关于工程岩体分级方法的综述

关于工程岩体分级方法的综述摘要：综合分析我国现行的工程岩体分级特征，重点介绍岩体分级标准在根据岩石的强度、岩体的完整性、地下水条件、初应力状况等多方面因素下进行岩体分级，从而指导实地工程建设，并讨论与Ｑ分类法和RＭR分类法的关系，在发展中他们有趋于统一和向国际标准接轨的趋势。关键字：工程岩体分级；国标；岩体基本质量1.1岩体分级的重要性随着科学技术的不断进步和土地资源的日益减少，水利水电、铁道、交通、矿山、工业与民用建筑等各种类型、不同用途的岩体工程逐渐增多。质量高、稳定性好的岩体，不需要或只需要很少的加固支护措施，就可以保证工程施工和使用的安全；质量差、稳定性不好的岩体，常常会给工程的施工和使用带来诸多的安全隐患，甚至会在工程的施工和使用过程中出现地质灾害，需要采取复杂加固措施来保证工程施工和使用的安全[8]。因此，在工程建设中，准确而及时地进行工程岩体的稳定性判断，对于保证工程施工和使用的安全具有十分重要的意义。１.２经过岩土工程界半个世纪的努力，目前岩体分级指标已形成了国标体系。自上世纪50～60年代开始，工程岩体分级问题引起了国外岩土工程界的广泛关注。国外学者提出了许多工程岩体分级方法，并在工程中得到了不同程度的应用。自上世纪70年代以后，国内的岩土工程界也开始了工程岩体分级方法的研究，以谷德振、黄鼎成[6]等为代表，在学习和消化国外研究成果，总结工程经验的基础上，提出了一些工程岩体分级方法，制定了相应的工程岩体分级行业标准，为我国经济建设的快速和健康发展作出了很大的贡献。自上世纪90年代以来，对国内外的研究成果及工程经验进行了系统的总结，形成了现在《工程岩体分级标准》它是由水利部、建设部、铁道部等部门组织有关单位共同起草制定的适用于各种岩体工程的统一分级方法。属于国家最高层次的基础标准，适用于各行业、各种类型岩石工程的岩体分级，是制定各行各业岩体分级标准的基本依据。1.3岩体分级标准多属于综合分级，考虑岩石的强度、岩体的完整性、地下水条件、初应力状况等多方面因素。岩体分级标准是一种多因素多指标、定性与定量相结合的分级方法,它分两步对工程岩体定级，即：先对岩体的基本质量划分级别，根据岩体固有并独立于工程类型的地质属性—岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定岩体基本质量的定性特征和定量指标,进而综合确定岩体质量级别,按照其稳定性分为5级,ⅠⅡⅢⅣⅤ；再针对岩体的具体条件做出修正，根据各类工程特点,考虑影响工程岩体基本质量的其他重要因素，利用地下水条件、岩体主要软弱结构面产状和初应力状态对岩体基本质量的影响等修正系数,对岩体基本质量(BQ值)进行修正,再确定具体工程岩体级别。1.4《工程岩体分级标准》国家规范的制定过程中均已考虑到了同国际接轨[8]。国外工程岩体分级较早，在进入20世纪70年代后,岩体的分类就已由定性向定量、由单因素(单指标)向多因素(或多指标)方向发展。我国对岩体质量评价研究开展的比较晚，工程岩体分级国标标准在制定时，充分综合考虑国内与国外岩体分级发展成果，避免单因数的局限性及定性的不确定性，同国际接轨。２综述《岩体分级标准》特征２.1《岩体分级标准》考虑因素国标分级采用分两步走的方法进行工程岩体分级，即:先对岩体的基本质量划分级别;再针对岩体的具体条件作出修正，确定工程岩体级别。国标分级采用定性与定量相结合、经验判断与测试计算相结合的方法进行。基本质量分级主要考虑岩石的坚硬程度和岩体的完整程度2个分级因素。岩石的坚硬程度的定量指标用岩块的饱和单轴抗压强度Rc表征；其定性指标是在现场通过锤击岩石声音的清脆程度、击碎难易程度、锤击回弹情况以及吸水反映情况来确定。岩体的完整程度的定量指标用岩体完整性系数Kv值，即岩体与岩块弹性波波速之比的平方来表征；定性指标是在现场通过调查结构面的组数、平均间距、张开度、充填物情况来确定。各种工程岩体在初步定级时，可直接采用按基本质量确定的级别，详细定级时，应结合不同工程类型的特点，考虑各种影响因素进行修正。