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摘要：
针对覆盖层粗粒料的原位物理特性难以确定的技术难题，采用室内旁压试验与大型三轴试验相结合的方法，对金沙江苏洼龙水电站坝基深厚覆盖层③层和⑤层粗粒土进行了原位密度与力学特性的试验研究。依据现场旁压模量，采用同源粗粒土进行不同密度的室内旁压模型试验，建立旁压模量与密度的关系曲线，推求了覆盖层③层和⑤层的原位密度。依照上述密度，开展了覆盖层③层和⑤层的常规大型三轴试验，得到了相应的抗剪强度指标和变形参数指标。研究成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供依据。
关 键 词：
粗粒土; 深厚覆盖层; 原位密度; 旁压试验; 大型三轴试验; 苏洼龙水电站
中图法分类号： TU47
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.030
0 引 言
深厚覆盖层是指堆积于河床之中，厚度大于30 m的第四系松散堆积物[1]。河床深厚覆盖层结構松散、成因类型复杂、物理力学性质呈现较大的不均匀性。当今的水利水电工程建设不得不面临地基条件差且复杂的难题，其中覆盖层的力学特性是水利水电工程设计和施工的关键技术问题之一。据不完全统计，国外建于覆盖层上的水工建筑物约有50%事故是由于坝基变形过大、渗透破坏或滑动等因素导致的[2]。河床覆盖层的空间结构特征与力学特性极为复杂，但目前对这种材料的认识远远滞后于工程实践。为了保证深厚覆盖层上高土石坝的安全稳定，必须在充分了解河床覆盖层的空间分布特征与力学特性的基础上，准确预测覆盖层坝基与坝体的变形，并严格控制其变形。
近年来，国内外对深厚覆盖层的勘探、取样、工程特性试验、建坝试验研究、变形应力计算及防渗加固处理等方面都积累了大量的经验[3-5]。同时，在经过多年研究之后，在深厚覆盖层成因、物理性质、一般力学性质、工程地质问题，以及土石坝筑坝材料研究、大坝应力变形分析等方面己取得了一定的成果和突破，但由于深厚覆盖层的复杂性，依然有不少难题有待解决。深厚覆盖层天然密度和级配是进行室内单元体力学性试验的关键指标，比如：压缩试验、三轴试验、平面应变试验等。但由于深厚覆盖层多以大粒径砂砾石为主，属松散堆积体，很难对天然密度和级配进行测试，长期以来成为困扰工程建设的关键问题之一。
地质工作者尝试通过各种各样的方法，在勘察阶段获得深厚覆盖层天然密度和级配。起初主要通过挖坑灌水法，由于开挖深度浅，只能对浅部覆盖层进行测试。后期进行探槽开挖，可对10 m左右深度范围内的覆盖层进行测试，随着探明覆盖层厚度的增大，探槽开挖的工作量巨大，已不能满足测试要求，深部覆盖层的天然密度和级配只能通过钻探取芯法获得。为解决取芯问题，勘察单位将植物胶[6]作为钻探冲洗液，取得了一定的效果，但仍存在两个方面的问题：首先，采用冲洗液获得的钻孔芯样结构受到了很大的扰动，用于分析颗粒级配是可行的，但不能用于确定天然密度，很难达到规范中对于原状样密度误差小于3%的规定[7];其次，对较大粒径的粗粒土仍然无法完成取样。
由于覆盖层粗粒土的粒径远大于细粒土，它的原位密度难以像细粒土那样可以通过钻孔取芯（深部土体）或环刀取样（浅部土体）的方法进行测试。密度作为散体材料的最基本物理参数，对于确定土体材料的各种指标具有重要意义。程展林等基于“颗粒材质和形态相同、级配和密度相近、旁压模量相当”的基本原理，提出了一种基于原位测试技术的深厚覆盖层密度确定新方法[8]，即在模型中模拟深厚覆盖层的级配、密度以及应力状态，利用原位测试技术，建立覆盖层密度和上覆应力与原位特征参数之间的相关关系，并以现场实测原位特征参数推测相应测试部位的天然密度。本文结合以上当量密度法的工程实践与试验结果进行分析，提供一种关于河床覆盖层粗粒土原位密度的土工测试技术与试验方法。
