简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】水利部“948”技术转化和创新项目

【课题编号】岩010550

【课题起止时间】2004年4月～2008年4月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】刘小生、汪小刚、刘启旺、陈  宁、赵剑明、杨玉生、侯淑媛、宋远齐、王  宏、晁华怡

立项背景

目前的土石坝设计，一般采用工程类比法以及工程师的经验确定坝体设计断面，然后对坝基材料及坝体填筑材料的代表性试样进行室内模拟试验，确定坝基及坝体材料的工程力学特性，采用有限元等数值方法，计算预测地基、坝体及防渗体系统在施工期和运行期的应力应变、变形及稳定性等工作性状，并结合数值计算结果和工程经验评价设计的安全性。有时，还需对拟出的多个设计方案进行比较和优化。由此可见，数值计算在土石坝设计中起着十分重要的作用。

但是，在目前计算机和计算技术水平下，数值计算及其评价结果的可靠性，主要取决于计算所采用的本构模型能否正确反映土体的应力应变关系（包括剪胀或剪缩等特性）及强度特性（包括强度硬化和软化特性）等规律特征，以及确定的模型参数是否反映原位土体的实际情况。

人们已经认识到，要建立考虑所有影响因素、适合所有土类及适合所有工程问题的统一模型是不现实的，而只能针对不同的土类及不同的工程问题，考虑主要影响因素，采用简单、实用的土体本构模型。同时，更重要的是对选定的土体本构模型，合理地确定计算所需的模型参数。

深层覆盖层的工程力学特性研究是目前学术界和工程界的难题。主要表现为下列四个方面：首先是由于深厚覆盖层经过了漫长的地质年代作用和复杂的应力应变历史变化，土体具有很强的原位结构性，这种原位结构性的影响，使得对于相同土样，密度相同的原状样与重塑样的力学性质有时差别很大；其次，由于覆盖层土体埋深大，结构性强，很容易受到扰动，很难取得真正意义上的“原状样”，特别是对于砂土和砂卵砾石等无粘性土，取样十分困难，更不用说取得原状样了；第三，进行室内力学性质试验，需要采用土体的原位天然密度进行制样控制，而对于砂土和砂卵砾石覆盖层，原位天然密度的可靠确定一直是未能很好解决的难题；第四，对于含有漂（块）、卵（碎）石等粗大粒径的砂卵砾石土层，除了原位密度不容易确定外，土体的天然级配亦很难确定，再加上室内试验由于仪器尺寸的限制，需要对土料的天然级配进行缩尺，使得室内试验采用的模拟级配与土层天然级配亦可能存在差别，含粗大粒径的土石料变形特性的室内模拟试验方法（包括制样密度控制标准、模拟级配缩尺极限尺寸确定方法和试验结果整理方法等）是目前还存在一些迫切需要解决的疑难问题。由于上述这些困难和原因，使得单纯依靠取样进行室内试验，很难可靠把握覆盖层土体的工程力学特性。

在坝体填筑材料的工程力学特性和模型参数的确定方面，由于现代土石坝工程（包括混凝土面板堆石坝）的主体填筑材料，大多采用天然的砂砾石料或爆破开采的堆石料，最大粒径达600mm～800mm，有的甚至更大。由于室内试验设备尺寸的限制，必须对实际坝料级配进行缩尺，采用模拟级配试样进行试验。这种经过缩尺的模拟试验确定的本构模型及参数是否反映实际级配的坝体材料特性，一直使工程界产生疑虑。此外，实际施工碾压与室内制样捣实形成的土体结构性差别也可能对工程力学特性产生影响。