因而需要考虑的修正因素还有：地下水、主要软弱结构面及其产状与地下酮室轴线的关系、初始应力状态的影响等等。根据各方面的工程经验，分别列表对这些影响因素给出修正系数：k1，k2，k3，按照下列公式计算岩体基本质量指标的修正值，由此修正值就可以最终确定地下工程岩体的级别。k1通过对地下水的渗漏状态，并进一步根据水压大小和单位出水量，结合所在ＢＱ范围，查表计算。主要软弱结构面及其产状与地下酮室轴线关系的影响因素k2根据现场实地勘察岩石结构面产状和与洞轴线夹角得出。初始应力影响修正因k3素也要通过现场测定查表计算，因测试技术要求很高，花费较大，在无实测资料时应如何评估岩体初始应力状态，除少数重大工程项目外，只能靠分析、评估来确定。如上图1分级因素。图1岩体分级考虑因素２.２《岩体分级标准》定级方法对岩体进行初步定级，岩体基本质量指标BQ值计算公式：BQ=90+3Rc+250Kv。岩石单轴饱和抗压强度Rc，当无法取得实测值时，可根据实测的岩石点荷载强度指数I0.75S(50)[1],RC=22.82I0.75S(50)，RC=30～60MPa较硬,15～30较软,5～15软岩,5极软。岩体完整程度的定量指标采用的是岩体完整性指数Kv的实测值，即KV=(Vpm/Vpr)2,其中Vpm——岩体中纵波波速(km/s),Vpr——岩石中纵波波速(km/s)；但有些工程中，没有条件取得实测值时，可采用岩体体积节理数Jv按表一确定。岩石完整性系数KV=(Vpm/Vpr)2,Vpm——岩体波速(km/s),Vpr——岩石波速(km/s)也可用采岩体体积节理数Jv确定，如下表一。表一：KV分级状态与Jv的关系：KV0.75完整（或当体积节理数JV3条/m3）KV=0.55～0.75较完整(或当体积节理数JV=3～10条/m3)KV=0.35～0.55较破碎(或当体积节理数JV=10～20条/m3)KV=0.35～0.15破碎(或当体积节理数JV=20～35条/m3)KV0.15极破碎(或当体积节理数JV35条/m3)由BQ=90+3Rc+250Kv，岩体初步分为Ⅰ(BQ550)、Ⅱ(BQ=50~451)、Ⅲ0~351）、Ⅳ（BQ=350~251）、Ⅴ（BQ≤250）共五级。当工程中遇到地下水、岩体稳定性受软弱结构面影响时，应该结合不同工程类型的特点，进行详细分级，考虑各种影响因素进行修正——K1：地下水影响修正系数,K2：主要软弱结构面产状影响修正系数,K3：初始应力状态影响修正系数等。[BQ]=BQ一100(k1+k2+k3)，凭此判断岩体所处分级，并在实际工程中对岩体进行处理。其中K1、K2、K3分别按表二、表三、表四来确定。[BQ]出现负值时，应按特殊情况处理。表二：地下水影响修正系数（K1）BQ450450~351350~251≤250潮湿或点滴状出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流出水，水压≤0.1MPa或者单位出水量≤10L/（min·m）0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流出水，水压＞0.1MPa或者单位出水量＞10L/（min·m）0.20.4～0.60.7～0.91.0表三：主要软弱结构面产状影响修正系数（K2）结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线夹角＜30°结构面倾角30°～75°结构面走向与洞轴线夹角＞60°结构面倾角＞75°其他情况K20.4～0.60～0.20.2～0.4表四：初始应力状态影响修正系数（K3）BQ＞550550～451450～351350～251≤250极高应力区1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高应力区0.50.50.5～1.00.5～1.00.53《岩体分级标准》与Q系统分类法和RＭR系统分类法的关系3.1Q系统分类与RＭR分类方法1974年挪威学者巴顿、利恩与伦德提出了Q系统分类方法[2]，它主要考虑了岩体质量指标RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素名及尸等6项指标。