苏洼龙水电站位于四川和西藏界河——金沙江上游河段，为规划中的金沙江上游13个梯级电站中的第10级，上游为巴塘水电站，下游与昌波水电站衔接。苏洼龙水电站地形、地质条件复杂，坝址区河床覆盖层厚度变化较大，一般厚度在60～80 m之间。本文以苏洼龙水电站深厚覆盖层为研究对象，研究试验密度、上覆压力、旁压特征参数的相互关系，以现场实测旁压特征参数测定覆盖层的密度。针对模型箱尺寸限制和级配缩尺问题，以旁压特征参数相同为基准，建立与“原型密度和级配”相对应的“试验密度和试验级配”。在预测深厚覆盖层密度的基础之上，采用大型三轴仪开展试验，确定覆盖层粗粒土的物理力学特性。
1 旁压模型试验研究
1.1 基本物理指标
依据坝址区河床覆盖层颗分试验现场测试结果，河床覆盖层③层和⑤层粗粒土平均级配见图1。以这两类粗粒土为对象开展研究。室内力学试验允许的颗粒最大粒径为60 mm，按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》中等量替代法进行缩尺，用60～5 mm粒组等量替代大于60 mm粒组，小于5 mm粒组含量保持不变，得到的试验级配曲线亦如图1所示。
本文按DLT 5356-2006《水电水利工程粗粒土试验规程》[9]对坝址区覆盖层两类粗粒土进行相对密度试验，包括最大干密度和最小干密度试验。最大干密度采用振动台法，试验筒尺寸300 mm×340 mm。上覆加重盖板压力14 kPa，振动频率50 Hz，振幅±2 mm，试样分2层填装，每层振动8.0 min。最小干密度采用人工松填法，试验筒尺寸300 mm×340 mm。对坝址区覆盖层③层和⑤层试样进行大型击实试验，试验筒尺寸300 mm×285 mm，采用表面振动法，试样分3层填装，每层振动6.5 min。试验成果如表1所列。
1.2 试验方法
限于目前深厚覆盖层中勘测技术手段，不能直接获得深厚覆盖层深部原位密度。考虑到覆盖层天然密度主要用于进行单元体力学性质试验，尝试通过原位测试的间接方法进行分析。本次研究中，采用旁压模量来间接获取现场深部土层密度。 （1） 根据对河床覆盖层的分层，对较深部和深部的关键土层进行多组原位旁压试验，获取现场旁压模量统计平均值。
（2） 取同源粗粒土进行不同密度的室内旁压模型试验，建立旁压模量与密度的关系曲线。
（3） 依据现场旁压模量统计平均值，在建立的旁压模量与密度的关系曲线上，找到对应的密度值。根据基本物理性质相同条件下旁压模量相当，推断该密度值对应的现场原位密度。
室内模拟深厚覆盖层的旁压试验在专用模型箱体中进行。由于砂砾石属于粗粒料，尺寸效应对试验成果的影响较大，同时还要承受较大的上覆压力，因此要求模型箱体具备一定的尺寸和较强的刚度，箱体内尺寸为：0.84 m×0.86 m×1.05 m，制作材料采用60 mm厚钢板。模型竖向加压系统采用4个50 t千斤顶组成的自反力系统，反力架在加压盖上对称布置，加压盖对角设置位移测量系统，在加压盖的几何中心预留旁压孔。旁压试验箱与旁压仪如图2所示。
1.3 试验设计
1.3.1 上覆壓力选择
根据苏洼龙坝址区覆盖层的现场地勘资料可知：③层粗粒土为卵石混合土，现场旁压模量为31.7～42.4 MPa，旁压模量平均值为37.8 MPa;⑤层粗粒土为混合土卵石，现场旁压模量为40.6～58.7 MPa，旁压模量平均值为48.6 MPa。在模型试验中，覆盖层深度是通过在模型上方施加一定的上覆压力实现的，上覆压力取值为该层平均深度处的自重有效压力值。
根据覆盖层粗粒土料的工程类比与经验判别原位平均密度为2.26 g/cm3。按照地勘资料，覆盖层③层粗粒土的深度为22.8～34.4 m，平均深度27.4 m。考虑河床覆盖层深度和浮容重，计算上覆压力约为339 kPa，本文试验中取上覆压力为340 kPa。③层选择了2.10，2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共5种试验密度（见图3）。覆盖层⑤层粗粒土的深度为41.9～63.0 m，平均深度49.8 m。考虑河床覆盖层深度和浮容重，计算上覆压力约为616 kPa，本文试验中取上覆压力为620 kPa。⑤层选择了2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共4种试验密度（见图3）。
