巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法研究綜述

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)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(lèi)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(píng)價(jià)是溝通巖體工程勘察、設(shè)計(jì)和施工的橋梁與紐帶。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法體系繁多，各類(lèi)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法的參評(píng)因素、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等都不相同，對(duì)同一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，不同的評(píng)價(jià)方法可能會(huì)有不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。那么各種分級(jí)方法之間是否具有可比性和相關(guān)性呢?又怎樣相互驗(yàn)證各種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性呢?研究各類(lèi)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法間的相關(guān)性具有非常重要的工程意義，尤其在國(guó)際間的交流合作、工程承包等方面，更需要有一個(gè)統(tǒng)一的工程巖體評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1國(guó)內(nèi)外巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究經(jīng)歷了近一個(gè)世紀(jì)發(fā)展歷史，而且地下工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究較其它工程開(kāi)展得更早更完善。在本世紀(jì)30～40年代，國(guó)際上代表性的工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有Ф.М.Сад-ренский分類(lèi)(1937)，Н.Н.Маспов分類(lèi)(1941)，Terzaghi分類(lèi)(1946)等；50～60年代期間主要有Lauffer分類(lèi)(1958)，Deere的RQD分類(lèi)(1964)。這些分類(lèi)多偏重于單指標(biāo)定性或定量分類(lèi)。進(jìn)入70年代以后，巖體質(zhì)量分類(lèi)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(guó)的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(RSR)分類(lèi)(1974,1978)，挪威Barton的Q系統(tǒng)(1974,1980)，南非Bieniawski的RMR分類(lèi)(1974,1976)，日本菊地宏吉的壩基巖體分類(lèi)(1982)，西班牙Romana的邊坡巖體SMR分類(lèi)(1985,1988,1991)，美國(guó)Williamson的統(tǒng)一分類(lèi)(1984)等。我國(guó)對(duì)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究開(kāi)展較晚，主要有谷德振、黃鼎成(1979)的Z-分類(lèi)，王思敬等人(1980)彈性波指標(biāo)Za分類(lèi)，關(guān)寶樹(shù)(1980)的圍巖質(zhì)量Q分類(lèi)，楊子文(1982,1984)的M分類(lèi)，陳德基(1983)塊度模數(shù)MK分類(lèi)，王石春等人(1980,1985)RMQ分類(lèi)，邢念信(1979,1984)坑道工程圍巖分類(lèi)，東北工學(xué)院(1984)圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分級(jí)，長(zhǎng)委的三峽YZP分類(lèi)(1985)，水電部昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)院(1988)提出大型水電站地下洞室圍巖分類(lèi)，王思敬(1990)巖體力學(xué)性能質(zhì)量系數(shù)Q分類(lèi)，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(1991)，工程巖體分級(jí)國(guó)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(dòng)、靜態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系(1997)等等。國(guó)內(nèi)外對(duì)工程巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)不同，因此所選用的參評(píng)因素以及分級(jí)方法也都不同。關(guān)于國(guó)內(nèi)外典型工程巖體分級(jí)方法總結(jié)如表1。上述分析結(jié)果表明，目前各類(lèi)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究表現(xiàn)為如下特點(diǎn)：(1)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)由單因素定性分級(jí)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(jí)具有較大的主觀性，缺乏統(tǒng)一分級(jí)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(gè)固定的評(píng)價(jià)指標(biāo)和簡(jiǎn)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(jí)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(píng)價(jià)巖體質(zhì)量發(fā)育特征。(2)由于各類(lèi)工程巖體評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用和分析側(cè)重點(diǎn)不同，相應(yīng)地采用了不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法的換算提供了理論基礎(chǔ)，使各種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)因素有逐漸接近的趨勢(shì)。(3)上述各類(lèi)巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法都是從不同側(cè)面選擇幾個(gè)固定的參評(píng)因素，按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性運(yùn)算，從而得出巖體質(zhì)量的綜合評(píng)分，并據(jù)此進(jìn)行巖體質(zhì)量分類(lèi)。這些方法雖然簡(jiǎn)單方便，但無(wú)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(diǎn)，對(duì)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(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等多種評(píng)價(jià)方法從不同側(cè)面進(jìn)行巖體質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)。(4)隨著巖體質(zhì)量分級(jí)的不斷完善，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與巖體穩(wěn)定性分析的有機(jī)結(jié)合是巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2巖體結(jié)構(gòu)與巖體質(zhì)量上述各類(lèi)評(píng)價(jià)方法的參評(píng)因素可歸納為兩類(lèi)，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(jí)的根本，這些都決定了上述工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(lèi)實(shí)質(zhì)是對(duì)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(gè)重要特征即巖體完整性。而巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。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(duì)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(píng)價(jià)巖體質(zhì)量及穩(wěn)定狀態(tài)。