工程巖體分類方法及其意義的探討

工程巖體分類方法及其意義的探討?摘要：本文詳細(xì)探討了工程巖體分類方法，闡述了其在巖土工程領(lǐng)域的重要意義。首先介紹了工程巖體分類的基本概念，然后對(duì)常見的分類方法如按巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度等進(jìn)行了分析，討論了各類分類方法的特點(diǎn)及適用范圍。同時(shí)，通過實(shí)際工程案例說明了工程巖體分類在工程設(shè)計(jì)、施工及安全評(píng)估等方面的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其對(duì)于合理利用巖體資源、保障工程安全與經(jīng)濟(jì)的重要作用，最后對(duì)工程巖體分類方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

一、引言工程巖體是指在工程活動(dòng)中涉及到的與工程相關(guān)的巖體。由于巖體在地質(zhì)歷史過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)作用，其性質(zhì)具有高度的不均勻性和各向異性。工程巖體分類方法旨在將巖體按其性質(zhì)特征進(jìn)行系統(tǒng)劃分，以便于工程技術(shù)人員更好地認(rèn)識(shí)巖體特性，合理進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、施工和安全評(píng)價(jià)等。準(zhǔn)確的巖體分類對(duì)于保障工程的安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)具有至關(guān)重要的意義。

二、工程巖體分類的基本概念工程巖體分類是根據(jù)巖體的各種性質(zhì)指標(biāo)，如巖石強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面特征等，將巖體劃分為不同的類別或等級(jí)。其目的是簡化對(duì)復(fù)雜巖體的認(rèn)識(shí)，為工程決策提供依據(jù)。分類的結(jié)果可以直觀地反映巖體的工程性質(zhì)差異，使得工程人員能夠針對(duì)不同類別的巖體采取合適的工程措施。

三、常見的工程巖體分類方法（一）按巖石堅(jiān)硬程度分類1.分類依據(jù)巖石堅(jiān)硬程度主要取決于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T502182014），將巖石按單軸抗壓強(qiáng)度分為堅(jiān)硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖。堅(jiān)硬巖：單軸抗壓強(qiáng)度大于60MPa；較硬巖：單軸抗壓強(qiáng)度在3060MPa之間；較軟巖：單軸抗壓強(qiáng)度在1530MPa之間；軟巖：單軸抗壓強(qiáng)度在515MPa之間；極軟巖：單軸抗壓強(qiáng)度小于5MPa。2.特點(diǎn)及適用范圍這種分類方法簡單直觀，能夠快速反映巖石抵抗破壞的能力。適用于初步判斷巖體的堅(jiān)硬程度，在一些簡單的巖土工程如小型基礎(chǔ)工程、邊坡穩(wěn)定性初步評(píng)估等中廣泛應(yīng)用。例如，在小型建筑基礎(chǔ)選址時(shí)，如果場地巖石為堅(jiān)硬巖，則基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以相對(duì)簡化，承載能力取值較高；若為軟巖或極軟巖，則需要考慮采取特殊的地基處理措施。

（二）按巖體完整程度分類1.分類依據(jù)巖體完整程度通過巖體完整性系數(shù)來衡量。巖體完整性系數(shù)是指巖體縱波波速與巖塊縱波波速之比的平方。根據(jù)巖體完整性系數(shù)，將巖體分為完整巖體、較完整巖體、較破碎巖體、破碎巖體和極破碎巖體。完整巖體：完整性系數(shù)大于0.75；較完整巖體：完整性系數(shù)在0.550.75之間；較破碎巖體：完整性系數(shù)在0.350.55之間；破碎巖體：完整性系數(shù)在0.150.35之間；極破碎巖體：完整性系數(shù)小于0.15。2.特點(diǎn)及適用范圍該分類方法能反映巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)巖體的變形、強(qiáng)度等性質(zhì)有重要影響。適用于各類地下工程、邊坡工程等。在地下洞室設(shè)計(jì)中，完整巖體可以采用較為簡單的支護(hù)方式甚至不支護(hù)；而破碎巖體則需要加強(qiáng)支護(hù)措施以保證洞室穩(wěn)定。例如，在隧道工程中，遇到較完整巖體時(shí)，開挖后的圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好，施工進(jìn)度可以加快；遇到破碎巖體時(shí)，則要采取超前支護(hù)、鋼支撐等措施防止坍塌。

