岩体基本质量指标修正因素

岩体的工程分类_工程地质认识与分

第四节　岩体的工程分类

为了便于异地试验成果、施工经验及研究成果的交流，合理地进行岩体工程的设计、施工，保证工程的安全和稳定，需要进行岩体分类。从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。

按分类目的，岩体分类可分为综合性分类和专题性分类两种；按分类所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。

以下分别介绍几种典型的单因素和多因素分类方法。

一、工程岩体的单因素分类

（一）按岩块的单轴抗压强度分类

按单轴抗压强度分类是最基本、最简单、应用最广泛的分类方法，而且常用的多因素综合分类中一般都将岩块的单轴抗压强度作为重要因素考虑，如迪尔和米勒（1966）强度分类法。我国《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）参考迪尔方法，以新鲜岩块饱和单轴抗压强度为指标，将岩块也分为五类（表3-4）。

表3-4　岩块饱和单轴抗压强度分类

（二）按岩体波速分类

岩体波速（弹性波在岩体中的传播速度）与岩体的均匀性和完整性密切相关。一般岩体越致密、完整，波速越大；岩体中结构面越多波速越小。因此，可按波速将岩体进行完整性分类。

岩体中传播的弹性波分为纵波（P）和横波（S），P波为压缩波，S波为剪切波，P波速度较快，便于测试，因此岩体分类时一般用P波。

将同一岩性的岩体波速和岩块波速比值的平方定义为岩体完整性系数（K），又称裂隙系数。

式中：v _pm——弹性波在岩体内的传播速度；

　v _pr——弹性波在岩块内的传播速度。

在我国《岩土工程勘察规范》（GB 50021—1994）中，按岩体完整性系数K，将岩体的完整程度分为五类（表3-5）。

表3-5　按岩体完整程度分类

（三）按岩石体质量指标（RQD）分类

1963年美国学者迪尔提出了岩石质量指标（RQD）分类方法，后来又逐步完善，尤其是在取样工具及方法等方面更加明确。根据岩土工程勘察规范，RQD指用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值以百分数表示（图3-7），即：

式中：h——单节长度大于或等于10mm的岩芯长度，cm；

图3-7　RQD和岩芯采取率对比

L——取芯钻孔总长度，cm。

RQD是反映岩体完整性和岩石质量的有效指标，获取方便，概念简单明确，因此得到了广泛应用。通常按RQD可将岩体分为五类（表3-6）。

二、工程岩体的多因素综合分类

实际上，工程岩体往往受到各种因素的影响，要想较准确、全面地评价工程岩体的质量，就应尽可能多地考虑这些因素进行综合分类。多因素综合分类法从影响工程岩体质量的多种参数中综合提取一种指标进行分类。

表3-6　按RQD大小的工程岩体分类

下面介绍几种典型的分类方法。

（一）岩体质量分级法

我国《工程岩体分级标准》（GB 50218—1994）提出了两步分级的方法。

第一步，按岩体基本质量指标BQ初步分级（单轴抗压强度、完整性系数）。岩体的坚硬程度和岩体完整程度决定了岩体的基本质量，是岩体的固有属性，是有别于工程因素的共性。基本质量好，则稳定性好，反之亦然。所以有必要进行基本质量分级。

第二步，考虑其他影响因素对BQ指标进行修正（天然应力、地下水、结构面方位等），并按修正后的BQ进行详细分级。

1．岩体基本质量指标（BQ）计算与基本质量分级

（1）岩体基本质量指标（BQ）的计算。

以103个典型的岩体工程为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析的方法，建立了岩体基本质量指标表达式：

BQ＝90＋3δ_cw＋250 Kv　　　（3-33）

式中：BQ——岩体基本质量指标；

　δ_cw——岩石单轴饱和抗压强度，MPa；

　K _v——岩体完整性系数。

当δ_cw＞90 K v＋30时，以δ_cw＝90 Kv＋30代入式（3-33），求BQ值；

当K _v＞0．04δ_cw＋0．4时，以K v＝0．04δ_cw＋0．4代入式（3-33），求BQ值。

（2）岩体基本质量分级。

按BQ值和岩体质量的定性特征将岩体划分为五级，如表3-7所示。

表3-7　岩体基本质量指标分类

2．岩体基本质量指标的修正

岩体基本质量指标确定时只考虑了两个重要因素（δ_cw、K _v）。工程岩体的稳定性，还与地应力、地下水、结构面有关，应结合工程特点，考虑各影响因素来修正质量指标，作为工程岩体分级的依据。

［BQ］＝BQ-100（K ₁＋K ₂＋K ₃）　　　（3-34）

式中：［BQ］——岩体基本质量指标修正值；

　BQ——岩体基本质量指标；

　K ₁——地下水影响修正系数；

　K ₂——主要软弱结构面产状影响修正系数；

　K ₃——原岩应力影响修正系数。

根据修正后的［BQ］，重新按表3-10确定岩体质量分级。

（二）岩体地质力学分类（CSIR分类）

该方法由南非科学与工业委员会（CSIR）提出，主要考虑岩块强度、RQD、节理间距、节理状态、地下水五种指标（RMR分类指标），其分类步骤如下。

（1）椐各指标数值的标准评分，并求和得总评分RMR值。

RMR＝R ₁＋R ₂＋R₃＋R 4＋R₅　　　（3-35）

（2）考虑到结构面产状与工程相对位置的关系，对总分中的节理方向评分作适当的修正。

（3）用修正的总分确定岩体级别。

该方法综合考虑了影响岩体稳定的主要因素，参数概念明确，取值方便，因此得到了较广泛的应用。主要适用于坚硬岩体的浅埋洞室，对于软弱岩体不适用。

（三）巴顿隧道岩体质量（Q）分类

巴顿等人总结了200多个隧道工程的岩体力学规律，经过统计分析后，1974年提出了一个表示岩体质量好坏的Q值：

式中：RQD——岩体质量指标，见前述；

　J _n——岩体裂度（节理组数）影响系数；

　J _a——结构面岩壁强度降低系数；

　J _r——结构面粗糙度系数；

　J _w——地下水的影响系数；

　SRF——应力折减系数。

该分类方法反映了岩体质量的三个方面：岩体的完整性；结构面的形态、充填物特征及其次生变化程度；水及其他应力存在时对岩体质量的影响。该分类方法具有以下特点：考虑的地质因素较全面；定性定量相结合；软硬岩体均适用；对极其软弱的岩体推荐使用。

（四）我国不同行业的多因素综合性围岩分类

多因素综合性工程围岩分类研究工作在我国开展较早，发展较快。20世纪80年代，国内地质、煤炭、铁路、水电、公路、军工等行业和部门，参考了国际先进的围岩分类方法，陆续提出了比较适合本部门特点的工程围岩分类方法。如煤炭系统围岩分类（由好到坏分为Ⅰ～Ⅴ类），公路、铁路隧道围岩分类，具体分类请参看本书第十章第二节。

复习思考题

1．如何区别吸水率、含水率的概念。

2．何为软化系数，岩体、岩石、结构面各有什么物理意义？

3．岩石的塑性和流变性有什么不同？

4．工程岩体如何进行分类？

5．何为岩石质量指标（RQD），如何根据其大小对工程岩体进行分类？

6．什么是岩体的弹性模量？什么是岩体的变形模量？试用图加以说明。

7．常用于岩块变形与强度性质的指标有哪些？各自的定义是什么？各自的测定方法是什么？影响各种力学指标的因素有哪些？三大类岩的各种指标是什么？