1.3.2 试验过程
将旁压探头的保护管（开缝钢管）预埋于模型中间，并与加压盖和封盖中心圆孔对应，将模型总的土石料用量分成6～8层（视装样密度而定），每层按照选取级配和控制密度进行配制和装样，逐层夯实。然后加水排气饱和，并加上加压盖进行加压，压力值根据上覆压力确定。最后将旁压探头置于保护管内进行旁压试验，按压力从小到大依次进行，直至完成。
1.3.3 试验结果分析
坝址区覆盖层③层和⑤层粗粒土的室内旁压模型试验成果如图3所示。根据原位旁压模量37.8 MPa，推测③层原位密度为2.28 g/cm3。根据原位旁压模量48.6 MPa，推测⑤层原位密度为2.29 g/cm3。
2 砂砾石覆盖层大型三轴试验
三轴试验试样尺寸为300 mm×600 mm，试验设备最大围压3.0 MPa，最大轴向应力21 MPa，最大轴向行程300 mm（见图4）。
试样密度对土工试验中的应力变形曲线影响显著，为了尽量如实反映原位条件下粗粒土的力学特性，采用第1节中旁压模型试验推求得③层试验密度为2.28 g/cm3，⑤层试验密度为2.29 g/cm3。三轴试验中，采用③层和⑤层的试验级配（见图1）。试验时的周围压力为0.4，0.8，1.2，1.6 MPa，加载速率为0.40 mm/min。试验结果如图5～8所示。
③层和⑤层粗粒土的应力应变曲线如图5（a）和图6（a）所示。各试样均表现为应变硬化型，剪切过程中主应力差逐渐增大，增速逐渐放缓，在15%轴向应变条件下各试样均达到了峰值强度。③层和⑤层粗粒料的体积应变曲线如图5（b）和图6（b）所示。在围压为0.4 MPa时，③层粗粒土剪切过程中体积先减小，然后在0.9%体积应变时开始增加，⑤层粗粒土也呈现出类似规律。以上现象说明在当前制样密度与0.4 MPa围压条件下，试样较为密实，表现出剪胀变形。在围压为0.8，1.2，1.6 MPa时，各试样均表现为持续的剪缩，并最终趋于稳定的体积应变。
在本次试验级配和基于旁压试验推求密度的条件下，按照线性强度包络线，可得到③层抗剪强度指标c′值为130 kPa，φ值为38.3°。⑤层抗剪强度指标c′值84 kPa，φ值38.9°。由于受颗粒破碎等因素的影响，随应力增加，粗粒土强度包络线通常不呈直线，而是向下微弯。为了反映内摩擦角随围压增大而减小的现象，邓肯提出了内摩擦角φ的非线性方程[10]。
目前描述土的应力应变关系的数学模型有很多种，包括弹性和弹塑性两大类。其中，Duncan-Chang模型是一种较有代表性的粗粒土本构模型，包括E-μ模型和E-B模型。在E-μ模型中，土体的切线弹性模量Et与切线泊松比μt可用以下公式计算：
以上10个参数分别为c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D。其中，c、φ为凝聚力和内摩擦角;Rf为破坏比;K、n为切线弹性模量的试验常数;G、F、D为切线泊松比的试验常数。Kb、m为切线体积模量的试验常数。
根据试验曲线整理的E～B（μ）模型参数和抗剪强度指标如表2所列。尽管Duncan-Chang存在不能反映土的剪胀和应变软化等问题，但E-μ和E-B模型的参数较简单，概念清楚，各个试验参数都有一定的物理意义与几何意义，在工程中仍有较为广泛的应用。
按照式（1）～（5），进一步得到两类粗粒土的非线性强度指标φ0、Δφ和Duncan-Chang模型参数指标，概括见表2。成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供借鉴。 3 结 论
