.6 MPa時(shí)，各試樣均表現(xiàn)為持續(xù)的剪縮，并最終趨于穩(wěn)定的體積應(yīng)變。

在本次試驗(yàn)級(jí)配和基于旁壓試驗(yàn)推求密度的條件下，按照線性強(qiáng)度包絡(luò)線，可得到③層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′值為130 kPa，φ值為38.3°。⑤層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′值84 kPa，φ值38.9°。由于受顆粒破碎等因素的影響，隨應(yīng)力增加，粗粒土強(qiáng)度包絡(luò)線通常不呈直線，而是向下微彎。為了反映內(nèi)摩擦角隨圍壓增大而減小的現(xiàn)象，鄧肯提出了內(nèi)摩擦角φ的非線性方程[10]。

目前描述土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型有很多種，包括彈性和彈塑性兩大類。其中，Duncan-Chang模型是一種較有代表性的粗粒土本構(gòu)模型，包括E-μ模型和E-B模型。在E-μ模型中，土體的切線彈性模量Et與切線泊松比μt可用以下公式計(jì)算：

以上10個(gè)參數(shù)分別為c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D。其中，c、φ為凝聚力和內(nèi)摩擦角;Rf為破壞比;K、n為切線彈性模量的試驗(yàn)常數(shù);G、F、D為切線泊松比的試驗(yàn)常數(shù)。Kb、m為切線體積模量的試驗(yàn)常數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)曲線整理的E～B（μ）模型參數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所列。盡管Duncan-Chang存在不能反映土的剪脹和應(yīng)變軟化等問題，但E-μ和E-B模型的參數(shù)較簡(jiǎn)單，概念清楚，各個(gè)試驗(yàn)參數(shù)都有一定的物理意義與幾何意義，在工程中仍有較為廣泛的應(yīng)用。

按照式（1）～（5），進(jìn)一步得到兩類粗粒土的非線性強(qiáng)度指標(biāo)φ0、Δφ和Duncan-Chang模型參數(shù)指標(biāo)，概括見表2。成果可為蘇洼龍水電站高土石壩安全分析和變形協(xié)調(diào)控制提供借鑒。

3 結(jié) 論

本文對(duì)金沙江上游蘇洼龍水電站壩基覆蓋層中③層和⑤層粗粒土按統(tǒng)計(jì)平均線級(jí)配開展了室內(nèi)旁壓模型試驗(yàn)，建立了旁壓模量與試驗(yàn)干密度的關(guān)系。針對(duì)覆蓋層粗粒土原位密度難以測(cè)定的土工測(cè)試技術(shù)問題，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)旁壓模量，提供了一種可供借鑒的當(dāng)量密度測(cè)試方法。試驗(yàn)結(jié)果為：③層粗粒土的原位密度為2.28 g/cm3，⑤層粗粒土的原位密度為2.29 g/cm3。

同時(shí)，進(jìn)行了壩基覆蓋層粗粒土的常規(guī)大型三軸試驗(yàn)：③層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值為130 kPa，φ值為38.3°，φ0為46.9°，Δφ為5.7°;⑤層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值為84 kPa，φ值為38.9°，φ0為46.1°，Δφ為5.3°。較為合理地推測(cè)了2類粗粒土Duncan-Chang模型的變形參數(shù)指標(biāo)，成果可為蘇洼龍水電站高土石壩安全分析和變形協(xié)調(diào)控制提供依據(jù)。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

李向陽(yáng)，左永振，周躍峰，等.壩基深厚覆蓋層粗粒土原位密度與力學(xué)特性研究

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（7）：180-184，191.

Study on insitu densities and mechanical properties of coarse granular soils in deep

overburden layers of dam foundation

LI Xiangyang1，ZUO Yongzhen2，ZHOU Yuefeng2，CHEN Qing1

（1.PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing 100024，China; 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

It is difficult to determine the in-situ physical properties of overburden coarse particles.In this study，the insitu densities and mechanical properties of coarse granular soils in the 3rd and the 5th deep overburden layers of dam foundation of the Suwalong Hydropower Station on the Jingsha River were investigated based on pressure meter model tests and large-scale triaxial tests.Firstly，according to insitu side modulus，we carried out pressure meter model tests in laboratory using two coarse granular soils with different densities from the same source，obtaining curves between pressure meter modulus and density，and further deducing the insitu densities of the 3rd and the 5th deep overburden layers.Based on the predicted densities of the two coarse granular soils，we carried out large-scale traxial tests in laboratory to obtain the strength and deformation parameters of the 3rd and the 5th deep overburden layers.The results can support dam safety analysis and deformation management of dam body.

Key words：

coarse granular soil;overburden layer;insitu density;pressure meter test;large-scale triaxial test;Suwalong Hydropower Station