巖體質(zhì)量評價分級方法研究綜述

巖體質(zhì)量評價分級方法研究綜述

工程巖體的質(zhì)量是復(fù)雜巖體工程性質(zhì)特征的綜合反映。它不僅客觀地反映了巖體結(jié)構(gòu)固有的物理力學(xué)特性，而且為工程穩(wěn)定性分析、巖體的合理利用以及正確選擇各類巖體力學(xué)參數(shù)等提供了可靠的依據(jù)。因此巖體質(zhì)量評價是溝通巖體工程勘察、設(shè)計和施工的橋梁與紐帶。目前國內(nèi)外關(guān)于巖體質(zhì)量綜合評價方法體系繁多，各類巖體質(zhì)量評價分級方法的參評因素、評價標(biāo)準(zhǔn)等都不相同，對同一個評價對象，不同的評價方法可能會有不同的評價結(jié)果。那么各種分級方法之間是否具有可比性和相關(guān)性呢?又怎樣相互驗證各種方法評價結(jié)果的可靠性呢?研究各類巖體質(zhì)量評價分級方法間的相關(guān)性具有非常重要的工程意義，尤其在國際間的交流合作、工程承包等方面，更需要有一個統(tǒng)一的工程巖體評價分級標(biāo)準(zhǔn)。1國內(nèi)外巖體質(zhì)量評價方法巖體質(zhì)量評價研究經(jīng)歷了近一個世紀(jì)發(fā)展歷史，而且地下工程巖體質(zhì)量評價研究較其它工程開展得更早更完善。在本世紀(jì)30～40年代，國際上代表性的工程巖體質(zhì)量評價方法主要有Ф.М.Сад-ренский分類(1937)，Н.Н.Маспов分類(1941)，Terzaghi分類(1946)等；50～60年代期間主要有Lauffer分類(1958)，Deere的RQD分類(1964)。這些分類多偏重于單指標(biāo)定性或定量分類。進(jìn)入70年代以后，巖體質(zhì)量分類由定性向定量，由單因素向多因素方向發(fā)展，代表性的方法有美國的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(RSR)分類(1974,1978)，挪威Barton的Q系統(tǒng)(1974,1980)，南非Bieniawski的RMR分類(1974,1976)，日本菊地宏吉的壩基巖體分類(1982)，西班牙Romana的邊坡巖體SMR分類(1985,1988,1991)，美國Williamson的統(tǒng)一分類(1984)等。我國對巖體質(zhì)量評價研究開展較晚，主要有谷德振、黃鼎成(1979)的Z-分類，王思敬等人(1980)彈性波指標(biāo)Za分類，關(guān)寶樹(1980)的圍巖質(zhì)量Q分類，楊子文(1982,1984)的M分類，陳德基(1983)塊度模數(shù)MK分類，王石春等人(1980,1985)RMQ分類，邢念信(1979,1984)坑道工程圍巖分類，東北工學(xué)院(1984)圍巖穩(wěn)定性動態(tài)分級，長委的三峽YZP分類(1985)，水電部昆明勘測設(shè)計院(1988)提出大型水電站地下洞室圍巖分類，王思敬(1990)巖體力學(xué)性能質(zhì)量系數(shù)Q分類，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(1991)，工程巖體分級國家標(biāo)準(zhǔn)(1993)，曹永成，杜伯輝(1995)基于RMR體系修改的CSMR法，陳昌彥的巖體質(zhì)量動、靜態(tài)綜合評價體系(1997)等等。國內(nèi)外對工程巖體質(zhì)量分級評價研究最初都主要是在地下工程方面，以后才逐漸擴(kuò)展到壩基工程和邊坡工程，由于各種評價方法的側(cè)重點不同，因此所選用的參評因素以及分級方法也都不同。關(guān)于國內(nèi)外典型工程巖體分級方法總結(jié)如表1。上述分析結(jié)果表明，目前各類巖體質(zhì)量評價研究表現(xiàn)為如下特點：(1)巖體質(zhì)量評價由單因素定性分級向多因素定性和多因素定量綜合模式發(fā)展。單一定性分級具有較大的主觀性，缺乏統(tǒng)一分級標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，影響巖體質(zhì)量的因素常具有不確定性、復(fù)雜性和模糊性等特征，因此用少數(shù)幾個固定的評價指標(biāo)和簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式難以準(zhǔn)確全面地概括所有情況，巖體質(zhì)量的完全定量化分級只能具有數(shù)學(xué)意義。