（三）RQD分類法1.分類依據(jù)RQD（RockQualityDesignation）是指鉆孔中長度大于10cm的巖芯累計(jì)長度與鉆孔總進(jìn)尺的百分比。RQD值越大，表明巖體越完整。一般來說，RQD＞90%為好的巖體；75%90%為較好巖體；50%75%為中等巖體；25%50%為差的巖體；RQD＜25%為極差巖體。2.特點(diǎn)及適用范圍RQD分類法簡單易行，能直接反映巖體的破碎程度。適用于鉆孔勘探資料豐富的工程。在水利水電工程壩基巖體評(píng)價(jià)中，通過統(tǒng)計(jì)鉆孔的RQD值，可以快速了解壩基巖體的完整性情況，為壩型選擇和基礎(chǔ)處理提供依據(jù)。如果壩基巖體RQD值較高，說明巖體完整性好，有利于大壩的穩(wěn)定，可以減少基礎(chǔ)處理的工程量和難度。

（四）巴頓巖體質(zhì)量Q分類法1.分類依據(jù)巴頓巖體質(zhì)量Q分類法考慮了巖體的六個(gè)因素：巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、節(jié)理水折減系數(shù)Jw和應(yīng)力折減系數(shù)SRF。其計(jì)算公式為：\[Q=\frac{RQD}{Jn}\cdot\frac{Jr}{Ja}\cdot\frac{Jw}{SRF}\]根據(jù)計(jì)算得到的Q值，將巖體質(zhì)量分為不同等級(jí)，Q值越大，巖體質(zhì)量越好。2.特點(diǎn)及適用范圍該分類法綜合考慮了多個(gè)影響巖體質(zhì)量的因素，較為全面地反映了巖體的工程性質(zhì)。適用于各類地下工程和邊坡工程的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。在礦山巷道工程中，通過Q分類法可以準(zhǔn)確評(píng)估巷道圍巖的質(zhì)量，合理確定支護(hù)參數(shù)。如果Q值較高，說明巷道圍巖質(zhì)量好，支護(hù)參數(shù)可以相對(duì)較小；反之，則需要加強(qiáng)支護(hù)。

四、工程巖體分類方法的意義（一）工程設(shè)計(jì)方面1.為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)根據(jù)巖體分類結(jié)果，確定基礎(chǔ)的類型、尺寸和埋深。對(duì)于堅(jiān)硬、完整的巖體，可以采用淺基礎(chǔ)；對(duì)于軟弱、破碎的巖體，則需要采用樁基礎(chǔ)或深基礎(chǔ)等。例如，在山區(qū)修建工業(yè)廠房時(shí)，若場地巖體為堅(jiān)硬完整的花崗巖，可采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸相對(duì)較?。蝗魹轫搸r等軟巖且較破碎，可能需要采用樁基礎(chǔ)來提高承載能力。2.指導(dǎo)地下洞室設(shè)計(jì)巖體分類有助于選擇合適的洞室支護(hù)方式和襯砌厚度。完整巖體中的洞室可能只需局部支護(hù)，而破碎巖體中的洞室則需要全面、強(qiáng)力的支護(hù)措施。在城市地鐵隧道建設(shè)中，穿越堅(jiān)硬巖體段時(shí)，隧道襯砌厚度可以適當(dāng)減??；穿越軟弱破碎巖體段時(shí)，則要增加襯砌厚度并加強(qiáng)支護(hù)，如采用雙層襯砌等。

（二）工程施工方面1.合理安排施工進(jìn)度不同類別的巖體施工難度不同。堅(jiān)硬完整巖體的開挖進(jìn)度相對(duì)較快，而軟弱破碎巖體則需要采取特殊的開挖方法和支護(hù)措施，施工進(jìn)度較慢。在公路隧道施工中，遇到堅(jiān)硬巖體時(shí)，每天的進(jìn)尺可以達(dá)到數(shù)米；遇到軟弱破碎巖體時(shí)，可能需要邊開挖邊支護(hù)，進(jìn)尺較慢，通過巖體分類可以提前合理安排施工進(jìn)度計(jì)劃。2.保障施工安全了解巖體類別可以提前制定安全防范措施。對(duì)于可能發(fā)生坍塌的破碎巖體，在開挖前要進(jìn)行預(yù)加固處理；在爆破施工中，針對(duì)不同巖體類別調(diào)整爆破參數(shù)，避免因爆破對(duì)巖體造成過度破壞而引發(fā)安全事故。例如，在露天礦開采中，對(duì)于堅(jiān)硬巖體可以采用較大的爆破孔間距和裝藥量；對(duì)于軟巖則要減小爆破參數(shù)，防止巖體破碎過度導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