其计算公式为Q＝(RQD/Jn)×(Jr/Ja)×(Jw/SRF)。其中岩体质量指标RQD根据钻孔岩芯长度统计得出，其余5项指标都给出了相应的表格，可以查表得出。在Q分类系统中，岩体质量指标Q值的范围为0.001~1000，据此将岩体分为9级。地质力学RＭR分类方法由比尼奥斯基于1973一1975年间提出[2]。天入扭分类方法共有6个基本参数：岩块单轴抗压强度、岩体质量指标RQD、节理间距、节理面性状、地下水条件及节理产状。6个基本参数都通过表格给出了相应的评分值，岩体的RＭR评分值由这6个基本参数的评分值总和构成。根据RＭR评分值将岩体分为5级。3.2三种方法比较Q系统分类方法除了岩体质量指标RQD外，其余5项指标都是根据现场调查的描述查表得出，它基本上是一个定性的分类方法，需要有经验的地质人员参加，主观随意性较大。地质力学RＭR分类方法有3个基本参数是定量的，另3个基本参数是定性的，是一个半定量、半定性方法，仍需要有经验的地质人员参加。上述两种方法的优点是除岩块的单轴抗压强度外不需测试其他参数，方法比较简单。国标《工程岩体分级标准》是一个定性与定量相结合、经验判断与测试计算相结合的方法。定性分级只需进行现场调查，定量分级也只需进行单轴抗压强度、岩体与岩块弹性波波速的测试。比较这3种方法，根据大量实测数据的统计分析，工程岩体质量指标BQ值与Q系统分类指标Q值呈指数关系，如下。表四为国标级别、[BQ]、Ｑ值的关系。从表二中可以看出国标分级和Q系统分级的对应关系是比较好的。国标I级相当于Q系统的2级上半级以上，为极好、特别好的岩体。国标V级相当于Q系统的6级及6级以下为坏到特别坏的岩体。其余别两者相差约半级。表四国标与Q系统关系表工程岩体质量指标[BQ]值与地质力学分类RＭR值呈线性关系[2]，其关系式为[BQ]=0.089RＭR+21.378，国标I级相当于RＭR的Ⅱ级上到I级，国标V级相当于RＭR的Ⅳ级到V级，其余各级别两者相差约半级。国标分级与RＭR分类同属5级分类法，但是RＭR分类法考虑的范围比较广，覆盖的面比较大，然而特别好和特别坏的岩体再细分，对工程意义不大，故将特别好和特别坏的分别归结到I级和V级中。Q系统分类法为9级分类法，分得更细，特别是比较差的岩体，所以国标分级V级包含了Q系统分类法的6一9级。４岩体分级标准的实例分析某隧道洞口附近的围岩，实地勘察岩体较破碎，属较坚硬岩，岩石单轴饱和抗压强度为50MPa，在现场做岩体波速试验pmV=4.0km／s，在室内对岩块进行波速试验prV=5.6km／s，地下水影响修正系数为0.2，主要软弱结构面产状影响修正系数为0.3，初始应力状态影响修正系数为0.5。根据《工程岩体分级标准》对该工程岩体质量进行详细定级：Kv=(pmV/prV)2=(4.0/5.6)2=0.510BQ=90+3Rc+250Kv=90+3×50+250×0.510=368初步定级为Ⅲ级。而[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)=90+3×50+250×0.5-100×(0.2+0.3+0.5)=368-100=268详细定级为Ⅳ级。根据定级结果，由于该隧道属于较坚硬岩，岩体较为破碎，考虑该隧道重要性，因而该隧道洞口附近围岩按四级标准对应的防护加固方案进行防护，确保隧道稳固，提高安全系数。5结语本文在查阅大量相关岩体分级文献基础上，对岩体分级中的一些问题进行了归纳和总结，力求系统、详尽和全面。鉴于笔者水平和掌握的资料有限，有些叙述可能不够全面和妥当，有些观点也有待进一步完善。参考文献[1]董学晨.《工程岩体分级标准》的编制,1991,人民长江第22卷12期.[2]蔡斌,喻勇,吴晓铭.《工程岩体分级标准》与Q分类法、RMR分类法及变形参数估算[J].岩石力学与工程学报,2001,20(增):1677-1679.[3]郝哲.对我国现行岩体分级系统的综述和建议,金属矿山,2005,总第351期2005