疏浚巖石分級(jí)方法的優(yōu)化

張乾，秦亮

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300450）

0 引言

規(guī)范中所指的巖石通常是指巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖和由母巖膠結(jié)在一起組成的團(tuán)粒[1]。巖石質(zhì)地較堅(jiān)硬且物理性質(zhì)還與產(chǎn)狀、破碎程度等因素相關(guān)，因此巖石疏浚是一般海上疏浚和河道工程中難度最大最昂貴的一部分。

由于巖石較為復(fù)雜的特性，且國(guó)內(nèi)對(duì)巖石疏?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的積累較少，不同的巖石輸挖性能認(rèn)識(shí)上存在很多的不足。因此，從現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，目前還沒(méi)有單一的測(cè)定方法來(lái)正確評(píng)價(jià)特定巖石可挖掘的難易程度[2]。國(guó)內(nèi)通常依據(jù)巖土的級(jí)別來(lái)評(píng)價(jià)巖土的輸挖特性，因此探索疏浚巖石的分級(jí)方法具有很高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外巖石分級(jí)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的JTJ 319—99《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》根據(jù)巖石的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度將強(qiáng)度小于30 MPa的巖石分為2級(jí)，如表1。

正在修訂的《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》在表1的基礎(chǔ)上，根據(jù)重力觸探擊數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度將強(qiáng)度小于30 MPa的巖石分為3級(jí)，見(jiàn)表2。

表1 巖石分級(jí)表

表2 修訂中的疏浚工程技術(shù)規(guī)范巖石分級(jí)表

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)巖石可挖掘特性的判斷也是較為謹(jǐn)慎的，沒(méi)有單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)巖石的可挖性。以英國(guó)的疏浚標(biāo)準(zhǔn)BS 6349-5《英國(guó)疏浚工程規(guī)范》為例，規(guī)范沒(méi)有對(duì)巖石進(jìn)行分級(jí)，而是根據(jù)巖石類別將巖石分為不需預(yù)處理和需要預(yù)處理兩種情況分界對(duì)待。對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的巖石按照碎石土的疏浚方式處理，對(duì)不需經(jīng)過(guò)預(yù)處理的巖石根據(jù)不同的挖掘方式劃分其難易程度。

2 巖石分級(jí)新方法

2.1 指標(biāo)的選擇

由前述可以看出，目前國(guó)內(nèi)對(duì)巖石級(jí)別劃分的主要依據(jù)是巖石挖掘過(guò)程最易得到的抗壓強(qiáng)度這一指標(biāo)，具有簡(jiǎn)便易操作的優(yōu)勢(shì)。但是根據(jù)挖泥船施工特性可知，疏浚施工時(shí)，巖石同時(shí)受到剪切和壓裂的作用[3]，施工難易與巖石的破碎程度也有直接的關(guān)系。因此，如果根據(jù)單一的指標(biāo)來(lái)確定巖石級(jí)別，誤差大，使用率低。

針對(duì)這種情況，提出根據(jù)修正的單軸抗壓強(qiáng)度Rb′和抗剪強(qiáng)度τ兩個(gè)指標(biāo)劃分巖石級(jí)別的思路。

式中：Rb為單軸抗壓強(qiáng)度；KV為完整性指數(shù)。

式中：c為黏聚力；σ為有效正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

其中修正的單軸抗壓強(qiáng)度 Rb′的計(jì)算方法與 GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中計(jì)算圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比方法類似。

式（1）中用于修正巖石抗壓強(qiáng)度的參數(shù)是完整性指數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：vpm為巖體壓縮波波速；vrm為巖塊壓縮波波速。

工程中在無(wú)特殊要求時(shí)，這一參數(shù)少有取得。而另一與完整性有關(guān)的參數(shù)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD則較常見(jiàn)。因此，為了便于進(jìn)行分級(jí)，也為了便于推廣本文的分級(jí)新方法，有必要建立起KV與RQD關(guān)系方程。

以某水電工程壩區(qū)巖體為例[4]，從對(duì)近50個(gè)試點(diǎn)的資料進(jìn)行分析，對(duì)巖體變形試點(diǎn)部位實(shí)測(cè)的巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD與巖體完整性系數(shù)KV作相關(guān)分析。得到RQD與KV的關(guān)系如下：

式中，相關(guān)系數(shù)0.81。

2.2 指標(biāo)的界限

根據(jù)正在修訂的《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》，先將Rb′的判定界限定為≤5 MPa，≤15 MPa，≤30 MPa三個(gè)分界?？紤]到現(xiàn)在的大型挖泥船的功率越來(lái)越大，可以挖掘Rb為40 MPa以內(nèi)的巖石，因此將Rb′的判定界限定為≤5 MPa，≤15 MPa，≤30 MPa，≤40 MPa四個(gè)分界。

τ的判定界限根據(jù)τ與Rb的經(jīng)驗(yàn)倍數(shù)關(guān)系得到。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖石抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值關(guān)系K[5]如表3。

表3 不同巖類抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值表

用比值K與Rb′的4個(gè)判定界限相乘，得到巖漿巖和沉積巖的抗剪強(qiáng)度τ的分界線如表4。

表4 不同巖類抗剪強(qiáng)度分界線表MPa

2.3 分級(jí)方法

根據(jù)式（1）修正單軸抗壓強(qiáng)度Rb，將計(jì)算得到的修正的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb′和抗剪強(qiáng)度τ代入表5查找相應(yīng)的巖石等級(jí)。

表5 巖石分級(jí)表

3 級(jí)別的加權(quán)計(jì)算

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，如果按照疏浚巖土分級(jí)表對(duì)巖土進(jìn)行分級(jí)，各個(gè)判別指標(biāo)得到的級(jí)別經(jīng)常出現(xiàn)不屬于同一級(jí)的情況，增加了分級(jí)的不確定性和難度。因此，可以采用加權(quán)的方法[6]，量化巖石分級(jí)。

首先，分別給修正的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度各50%的權(quán)重；然后，根據(jù)表5判斷兩個(gè)指標(biāo)各自的級(jí)別a和b；最后，按照級(jí)別計(jì)算公式（5）四舍五入后得到該巖樣的級(jí)別。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文的巖石分級(jí)新思路，是在借鑒國(guó)內(nèi)外的疏浚規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石的特性提出的?？紤]了巖石挖掘過(guò)程的主要影響參數(shù)（抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、完整性指數(shù)），使巖石分級(jí)更加合理，更加準(zhǔn)確地反應(yīng)巖石的挖掘難易程度。引用了他人對(duì)RQD與KV關(guān)系的研究成果，使該思路更加便于操作。另外，引入加權(quán)的理念，使分級(jí)量化，便于實(shí)際應(yīng)用。該成果已在廣東某項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中得到檢驗(yàn)，較原分級(jí)方法更加接近實(shí)際，使級(jí)別這一參數(shù)對(duì)疏浚工程的指導(dǎo)性有較大的提高。

2）50%的權(quán)重系數(shù)是根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)得到的，需要在今后的實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)不同地區(qū)、不同的土質(zhì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

[1]ZT比尼奧斯基.工程巖體分類[M].吳立新，譯.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[2]嚴(yán)沛漩.水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)專業(yè)綜述：工程地質(zhì)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1993.

[3]孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[4]胡卸文，鐘沛林，任志剛.巖體塊度指數(shù)及其工程意義[J].水利學(xué)報(bào)，2002（3）：80-83.

[5]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[6]張乾，刁海島.疏浚土工程級(jí)別的加權(quán)法判定與分析[C]//第十九屆世界疏浚大會(huì)論文集，2010.