本文对金沙江上游苏洼龙水电站坝基覆盖层中③层和⑤层粗粒土按统计平均线级配开展了室内旁压模型试验，建立了旁压模量与试验干密度的关系。针对覆盖层粗粒土原位密度难以测定的土工测试技术问题，依据现场旁压模量，提供了一种可供借鉴的当量密度测试方法。试验结果为：③层粗粒土的原位密度为2.28 g/cm3，⑤层粗粒土的原位密度为2.29 g/cm3。
同时，进行了坝基覆盖层粗粒土的常规大型三轴试验：③层抗剪强度指标c值为130 kPa，φ值为38.3°，φ0为46.9°，Δφ为5.7°;⑤层抗剪强度指标c值为84 kPa，φ值为38.9°，φ0为46.1°，Δφ为5.3°。较为合理地推测了2类粗粒土Duncan-Chang模型的变形参数指标，成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供依据。
参考文献：
[1] 陈海军，任光明，聂德新.河谷深厚覆盖层工程地质特性及其评价方法[J].地质灾害与环境保护，1996，7（4）：53-59.
[2] 周波，李进元，施裕兵.西南某水电站深厚软弱覆盖层地基工程地质研究[J].水力发电，2011，37（3）：20-22.
[3] 陈生水，程展林，孔宪京.高土石坝试验技术与安全评价理论及应用[J].水利水电技术，2018，49（1）：7-15.
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[5] 孙大伟，郦能惠.深覆盖层上面板堆石坝关键技术研究进展与展望[J].水力发电，2005，31（8）：67-69.
[6] 孙涛，陈礼仪，朱宗培.植物胶冲洗液的性能及新型植物胶QM的开发研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2004（4）：44-46.
[7] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范：GB 50021-2001[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[8] 程展林，丁红顺，胡胜刚，等.砂砾石覆盖层工程特性室内模型试验方法和测试设备：中国，CN2009100630560[P].2010-02-24.
[9] 中華人民共和国发展与改革委员会.水电水利工程粗粒土试验规程：DLT 5356-2006[S].北京：中国电力出版社，2007.
[10] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
（编辑：郑 毅）
引用本文：
李向阳，左永振，周跃峰，等.坝基深厚覆盖层粗粒土原位密度与力学特性研究
[J].人民长江，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
针对覆盖层粗粒料的原位物理特性难以确定的技术难题，采用室内旁压试验与大型三轴试验相结合的方法，对金沙江苏洼龙水电站坝基深厚覆盖层③层和⑤层粗粒土进行了原位密度与力学特性的试验研究。依据现场旁压模量，采用同源粗粒土进行不同密度的室内旁压模型试验，建立旁压模量与密度的关系曲线，推求了覆盖层③层和⑤层的原位密度。依照上述密度，开展了覆盖层③层和⑤层的常规大型三轴试验，得到了相应的抗剪强度指标和变形参数指标。研究成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供依据。
关 键 词：
粗粒土; 深厚覆盖层; 原位密度; 旁压试验; 大型三轴试验; 苏洼龙水电站
中图法分类号： TU47
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.030
0 引 言