因此只有以定量分析為基礎(chǔ)，結(jié)合定性分析才能充分有效地綜合評價巖體質(zhì)量發(fā)育特征。(2)由于各類工程巖體評價方法的應(yīng)用和分析側(cè)重點不同，相應(yīng)地采用了不同的評價指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)。實際上，巖體質(zhì)量評價目的是定量反映工程巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為工程巖體穩(wěn)定性評價以及工程巖體的綜合利用提供依據(jù)。而影響巖體穩(wěn)定性及其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的因素可概括為地質(zhì)因素和工程因素，其中地質(zhì)因素又是主導(dǎo)因素，這為各種評價方法的換算提供了理論基礎(chǔ)，使各種評價方法的評價因素有逐漸接近的趨勢。(3)上述各類巖體質(zhì)量的評價方法都是從不同側(cè)面選擇幾個固定的參評因素，按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單的線性運算，從而得出巖體質(zhì)量的綜合評分，并據(jù)此進(jìn)行巖體質(zhì)量分類。這些方法雖然簡單方便，但無法反映復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，只能反映巖體質(zhì)量的某一方面特征。但是由于影響巖體質(zhì)量的因素常具有多層次性、模糊性、不確定性等復(fù)雜特點，對于不同地質(zhì)背景和具體工程，其影響因素及權(quán)值都不是固定的，既有共同性，又有特殊性。因此工程巖體質(zhì)量評價應(yīng)當(dāng)采用靜態(tài)和動態(tài)等多種評價方法從不同側(cè)面進(jìn)行巖體質(zhì)量的綜合評價。(4)隨著巖體質(zhì)量分級的不斷完善，巖體質(zhì)量評價與巖體穩(wěn)定性分析的有機(jī)結(jié)合是巖體質(zhì)量評價發(fā)展的必然趨勢。2巖體結(jié)構(gòu)與巖體質(zhì)量上述各類評價方法的參評因素可歸納為兩類，即巖石強(qiáng)度和巖體完整性，再附以工程修正因素。而前二者又可統(tǒng)一為巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造作用的綜合效應(yīng)，因此，巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造作用是控制巖體質(zhì)量發(fā)育和分級的根本，這些都決定了上述工程巖體質(zhì)量評價方法(體系)之間具有可比性和相關(guān)性的物質(zhì)基礎(chǔ)。巖體結(jié)構(gòu)分類實質(zhì)是對巖體變形程度和復(fù)雜性的一種綜合概括，定性反映了巖體質(zhì)量的一個重要特征即巖體完整性。而巖體質(zhì)量評價則是以定性和定量方式綜合反映巖體的復(fù)雜性，并為工程適用性做出評價。因此巖體結(jié)構(gòu)與巖體質(zhì)量之間存在著必然的聯(lián)系和對應(yīng)，根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)與巖石組成，可以定性地評價巖體質(zhì)量及穩(wěn)定狀態(tài)。本文通過對大量巖體工程的各類巖體結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的巖體質(zhì)量發(fā)育特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，將二者的相應(yīng)關(guān)系綜合概化為表2。這些表明，巖體結(jié)構(gòu)越完整，巖體質(zhì)量就可能越好；相反如果巖體質(zhì)量差，巖體結(jié)構(gòu)就可能以碎裂、鑲嵌結(jié)構(gòu)等為主。但是這種相關(guān)性是有條件的，是在相同巖性和環(huán)境下才成立的，若二者變化了，則相應(yīng)的巖體質(zhì)量評價結(jié)果也不可能相似，表2也充分地說明了這一點。