室内试验能够利用现代高精度、高压力的大型试验设备，在各种控制应力条件（特别是坝体和坝基共同运行的复杂应力条件）下，对各类覆盖层土料进行不同级配、不同密度、不同饱和度的试样进行试验，研究土料的合理本构关系，获得模型参数的变化规律。现场原位试验的特点是能够较忠实反映现场地基试验土层的矿物成分、级配、密度和原状结构性等的影响，可以反映由于这些因素的影响所引起的覆盖层工程特性多变性和复杂性。因此，在实际应用中将两者有机的结合起来，综合研究覆盖层工程特性，是国内外岩土工程界目前大力发展的方向。特别是结合室内工程力学特性试验和现场原位试验参数反演技术，综合确定土体本构模型参数的方法很有发展前景。

详细科学技术内容

依托实际水利水电工程，探索联合进行室内和现场试验综合确定土体本构模型参数的方法和技术。内容包括进行室内模拟试验、原位旁压试验和现场大型载荷试验；采用有限元法模拟旁压试验和大型载荷试验过程；采用非线性阻尼最小二乘法和遗传算法等最优化理论，依据现场实测旁压试验曲线及大型载荷试验实测荷载-位移关系曲线及土体各点变形分布规律，反演土体本构模型参数，并将成果应用于实际工程。

主要包括以下研究内容：

1）在总结国内外有关本构模型及模型参数的研究成果基础上，明确各种模型的适应土类及适用条件，作为选定本构模型的依据。

2）对实际工程的覆盖层，通过钻孔，在不同深度部位进行原位旁压试验，取得高质量实测旁压试验曲线。

3）对实际堆石坝工程，在碾压试验阶段，对实际坝料的碾压试验层进行大型荷载试验。除了测定常规的荷载板荷载—位移关系曲线外，还测定荷载板底下和周围不同深度土体的沉降变形和水平位移，得到各点荷载—位移关系曲线及各级荷载下的土体变形分布规律。

4）对有关工程的坝基覆盖层及坝体材料进行室内大型静力三轴剪切模拟试验，研究模型参数的变化规律，初步确定模型参数，为进行覆盖层和坝体土体本构模型参数反演选择反演初值，提供了重要的依据。

5）研究采用有限元合理模拟旁压试验和大型载荷试验等原位试验过程的方法，研制了计算程序。

6）采用旁压试验和大型载荷试验等原位试验过程有限元模拟方法和计算程序，进行模型参数敏感性分析，确定需要反演的模型参数。

7）研究依据旁压试验曲线，采用非线性阻尼最小二乘法进行本构模型参数反演的方法，并研制计算程序。并对假想模型参数，进行反演分析验证，并总结模型参数反演分析方法使用经验。

8）研究采用遗传算法最优化理论，依据旁压曲线土体本构模型参数反演的方法，并研制实用的计算程序。对假想模型参数，进行反演分析验证，并总结模型参数反演分析方法使用经验。

9）综合室内和原位试验，确定本构模型需要反演的参数，根据室内模拟试验结果选择反演初值，进行实际工程现场旁压试验和大型载荷试验在变形等效条件下的优化反演分析，确定工程数值分析所需的本构模型计算参数。

10）采用室内模拟试验确定的模型参数及联合室内和现场试验反演确定的模型参数，进行比较分析，研究结构性及粒径效应等因素的影响。

11）采用研制的依据实测原位试验曲线反演土体本构模型参数的方法和计算程序，对实际工程坝基覆盖层和粗颗粒坝料等进行邓肯E--B模型参数反演分析，并综和室内试验结果反演结果，确定模型参数值，提供设计参考使用。

发明及创新点

1）提出联合室内和现场试验确定土体本构模型参数的新思路，包括依据现场实测钻孔旁压试验曲线反演确定覆盖层模型参数，依据现场碾压层大型载荷试验曲线反演确定粗颗粒坝料模型参数，为考虑土体原位结构性、密度及粒径效应的影响，合理确定覆盖层及大粒径坝料的工程力学特性和本构模型参数开辟了新的途径。

