岩体质量评价分级方法研究综述

岩体质量评价分级方法研究综述

工程岩体的质量是复杂岩体工程性质特征的综合反映。它不仅客观地反映了岩体结构固有的物理力学特性，而且为工程稳定性分析、岩体的合理利用以及正确选择各类岩体力学参数等提供了可靠的依据。因此岩体质量评价是沟通岩体工程勘察、设计和施工的桥梁与纽带。目前国内外关于岩体质量综合评价方法体系繁多，各类岩体质量评价分级方法的参评因素、评价标准等都不相同，对同一个评价对象，不同的评价方法可能会有不同的评价结果。那么各种分级方法之间是否具有可比性和相关性呢?又怎样相互验证各种方法评价结果的可靠性呢?研究各类岩体质量评价分级方法间的相关性具有非常重要的工程意义，尤其在国际间的交流合作、工程承包等方面，更需要有一个统一的工程岩体评价分级标准。1国内外岩体质量评价方法岩体质量评价研究经历了近一个世纪发展历史，而且地下工程岩体质量评价研究较其它工程开展得更早更完善。在本世纪30～40年代，国际上代表性的工程岩体质量评价方法主要有Ф.М.Сад-ренский分类(1937)，Н.Н.Маспов分类(1941)，Terzaghi分类(1946)等；50～60年代期间主要有Lauffer分类(1958)，Deere的RQD分类(1964)。这些分类多偏重于单指标定性或定量分类。进入70年代以后，岩体质量分类由定性向定量，由单因素向多因素方向发展，代表性的方法有美国的Wickham岩石结构(RSR)分类(1974,1978)，挪威Barton的Q系统(1974,1980)，南非Bieniawski的RMR分类(1974,1976)，日本菊地宏吉的坝基岩体分类(1982)，西班牙Romana的边坡岩体SMR分类(1985,1988,1991)，美国Williamson的统一分类(1984)等。我国对岩体质量评价研究开展较晚，主要有谷德振、黄鼎成(1979)的Z-分类，王思敬等人(1980)弹性波指标Za分类，关宝树(1980)的围岩质量Q分类，杨子文(1982,1984)的M分类，陈德基(1983)块度模数MK分类，王石春等人(1980,1985)RMQ分类，邢念信(1979,1984)坑道工程围岩分类，东北工学院(1984)围岩稳定性动态分级，长委的三峡YZP分类(1985)，水电部昆明勘测设计院(1988)提出大型水电站地下洞室围岩分类，王思敬(1990)岩体力学性能质量系数Q分类，水利水电工程地质勘察规范(1991)，工程岩体分级国家标准(1993)，曹永成，杜伯辉(1995)基于RMR体系修改的CSMR法，陈昌彦的岩体质量动、静态综合评价体系(1997)等等。国内外对工程岩体质量分级评价研究最初都主要是在地下工程方面，以后才逐渐扩展到坝基工程和边坡工程，由于各种评价方法的侧重点不同，因此所选用的参评因素以及分级方法也都不同。关于国内外典型工程岩体分级方法总结如表1。上述分析结果表明，目前各类岩体质量评价研究表现为如下特点：(1)岩体质量评价由单因素定性分级向多因素定性和多因素定量综合模式发展。单一定性分级具有较大的主观性，缺乏统一分级标准；另一方面，影响岩体质量的因素常具有不确定性、复杂性和模糊性等特征，因此用少数几个固定的评价指标和简单的数学表达式难以准确全面地概括所有情况，岩体质量的完全定量化分级只能具有数学意义。因此只有以定量分析为基础，结合定性分析才能充分有效地综合评价岩体质量发育特征。(2)由于各类工程岩体评价方法的应用和分析侧重点不同，相应地采用了不同的评价指标和分级标准。实际上，岩体质量评价目的是定量反映工程岩体结构的复杂性，为工程岩体稳定性评价以及工程岩体的综合利用提供依据。而影响岩体稳定性及其结构复杂性的因素可概括为地质因素和工程因素，其中地质因素又是主导因素，这为各种评价方法的换算提供了理论基础，使各种评价方法的评价因素有逐渐接近的趋势。