深厚覆盖层是指堆积于河床之中，厚度大于30 m的第四系松散堆积物[1]。河床深厚覆盖层结構松散、成因类型复杂、物理力学性质呈现较大的不均匀性。当今的水利水电工程建设不得不面临地基条件差且复杂的难题，其中覆盖层的力学特性是水利水电工程设计和施工的关键技术问题之一。据不完全统计，国外建于覆盖层上的水工建筑物约有50%事故是由于坝基变形过大、渗透破坏或滑动等因素导致的[2]。河床覆盖层的空间结构特征与力学特性极为复杂，但目前对这种材料的认识远远滞后于工程实践。为了保证深厚覆盖层上高土石坝的安全稳定，必须在充分了解河床覆盖层的空间分布特征与力学特性的基础上，准确预测覆盖层坝基与坝体的变形，并严格控制其变形。
近年来，国内外对深厚覆盖层的勘探、取样、工程特性试验、建坝试验研究、变形应力计算及防渗加固处理等方面都积累了大量的经验[3-5]。同时，在经过多年研究之后，在深厚覆盖层成因、物理性质、一般力学性质、工程地质问题，以及土石坝筑坝材料研究、大坝应力变形分析等方面己取得了一定的成果和突破，但由于深厚覆盖层的复杂性，依然有不少难题有待解决。深厚覆盖层天然密度和级配是进行室内单元体力学性试验的关键指标，比如：压缩试验、三轴试验、平面应变试验等。但由于深厚覆盖层多以大粒径砂砾石为主，属松散堆积体，很难对天然密度和级配进行测试，长期以来成为困扰工程建设的关键问题之一。
地质工作者尝试通过各种各样的方法，在勘察阶段获得深厚覆盖层天然密度和级配。起初主要通过挖坑灌水法，由于开挖深度浅，只能对浅部覆盖层进行测试。后期进行探槽开挖，可对10 m左右深度范围内的覆盖层进行测试，随着探明覆盖层厚度的增大，探槽开挖的工作量巨大，已不能满足测试要求，深部覆盖层的天然密度和级配只能通过钻探取芯法获得。为解决取芯问题，勘察单位将植物胶[6]作为钻探冲洗液，取得了一定的效果，但仍存在两个方面的问题：首先，采用冲洗液获得的钻孔芯样结构受到了很大的扰动，用于分析颗粒级配是可行的，但不能用于确定天然密度，很难达到规范中对于原状样密度误差小于3%的规定[7];其次，对较大粒径的粗粒土仍然无法完成取样。
由于覆盖层粗粒土的粒径远大于细粒土，它的原位密度难以像细粒土那样可以通过钻孔取芯（深部土体）或环刀取样（浅部土体）的方法进行测试。密度作为散体材料的最基本物理参数，对于确定土体材料的各种指标具有重要意义。程展林等基于“颗粒材质和形态相同、级配和密度相近、旁压模量相当”的基本原理，提出了一种基于原位测试技术的深厚覆盖层密度确定新方法[8]，即在模型中模拟深厚覆盖层的级配、密度以及应力状态，利用原位测试技术，建立覆盖层密度和上覆应力与原位特征参数之间的相关关系，并以现场实测原位特征参数推测相应测试部位的天然密度。本文结合以上当量密度法的工程实践与试验结果进行分析，提供一种关于河床覆盖层粗粒土原位密度的土工测试技术与试验方法。
苏洼龙水电站位于四川和西藏界河——金沙江上游河段，为规划中的金沙江上游13个梯级电站中的第10级，上游为巴塘水电站，下游与昌波水电站衔接。苏洼龙水电站地形、地质条件复杂，坝址区河床覆盖层厚度变化较大，一般厚度在60～80 m之间。本文以苏洼龙水电站深厚覆盖层为研究对象，研究试验密度、上覆压力、旁压特征参数的相互关系，以现场实测旁压特征参数测定覆盖层的密度。针对模型箱尺寸限制和级配缩尺问题，以旁压特征参数相同为基准，建立与“原型密度和级配”相对应的“试验密度和试验级配”。在预测深厚覆盖层密度的基础之上，采用大型三轴仪开展试验，确定覆盖层粗粒土的物理力学特性。
1 旁压模型试验研究
1.1 基本物理指标
依据坝址区河床覆盖层颗分试验现场测试结果，河床覆盖层③层和⑤层粗粒土平均级配见图1。以这两类粗粒土为对象开展研究。室内力学试验允许的颗粒最大粒径为60 mm，按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》中等量替代法进行缩尺，用60～5 mm粒组等量替代大于60 mm粒组，小于5 mm粒组含量保持不变，得到的试验级配曲线亦如图1所示。