2）对新疆察汗乌苏、甘肃九甸峡和四川乌东德等实际工程的覆盖层，通过钻孔，对不同深度和不同土层部位进行原位旁压试验，取得大量高质量的实测旁压试验曲线，积累了大量的宝贵资料。

3）对青海公伯峡等实际堆石坝工程，在碾压试验阶段，对实际坝料的碾压试验层进行大型荷载试验。除了测定常规的荷载板荷载--位移关系曲线外，还测定荷载板底下和周围不同深度土体的沉降变形和水平位移，得到各点荷载--位移关系曲线及各级荷载下的土体变形分布规律。这些成果具有重要的理论意义和工程参考价值。

4）在参数敏感性分析，合理确定需要反演模型参数的基础上，研制了基于非线性阻尼二乘法和基于遗传算法的旁压试验反演邓肯-张E-B模型参数方法和计算程序，并对假想模型参数，进行反演分析验证，以证明方法的可行性。

5）在室内试验结果的基础上，采用开发的旁压试验有限元反分析方法和程序，对实际工程地基覆盖层现场旁压试验实测曲线进行了邓肯-张E-B模型参数的有限元反演分析。进行了实测旁压曲线、室内试验参数计算旁压曲线及反演参数计算旁压曲线三者比较分析，发现室内试验参数计算曲线与实测曲线相差较大，表明覆盖层地基土体原位结构性、原位级配及原位密度等因素的影响显著，考虑这些因素的影响有重要意义。

6）采用研制的依据实测原位试验曲线反演土体本构模型参数的方法和计算程序，依据现场钻孔旁压试验对新疆察汗乌苏、四川乌东德和甘肃九甸峡等工程的坝基覆盖层，依据碾压层大型载荷试验对公伯峡粗颗粒坝料，分别进行了邓肯E--B模型参数反演分析，综和室内试验结果和反演结果，确定了在实际工程的邓肯-张E-B模型参数值，已提供设计参考使用，产生了很好的社会和经济效益

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

在国外，1980年Asaoka和Matsuo于1980年将参数反演理论应用于土体沉降观测及预测。研究中使用了自回归方法，并对高阶自回归方程中参数进行反演，即将传统的预测沉降的热传导型方程初始边值问题，转化为利用工程早期阶段的沉降观测资料反演自回归方程中的未知参数，然后利用反演得到的参数进行后期阶段的沉降预测。Arai等的研究具有一定的系统性，研制了采用有限元法和优化理论，根据现场观测资料估计土体变形模量的最优化方法，误差函数用最小二乘法建立；研制了根据现场监测资料反分析影响二维固结的土体参数的计算程序，反演的参数包括杨氏模量、泊松比及渗透系数，在实际中取得了良好的应用效果；将研制的反分析程序应用于建造在软粘土上的6个堤岸工程分析上，总结出反分析方法在实际工程中的三个主要用途，进行了基于在固结条件下对地基土沉降变形的监测资料，反分析非线性本构模型参数的研究；研制了采用初始应变法和最小二乘法，根据现场荷载—位移曲线，反分析地基土体变形模量和Mohr-Coulomb强度参数（C、φ）的有限元分析程序，并用5个假想例子进行了验证。但方法中没有考虑由于加荷引起的应力变化对土体变形模量的影响。但这些工作仅仅是针对理想弹塑性模型进行的。

在国内，关于采用现场试验参数反演技术在土力学工程中的应用，主要集中在依据土石坝沉降变形原位观测资料来对坝体变形参数反演的研究上，如沈珠江等曾结合土石坝长期原位观测资料，反分析了坝体堆石料的流变变形参数，但这种研究属于后期验证的性质，成果来不及应用于当前工程的设计中。李广信曾提出直接采用旁压试验曲线的特征来推求Duncan模型参数的方法，假定旁压试验曲线为双曲线确定初始弹性模量Ei，采用广义虎克定律和假定泊松比确定体积模量B，采用摩尔—库仑定律和理想弹塑性假定求得强度指标。由于方法沿用传统的旁压试验分析理论，没有考虑试验中的非线性变形过程，同时假定试验过程中σ₃不变与设计差别较大等原因，这种想法没有得到人们的重视，方法没有得到推广使用。