3相關(guān)的定量關(guān)系研究關(guān)于各種巖體質(zhì)量評價分級方法間的相關(guān)性研究，國外主要進(jìn)行了Bieniawski的RMR系統(tǒng)與Barton的Q系統(tǒng)之間以及RMR與Wickham的RSR系統(tǒng)之間的關(guān)系研究，并給出了相應(yīng)的關(guān)系式，國內(nèi)對此很少見到有關(guān)的定量關(guān)系的研究報道。本文試圖對RMR法，Q分類、谷德振的Z分類、水電地下圍巖分類及工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)等目前幾種主要的巖體質(zhì)量評價分級方法的分級相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究，以期建立起相互的對應(yīng)關(guān)系。3.1圍巖分類及各指標(biāo)的關(guān)系中國工程巖體分級國家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為巖體基本質(zhì)量是由巖石堅硬程度(RC)和巖體完整性程度(KV)所決定，并采用定性和定量綜合方法將巖體基本質(zhì)量分為五級。Bieniawski提出的巖體權(quán)值系統(tǒng)(RockMassRating,RMR)則綜合考慮了巖石材料單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、不連續(xù)面間距、充填條件、方向及地下水等地質(zhì)因素和工程因素，采用和差方法得到巖體質(zhì)量評分值并將其分為五級。該方法非常重視塊體規(guī)模，分類更重視塊度，但對節(jié)理組數(shù)、地應(yīng)力等未加考慮，而且對節(jié)理組產(chǎn)狀的修正也未有明確意見，這些都限制了RMR法在地下工程以外的其它工程方面的應(yīng)用。實踐表明，RMR法能較好地反映中等堅固巖體質(zhì)量，但對較差巖體則欠佳，而且RMR法的評價結(jié)果有時太過于保守。Barton提出的隧道支護(hù)襯砌的圍巖分類Q系統(tǒng)主要考慮了6個參數(shù)即(1)RQD；(2)節(jié)理組數(shù)(Jn)；(3)最不利節(jié)理面的粗糙度(Jr)；(4)節(jié)理面變質(zhì)程度或沿軟弱節(jié)理充填情況(Ja)；(5)涌水量(JW)和(6)地應(yīng)力條件(SRF)，將巖體質(zhì)量分成了九級。該方法則強(qiáng)調(diào)了節(jié)理組數(shù)(Jn)、節(jié)理面粗糙度(Jr)及節(jié)理蝕變(Ja)等因素比節(jié)理方向的影響更重要，因此若考慮節(jié)理方向性時，該方法就會顯得不太合適，另外它只考慮了巖體自身的完整性而未考慮巖塊強(qiáng)度和工程因素。谷德振等則認(rèn)為巖體質(zhì)量主要受控于巖塊強(qiáng)度(Rc)、結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度(f)和巖體完整性(I)，并提出了巖體質(zhì)量Z-分類，并將巖體質(zhì)量分為五級。此分類中并未考慮具體工程類型的影響，它所反映的也主要是巖體的基本質(zhì)量，而且各參評因素的影響權(quán)值是不同的，其重要性為f>I>S，其中S=Rc/100為巖塊的堅強(qiáng)系數(shù)。水電工程地下圍巖分類(1999)則更強(qiáng)調(diào)巖體結(jié)構(gòu)完整性及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀態(tài)，以定性分析為主，提出了圍巖的五級分類法。但該方法不適用于埋深淺以及洞穴發(fā)育地段的圍巖質(zhì)量評價。3.2預(yù)測結(jié)果及分析本文根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)、計算和知識處理能力等特點，用大量的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)樣本，建立起輸入輸出變量間復(fù)雜的非線性關(guān)系，對目前常用的幾種主要的巖體質(zhì)量評價分級方法的分級相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)的定量研究，有關(guān)部分計算結(jié)果如表3。在具體計算時，首先將各級巖體質(zhì)量評價值歸一化變換為區(qū)間值，然后再將輸出值乘以相同倍數(shù)，即得真正的值。