本文按DLT 5356-2006《水电水利工程粗粒土试验规程》[9]对坝址区覆盖层两类粗粒土进行相对密度试验，包括最大干密度和最小干密度试验。最大干密度采用振动台法，试验筒尺寸300 mm×340 mm。上覆加重盖板压力14 kPa，振动频率50 Hz，振幅±2 mm，试样分2层填装，每层振动8.0 min。最小干密度采用人工松填法，试验筒尺寸300 mm×340 mm。对坝址区覆盖层③层和⑤层试样进行大型击实试验，试验筒尺寸300 mm×285 mm，采用表面振动法，试样分3层填装，每层振动6.5 min。试验成果如表1所列。
1.2 试验方法
限于目前深厚覆盖层中勘测技术手段，不能直接获得深厚覆盖层深部原位密度。考虑到覆盖层天然密度主要用于进行单元体力学性质试验，尝试通过原位测试的间接方法进行分析。本次研究中，采用旁压模量来间接获取现场深部土层密度。 （1） 根据对河床覆盖层的分层，对较深部和深部的关键土层进行多组原位旁压试验，获取现场旁压模量统计平均值。
（2） 取同源粗粒土进行不同密度的室内旁压模型试验，建立旁压模量与密度的关系曲线。
（3） 依据现场旁压模量统计平均值，在建立的旁压模量与密度的关系曲线上，找到对应的密度值。根据基本物理性质相同条件下旁压模量相当，推断该密度值对应的现场原位密度。
室内模拟深厚覆盖层的旁压试验在专用模型箱体中进行。由于砂砾石属于粗粒料，尺寸效应对试验成果的影响较大，同时还要承受较大的上覆压力，因此要求模型箱体具备一定的尺寸和较强的刚度，箱体内尺寸为：0.84 m×0.86 m×1.05 m，制作材料采用60 mm厚钢板。模型竖向加压系统采用4个50 t千斤顶组成的自反力系统，反力架在加压盖上对称布置，加压盖对角设置位移测量系统，在加压盖的几何中心预留旁压孔。旁压试验箱与旁压仪如图2所示。
1.3 试验设计
1.3.1 上覆壓力选择
根据苏洼龙坝址区覆盖层的现场地勘资料可知：③层粗粒土为卵石混合土，现场旁压模量为31.7～42.4 MPa，旁压模量平均值为37.8 MPa;⑤层粗粒土为混合土卵石，现场旁压模量为40.6～58.7 MPa，旁压模量平均值为48.6 MPa。在模型试验中，覆盖层深度是通过在模型上方施加一定的上覆压力实现的，上覆压力取值为该层平均深度处的自重有效压力值。
根据覆盖层粗粒土料的工程类比与经验判别原位平均密度为2.26 g/cm3。按照地勘资料，覆盖层③层粗粒土的深度为22.8～34.4 m，平均深度27.4 m。考虑河床覆盖层深度和浮容重，计算上覆压力约为339 kPa，本文试验中取上覆压力为340 kPa。③层选择了2.10，2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共5种试验密度（见图3）。覆盖层⑤层粗粒土的深度为41.9～63.0 m，平均深度49.8 m。考虑河床覆盖层深度和浮容重，计算上覆压力约为616 kPa，本文试验中取上覆压力为620 kPa。⑤层选择了2.16，2.22，2.28，2.34 g/cm3共4种试验密度（见图3）。
1.3.2 试验过程
将旁压探头的保护管（开缝钢管）预埋于模型中间，并与加压盖和封盖中心圆孔对应，将模型总的土石料用量分成6～8层（视装样密度而定），每层按照选取级配和控制密度进行配制和装样，逐层夯实。然后加水排气饱和，并加上加压盖进行加压，压力值根据上覆压力确定。最后将旁压探头置于保护管内进行旁压试验，按压力从小到大依次进行，直至完成。
1.3.3 试验结果分析
坝址区覆盖层③层和⑤层粗粒土的室内旁压模型试验成果如图3所示。根据原位旁压模量37.8 MPa，推测③层原位密度为2.28 g/cm3。根据原位旁压模量48.6 MPa，推测⑤层原位密度为2.29 g/cm3。
2 砂砾石覆盖层大型三轴试验
三轴试验试样尺寸为300 mm×600 mm，试验设备最大围压3.0 MPa，最大轴向应力21 MPa，最大轴向行程300 mm（见图4）。