成果应用情况及社会经济效益

随着我国国民经济建设的发展和西部大开发战略的实施，涉及覆盖层地基的土石坝建设工程（包括混凝土面板堆石坝）项目越来越多，规模越来越大。特别是位于西南、西北等地区的水利水电工程大多建在由砂土、砂砾石或碎石土等组成的深厚覆盖层地基上。例如在建的瀑布沟、锦屏一级、冶勒、狮子坪、九甸峡、察汉乌苏、下板地及待建的乌东德、二河口等工程。这些工程覆盖层浅则50余米，厚的则达100多米，有的甚至深达400余米，在世界上亦属罕见，在这样深厚的覆盖层上建高土石坝，无现行经验可供参考。因此，覆盖层的工程特性及处理技术成为复杂深厚覆盖层上建设高土石坝中突出的关键技术问题。

分层碾压施工方法和大（重）型振动碾压机械被广泛应用，碾压能量愈来愈高，使坝体填筑密度和填筑质量有极大的提高。由于能有效地压密，各种不同岩性的粗粒土（包括人工爆破碎石和天然砂卵砾石等）能被广泛地用作坝体填筑材料，土质心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝成为土石坝的两种主要坝型。其中混凝土面板堆石坝的各分区（垫层区、过渡区、主堆石区及次堆石区）全部采用堆石料粗粒土；土质心墙堆石坝的坝壳和过渡区堆石体方量一般占全部坝体的80%～90%。而且，随着大、重型振动碾压机械的使用和击实能量的提高，坝体填筑材料的最大允许颗粒已由原来的300mm～400mm提高到目前的600mm～800mm，碾压密实度也有很大的提高。而且随着碾压机械能量的加大，例如冲击碾压，填筑密度和最大粒径还有提高的趋势。由于这些变化，现行的粗粒料室内试验模拟方法经常引起工程和学术界的争议，在单纯采用室内模拟试验方法，不能有效地反映实际的坝体变形特性情况。

室内试验能够利用现代高精度、高压力的大型试验设备，在各种控制应力条件（特别是坝体和坝基共同运行的复杂应力条件）下，对各类覆盖层土料进行不同级配、不同密度、不同饱和度的试样进行试验，研究土料的合理本构关系，获得模型参数的变化规律。现场原位试验的特点是能够较忠实反映现场地基试验土层的矿物成分、级配、密度和原状结构性等的影响，可以反映由于这些因素的影响所引起的覆盖层工程特性多变性和复杂性。因此，在实际应用中将两者有机的结合起来，综合研究覆盖层和工程特性，是国内外岩土工程界目前大力发展的方向。特别是结合室内工程力学特性试验和现场原位试验参数反演技术，综合确定土体本构模型参数的方法很有发展前景。

已将新方法应用于新疆察汗乌苏、甘肃九甸峡、四川乌东德和公伯峡等国家重点工程，并已成为我院承接工程科研任务的新亮点。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

由于项目研究内容具有重大的理论意义和工程应用价值，同时鉴于问题的复杂性和困难性，本研究成果还是初步的，例如作为范例，本项目仅对邓肯-张E-B模型参数反演方法进行了研究，其它模型参数的反演研究还有待开展。又如，目前反演方法中，土体非线性本构模型大多以应力为基本变量确定变形模量及屈服标准，而应力对变形模量的变化敏感性较差，反演收敛速度缓慢、有时甚至不收敛的缺点，以及反演分析过程中的多值性控制等等，还有许多问题需要进一步研究解决办法。

此外，还需要追踪实际工程建设和运行过程中的监测结果，进行反演分析，进一步改进和完善模型参数确定方法。

九甸峡现场旁压试验