因此在處理過程中，由于還原時一般都擴(kuò)大100倍，即使預(yù)測時誤差很小，還原后也可能很大，但從表3的預(yù)測結(jié)果表明這樣處理結(jié)果仍能符合誤差范圍的。計算結(jié)果表明，由Z值預(yù)測RMR值的相對誤差平均為15%±，質(zhì)量等級對判率為88%，預(yù)測分級與實際基本一致，但Z分級較RMR法分級相對高一些。由水電工程圍巖分級方法預(yù)測的RMR值的相對誤差平均為10%±左右，質(zhì)量分級對判率為85%，二者的分級基本一致。根據(jù)上述方法對各種巖體質(zhì)量評價分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算和綜合對比分析，并參考有關(guān)文獻(xiàn)，對各種方法分級的相關(guān)性總結(jié)如表4，其中表中同一分級欄內(nèi)的各種方法的分級是可以換算的。上述分析表明，雖然各種方法的分級參評因素不同，但都是以巖體結(jié)構(gòu)完整性和巖石強(qiáng)度為控制巖體質(zhì)量發(fā)育和分級的基礎(chǔ)，因此它們之間具有可比性和相關(guān)性的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種方法所得到的巖體分級是可以相互對比和換算的，從而提高了巖體質(zhì)量綜合評價和分級結(jié)果的可靠性并為各種方法的評價結(jié)果提供了統(tǒng)一認(rèn)識以及相互驗證的依據(jù)。3.3工程應(yīng)用3.3.1巖體結(jié)構(gòu)及巖體質(zhì)量綜合評價本工程擬建場地內(nèi)的基巖主要為震旦紀(jì)中統(tǒng)的霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r，地基巖體斷裂、裂隙構(gòu)造發(fā)育，在100×80m2的場地范圍內(nèi)發(fā)育了兩條多期次的正斷層和三條規(guī)模較大的溶蝕裂隙槽，巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，RQD值平均為10%～30%，巖體縱波速度平均為2000～3000m/s，橫波速度約800～1500m/s，巖體十分破碎，總體為層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程場地巖體結(jié)構(gòu)分析，采用多種動、靜態(tài)巖體質(zhì)量綜合評價方法系統(tǒng)地研究和評價了擬建場地地基巖體質(zhì)量的發(fā)育特征及其空間分布，綜合計算結(jié)果如表5。表5的計算結(jié)果表明，盡管各類評價方法的分級方案不同，但根據(jù)本文建議的各類分級方法的換算對比原則，對本場地地基巖體質(zhì)量的綜合評價分級結(jié)果是可靠的和一致的。擬建場地南、北兩區(qū)的地基巖體質(zhì)量具有明顯的差別，北區(qū)地基巖體相對較完整，地基巖體質(zhì)量為IV級，而南區(qū)地基巖體破碎、不完整，溶蝕、風(fēng)化作用發(fā)育，地基巖體質(zhì)量綜合評價為V級。3.3.2巖體質(zhì)量綜合評價體斷裂結(jié)構(gòu)與巖體質(zhì)量評價三峽工程永久船閘區(qū)巖體主要為前震旦紀(jì)的花崗巖體，SA7排水主洞及其支洞內(nèi)統(tǒng)計段的巖體結(jié)構(gòu)以微風(fēng)化～新鮮的整體～塊狀結(jié)構(gòu)為特征，巖體完整～較完整，本文采用多種評價方法對此段排水洞的巖體質(zhì)量進(jìn)行綜合評價分級，其計算結(jié)果如表6。上述的分析表明，雖然各種巖體質(zhì)量分級方法所考慮的影響因素和側(cè)重點不同，所得的分級方案也可能不同，從而對同一工程巖體的質(zhì)量評價所得的分級結(jié)果可能會不同。但是它們的分級基礎(chǔ)是相似的，即都以地質(zhì)因素為主導(dǎo)，因此各種分級方法之間是可以換算和對比的。根據(jù)本文建議的各類巖體質(zhì)量分級方法的換算對比方案，三峽工程永久船閘SA7排水主洞及其支洞的巖體質(zhì)量分級比較一致，總體為I～I(xiàn)I類，巖體質(zhì)量良好，這是保證船閘邊坡巖體穩(wěn)定的基礎(chǔ)。4工程巖體質(zhì)量評價體系國內(nèi)外巖體質(zhì)量評價分級研究正在由單因素定性分級向多因素、多指標(biāo)的定性和定量綜合模式發(fā)展。盡管主要的巖體質(zhì)量評價分級方法的應(yīng)用和側(cè)重點不同，但其