(3)上述各类岩体质量的评价方法都是从不同侧面选择几个固定的参评因素，按一定标准进行简单的线性运算，从而得出岩体质量的综合评分，并据此进行岩体质量分类。这些方法虽然简单方便，但无法反映复杂多变的地质情况，只能反映岩体质量的某一方面特征。但是由于影响岩体质量的因素常具有多层次性、模糊性、不确定性等复杂特点，对于不同地质背景和具体工程，其影响因素及权值都不是固定的，既有共同性，又有特殊性。因此工程岩体质量评价应当采用静态和动态等多种评价方法从不同侧面进行岩体质量的综合评价。(4)随着岩体质量分级的不断完善，岩体质量评价与岩体稳定性分析的有机结合是岩体质量评价发展的必然趋势。2岩体结构与岩体质量上述各类评价方法的参评因素可归纳为两类，即岩石强度和岩体完整性，再附以工程修正因素。而前二者又可统一为岩体结构和构造作用的综合效应，因此，岩体结构和构造作用是控制岩体质量发育和分级的根本，这些都决定了上述工程岩体质量评价方法(体系)之间具有可比性和相关性的物质基础。岩体结构分类实质是对岩体变形程度和复杂性的一种综合概括，定性反映了岩体质量的一个重要特征即岩体完整性。而岩体质量评价则是以定性和定量方式综合反映岩体的复杂性，并为工程适用性做出评价。因此岩体结构与岩体质量之间存在着必然的联系和对应，根据不同的岩体结构与岩石组成，可以定性地评价岩体质量及稳定状态。本文通过对大量岩体工程的各类岩体结构及其相应的岩体质量发育特征进行统计分析，将二者的相应关系综合概化为表2。这些表明，岩体结构越完整，岩体质量就可能越好；相反如果岩体质量差，岩体结构就可能以碎裂、镶嵌结构等为主。但是这种相关性是有条件的，是在相同岩性和环境下才成立的，若二者变化了，则相应的岩体质量评价结果也不可能相似，表2也充分地说明了这一点。3相关的定量关系研究关于各种岩体质量评价分级方法间的相关性研究，国外主要进行了Bieniawski的RMR系统与Barton的Q系统之间以及RMR与Wickham的RSR系统之间的关系研究，并给出了相应的关系式，国内对此很少见到有关的定量关系的研究报道。本文试图对RMR法，Q分类、谷德振的Z分类、水电地下围岩分类及工程岩体分级标准等目前几种主要的岩体质量评价分级方法的分级相关性进行系统的定量研究，以期建立起相互的对应关系。3.1围岩分类及各指标的关系中国工程岩体分级国家标准认为岩体基本质量是由岩石坚硬程度(RC)和岩体完整性程度(KV)所决定，并采用定性和定量综合方法将岩体基本质量分为五级。Bieniawski提出的岩体权值系统(RockMassRating,RMR)则综合考虑了岩石材料单轴抗压强度、RQD、不连续面间距、充填条件、方向及地下水等地质因素和工程因素，采用和差方法得到岩体质量评分值并将其分为五级。该方法非常重视块体规模，分类更重视块度，但对节理组数、地应力等未加考虑，而且对节理组产状的修正也未有明确意见，这些都限制了RMR法在地下工程以外的其它工程方面的应用。实践表明，RMR法能较好地反映中等坚固岩体质量，但对较差岩体则欠佳，而且RMR法的评价结果有时太过于保守。Barton提出的隧道支护衬砌的围岩分类Q系统主要考虑了6个参数即(1)RQD；(2)节理组数(Jn)；(3)最不利节理面的粗糙度(Jr)；(4)节理面变质程度或沿软弱节理充填情况(Ja)；(5)涌水量(JW)和(6)地应力条件(SRF)，将岩体质量分成了九级。该方法则强调了节理组数(Jn)、节理面粗糙度(Jr)及节理蚀变(Ja)等因素比节理方向的影响更重要，因此若考虑节理方向性时，该方法就会显得不太合适，另外它只考虑了岩体自身的完整性而未考虑岩块强度和工程因素。谷德振等则认为岩体质量主要受控于岩块强度(Rc)、结构面抗剪强度(f)和岩体完整性(I)，并提出了岩体质量Z-分类，并将岩体质量分为五级。