（三）工程安全評(píng)估方面1.邊坡穩(wěn)定性評(píng)估巖體分類可以幫助判斷邊坡的穩(wěn)定性。完整堅(jiān)硬的巖體邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好，而破碎軟弱巖體邊坡容易發(fā)生滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象。通過對(duì)邊坡巖體進(jìn)行分類，結(jié)合相關(guān)力學(xué)分析方法，確定邊坡的安全系數(shù)，評(píng)估潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，為采取邊坡加固措施提供依據(jù)。在山區(qū)公路邊坡工程中，對(duì)邊坡巖體進(jìn)行分類后，可對(duì)穩(wěn)定性較差的區(qū)域設(shè)置擋土墻、錨桿等加固措施。2.地下工程圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確的巖體分類是評(píng)價(jià)地下工程圍巖穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。根據(jù)巖體類別預(yù)測圍巖的變形和破壞形式，采取相應(yīng)的支護(hù)和監(jiān)測措施。在深埋隧道工程中，通過巖體分類判斷圍巖的類別，對(duì)于可能出現(xiàn)大變形的圍巖，加強(qiáng)監(jiān)測頻率，并提前準(zhǔn)備好應(yīng)急預(yù)案，確保地下工程的安全。

五、工程巖體分類方法的應(yīng)用案例（一）某水電站壩基巖體分類及應(yīng)用1.工程概況該水電站位于峽谷地區(qū)，壩型為混凝土重力壩。壩基巖體主要為花崗巖。2.巖體分類過程通過鉆孔取芯試驗(yàn)，獲取巖石單軸抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行巖體完整性系數(shù)測試。根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度分類標(biāo)準(zhǔn)，巖石為堅(jiān)硬巖；根據(jù)巖體完整程度分類，巖體完整性系數(shù)大于0.75，屬于完整巖體。綜合判斷壩基巖體質(zhì)量較好。3.應(yīng)用情況基于巖體分類結(jié)果，壩基設(shè)計(jì)采用淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸根據(jù)巖體承載能力進(jìn)行合理確定。在施工過程中，由于巖體質(zhì)量好，開挖進(jìn)度順利，未出現(xiàn)大規(guī)模的巖體破碎或坍塌現(xiàn)象。在安全評(píng)估方面，壩基巖體的穩(wěn)定性得到了有效保障，降低了因壩基巖體問題導(dǎo)致大壩失事的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）某礦山巷道巖體分類及支護(hù)設(shè)計(jì)1.工程概況某金屬礦山地下開采，巷道主要布置在砂巖巖體中。2.巖體分類過程采用RQD分類法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行分類。通過統(tǒng)計(jì)鉆孔巖芯數(shù)據(jù)，得到RQD值為60%左右，屬于中等巖體。同時(shí)結(jié)合節(jié)理發(fā)育情況等其他因素，進(jìn)一步評(píng)估巖體質(zhì)量。3.應(yīng)用情況根據(jù)巖體分類結(jié)果，確定巷道支護(hù)方案。對(duì)于中等質(zhì)量的巖體，采用錨桿支護(hù)為主，噴射混凝土為輔的支護(hù)方式。在施工過程中，按照支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，有效控制了巷道圍巖的變形，保障了巷道的安全使用。在后續(xù)的開采過程中，通過對(duì)巷道巖體的長期監(jiān)測，驗(yàn)證了巖體分類和支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。

六、工程巖體分類方法的發(fā)展趨勢（一）多因素綜合分類未來的工程巖體分類將更加注重多因素綜合考慮。單一因素分類方法存在局限性，不能全面反映巖體的復(fù)雜性質(zhì)。綜合考慮巖石性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地應(yīng)力等多種因素的分類方法將得到更廣泛應(yīng)用。例如，將巖石強(qiáng)度、巖體完整性、節(jié)理特征、地下水水位及滲透系數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析，建立更加準(zhǔn)確的巖體分類體系。

（二）智能化分類隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化分類方法將成為趨勢。利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)大量的巖體工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，建立巖體分類的智能模型。通過輸入巖體的各項(xiàng)參數(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)巖體分類，并對(duì)巖體工程性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。例如，基于深度學(xué)習(xí)的巖體分類模型可以自動(dòng)識(shí)別巖體的特征并進(jìn)行分類，提高分類的效率和準(zhǔn)確性。

（三）與數(shù)值模擬相結(jié)合工程巖體分類將與數(shù)值模擬技術(shù)更緊密地結(jié)合。通過巖體分類確定巖體參數(shù)，然后利用數(shù)值模擬軟件如有限元、離散元等對(duì)工程巖體的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果又可以反過來驗(yàn)證和完善巖體分類方法，形成相互促進(jìn)的關(guān)系。例如，在地下洞室工程中，根據(jù)巖體分類確定洞室圍巖的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析洞室的穩(wěn)定性，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化巖體分類和支護(hù)設(shè)計(jì)