试样密度对土工试验中的应力变形曲线影响显著，为了尽量如实反映原位条件下粗粒土的力学特性，采用第1节中旁压模型试验推求得③层试验密度为2.28 g/cm3，⑤层试验密度为2.29 g/cm3。三轴试验中，采用③层和⑤层的试验级配（见图1）。试验时的周围压力为0.4，0.8，1.2，1.6 MPa，加载速率为0.40 mm/min。试验结果如图5～8所示。
③层和⑤层粗粒土的应力应变曲线如图5（a）和图6（a）所示。各试样均表现为应变硬化型，剪切过程中主应力差逐渐增大，增速逐渐放缓，在15%轴向应变条件下各试样均达到了峰值强度。③层和⑤层粗粒料的体积应变曲线如图5（b）和图6（b）所示。在围压为0.4 MPa时，③层粗粒土剪切过程中体积先减小，然后在0.9%体积应变时开始增加，⑤层粗粒土也呈现出类似规律。以上现象说明在当前制样密度与0.4 MPa围压条件下，试样较为密实，表现出剪胀变形。在围压为0.8，1.2，1.6 MPa时，各试样均表现为持续的剪缩，并最终趋于稳定的体积应变。
在本次试验级配和基于旁压试验推求密度的条件下，按照线性强度包络线，可得到③层抗剪强度指标c′值为130 kPa，φ值为38.3°。⑤层抗剪强度指标c′值84 kPa，φ值38.9°。由于受颗粒破碎等因素的影响，随应力增加，粗粒土强度包络线通常不呈直线，而是向下微弯。为了反映内摩擦角随围压增大而减小的现象，邓肯提出了内摩擦角φ的非线性方程[10]。
目前描述土的应力应变关系的数学模型有很多种，包括弹性和弹塑性两大类。其中，Duncan-Chang模型是一种较有代表性的粗粒土本构模型，包括E-μ模型和E-B模型。在E-μ模型中，土体的切线弹性模量Et与切线泊松比μt可用以下公式计算：
以上10个参数分别为c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D。其中，c、φ为凝聚力和内摩擦角;Rf为破坏比;K、n为切线弹性模量的试验常数;G、F、D为切线泊松比的试验常数。Kb、m为切线体积模量的试验常数。
根据试验曲线整理的E～B（μ）模型参数和抗剪强度指标如表2所列。尽管Duncan-Chang存在不能反映土的剪胀和应变软化等问题，但E-μ和E-B模型的参数较简单，概念清楚，各个试验参数都有一定的物理意义与几何意义，在工程中仍有较为广泛的应用。
按照式（1）～（5），进一步得到两类粗粒土的非线性强度指标φ0、Δφ和Duncan-Chang模型参数指标，概括见表2。成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供借鉴。 3 结 论
本文对金沙江上游苏洼龙水电站坝基覆盖层中③层和⑤层粗粒土按统计平均线级配开展了室内旁压模型试验，建立了旁压模量与试验干密度的关系。针对覆盖层粗粒土原位密度难以测定的土工测试技术问题，依据现场旁压模量，提供了一种可供借鉴的当量密度测试方法。试验结果为：③层粗粒土的原位密度为2.28 g/cm3，⑤层粗粒土的原位密度为2.29 g/cm3。
同时，进行了坝基覆盖层粗粒土的常规大型三轴试验：③层抗剪强度指标c值为130 kPa，φ值为38.3°，φ0为46.9°，Δφ为5.7°;⑤层抗剪强度指标c值为84 kPa，φ值为38.9°，φ0为46.1°，Δφ为5.3°。较为合理地推测了2类粗粒土Duncan-Chang模型的变形参数指标，成果可为苏洼龙水电站高土石坝安全分析和变形协调控制提供依据。
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（编辑：郑 毅）
引用本文：
李向阳，左永振，周跃峰，等.坝基深厚覆盖层粗粒土原位密度与力学特性研究
[J].人民长江，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