此分类中并未考虑具体工程类型的影响，它所反映的也主要是岩体的基本质量，而且各参评因素的影响权值是不同的，其重要性为f>I>S，其中S=Rc/100为岩块的坚强系数。水电工程地下围岩分类(1999)则更强调岩体结构完整性及结构面的发育状态，以定性分析为主，提出了围岩的五级分类法。但该方法不适用于埋深浅以及洞穴发育地段的围岩质量评价。3.2预测结果及分析本文根据人工神经网络具有很强的学习、计算和知识处理能力等特点，用大量的训练、学习样本，建立起输入输出变量间复杂的非线性关系，对目前常用的几种主要的岩体质量评价分级方法的分级相关性进行了系统的定量研究，有关部分计算结果如表3。在具体计算时，首先将各级岩体质量评价值归一化变换为区间值，然后再将输出值乘以相同倍数，即得真正的值。因此在处理过程中，由于还原时一般都扩大100倍，即使预测时误差很小，还原后也可能很大，但从表3的预测结果表明这样处理结果仍能符合误差范围的。计算结果表明，由Z值预测RMR值的相对误差平均为15%±，质量等级对判率为88%，预测分级与实际基本一致，但Z分级较RMR法分级相对高一些。由水电工程围岩分级方法预测的RMR值的相对误差平均为10%±左右，质量分级对判率为85%，二者的分级基本一致。根据上述方法对各种岩体质量评价分级标准进行计算和综合对比分析，并参考有关文献，对各种方法分级的相关性总结如表4，其中表中同一分级栏内的各种方法的分级是可以换算的。上述分析表明，虽然各种方法的分级参评因素不同，但都是以岩体结构完整性和岩石强度为控制岩体质量发育和分级的基础，因此它们之间具有可比性和相关性的物质基础，各种方法所得到的岩体分级是可以相互对比和换算的，从而提高了岩体质量综合评价和分级结果的可靠性并为各种方法的评价结果提供了统一认识以及相互验证的依据。3.3工程应用3.3.1岩体结构及岩体质量综合评价本工程拟建场地内的基岩主要为震旦纪中统的雾迷山组白云质灰岩，地基岩体断裂、裂隙构造发育，在100×80m2的场地范围内发育了两条多期次的正断层和三条规模较大的溶蚀裂隙槽，岩体节理裂隙极发育，RQD值平均为10%～30%，岩体纵波速度平均为2000～3000m/s，横波速度约800～1500m/s，岩体十分破碎，总体为层状碎裂岩体结构。根据工程场地岩体结构分析，采用多种动、静态岩体质量综合评价方法系统地研究和评价了拟建场地地基岩体质量的发育特征及其空间分布，综合计算结果如表5。表5的计算结果表明，尽管各类评价方法的分级方案不同，但根据本文建议的各类分级方法的换算对比原则，对本场地地基岩体质量的综合评价分级结果是可靠的和一致的。拟建场地南、北两区的地基岩体质量具有明显的差别，北区地基岩体相对较完整，地基岩体质量为IV级，而南区地基岩体破碎、不完整，溶蚀、风化作用发育，地基岩体质量综合评价为V级。3.3.2岩体质量综合评价体断裂结构与岩体质量评价三峡工程永久船闸区岩体主要为前震旦纪的花岗岩体，SA7排水主洞及其支洞内统计段的岩体结构以微风化～新鲜的整体～块状结构为特征，岩体完整～较完整，本文采用多种评价方法对此段排水洞的岩体质量进行综合评价分级，其计算结果如表6。上述的分析表明，虽然各种岩体质量分级方法所考虑的影响因素和侧重点不同，所得的分级方案也可能不同，从而对同一工程岩体的质量评价所得的分级结果可能会不同。但是它们的分级基础是相似的，即都以地质因素为主导，因此各种分级方法之间是可以换算和对比的。根据本文建议的各类岩体质量分级方法的换算对比方案，三峡工程永久船闸SA7排水主洞及其支洞的岩体质量分级比较一致，总体为I～II类，岩体质量良好，这是保证船闸边坡岩体稳定的基础。4工程岩体质量评价体系国内外岩体质量评价分级研究正在由单因素定性分级向多因素、多指标的定性和定量综合模式发展。尽管主要的岩体质量评价分级方法的应用和侧重点不同，但其