本文通過(guò)對(duì)大量巖體工程的各類(lèi)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(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果也不可能相似，表2也充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)。3相關(guān)的定量關(guān)系研究關(guān)于各種巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法間的相關(guān)性研究，國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)此很少見(jiàn)到有關(guān)的定量關(guān)系的研究報(bào)道。本文試圖對(duì)RMR法，Q分類(lèi)、谷德振的Z分類(lèi)、水電地下圍巖分類(lèi)及工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等目前幾種主要的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法的分級(jí)相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究，以期建立起相互的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.1圍巖分類(lèi)及各指標(biāo)的關(guān)系中國(guó)工程巖體分級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為巖體基本質(zhì)量是由巖石堅(jiān)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(jí)。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(píng)分值并將其分為五級(jí)。該方法非常重視塊體規(guī)模，分類(lèi)更重視塊度，但對(duì)節(jié)理組數(shù)、地應(yīng)力等未加考慮，而且對(duì)節(jié)理組產(chǎn)狀的修正也未有明確意見(jiàn)，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(shí)踐表明，RMR法能較好地反映中等堅(jiān)固巖體質(zhì)量，但對(duì)較差巖體則欠佳，而且RMR法的評(píng)價(jià)結(jié)果有時(shí)太過(guò)于保守。Barton提出的隧道支護(hù)襯砌的圍巖分類(lèi)Q系統(tǒng)主要考慮了6個(gè)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(jí)。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(shí)，該方法就會(huì)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(lèi)，并將巖體質(zhì)量分為五級(jí)。此分類(lèi)中并未考慮具體工程類(lèi)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(píng)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(jiān)強(qiáng)系數(shù)。水電工程地下圍巖分類(lèi)(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(jí)分類(lèi)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(píng)價(jià)。3.2預(yù)測(cè)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(jì)算和知識(shí)處理能力等特點(diǎn)，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(duì)目前常用的幾種主要的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)方法的分級(jí)相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)的定量研究，有關(guān)部分計(jì)算結(jié)果如表3。在具體計(jì)算時(shí)，首先將各級(jí)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(guò)程中，由于還原時(shí)一般都擴(kuò)大100倍，即使預(yù)測(cè)時(shí)誤差很小，還原后也可能很大，但從表3的預(yù)測(cè)結(jié)果表明這樣處理結(jié)果仍能符合誤差范圍的。計(jì)算結(jié)果表明，由Z值預(yù)測(cè)RMR值的相對(duì)誤差平均為15%±，質(zhì)量等級(jí)對(duì)判率為88%，預(yù)測(cè)分級(jí)與實(shí)際基本一致，但Z分級(jí)較RMR法分級(jí)相對(duì)高一些。由水電工程圍巖分級(jí)方法預(yù)測(cè)的RMR值的相對(duì)誤差平均為10%±左右，質(zhì)量分級(jí)對(duì)判率為85%，二者的分級(jí)基本一致。根據(jù)上述方法對(duì)各種巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和綜合對(duì)比分析，并參考有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)各種方法分級(jí)的相關(guān)性總結(jié)如表4，其中表中同一分級(jí)欄內(nèi)的各種方法的分級(jí)是可以換算的。上述分析表明，雖然各種方法的分級(jí)參評(píng)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(jí)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(jí)是可以相互對(duì)比和換算的，從而提高了巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)和分級(jí)結(jié)果的可靠性并為各種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果提供了統(tǒng)一認(rèn)識(shí)以及相互驗(yàn)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(píng)價(jià)本工程擬建場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)地巖體結(jié)構(gòu)分析，采用多種動(dòng)、靜態(tài)巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)地研究和評(píng)價(jià)了擬建場(chǎng)地地基巖體質(zhì)量的發(fā)育特征及其空間分布，綜合計(jì)算結(jié)果如表5。表5的計(jì)算結(jié)果表明，盡管各類(lèi)評(píng)價(jià)方法的分級(jí)方案不同，但根據(jù)本文建議的各類(lèi)分級(jí)方法的換算對(duì)比原則，對(duì)本場(chǎng)地地基巖體質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果是可靠的和一致的。擬建場(chǎng)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(duì)較完整，地基巖體質(zhì)量為IV級(jí)，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(píng)價(jià)為V級(jí)。3.3.2巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體斷裂結(jié)構(gòu)與巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)方法對(duì)此段排水洞的巖體質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分級(jí)，其計(jì)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(jí)方法所考慮的影響因素和側(cè)重點(diǎn)不同，所得的分級(jí)方案也可能不同，從而對(duì)同一工程巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)所得的分級(jí)結(jié)果可能會(huì)不同。但是它們的分級(jí)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(jí)方法之間是可以換算和對(duì)比的。根據(jù)本文建議的各類(lèi)巖體質(zhì)量分級(jí)方法的換算對(duì)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(jí)比較一致，總體為I～I(xiàn)I類(lèi)，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(píng)價(jià)體系國(guó)內(nèi)外巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)研究正在由單因素定性分級(jí)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(píng)價(jià)分級(jí)方法的應(yīng)用和側(cè)重點(diǎn)不同，但其