基于格魯吉亞項(xiàng)目的橋梁基底R(shí)QD測(cè)定與分析

田淵， 張彪,2， 危文濤,2， 劉多文

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

格魯吉亞E60高速公路新建路段F2標(biāo)位于格魯吉亞中部伊梅列季地區(qū)，其中橋梁35座，大部分采用擴(kuò)大基礎(chǔ)墩柱，對(duì)地質(zhì)的要求除承載力符合要求外，對(duì)其巖石完整性也有一定要求(巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD≥50%)。相關(guān)研究表明巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況與巖體波速存在一定相關(guān)性，可通過(guò)測(cè)得巖塊縱波速度與巖體縱波速度之間的比值關(guān)系來(lái)反映，其中巖塊縱波速度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以修正。工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中，大都將巖體完整性系數(shù)作為反映巖體質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，但不同規(guī)范對(duì)確定巖體完整性系數(shù)的規(guī)定存在一定分歧。結(jié)合工程實(shí)際及國(guó)際環(huán)境，該項(xiàng)目偏向于對(duì)橋梁基底穩(wěn)定性的反映，故依據(jù)Arild Palmstrom在國(guó)際工程地質(zhì)學(xué)會(huì)第六屆會(huì)議中提出的巖體質(zhì)量評(píng)定方法，通過(guò)測(cè)定巖體體積節(jié)理，運(yùn)用巖體體積節(jié)理與RQD值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系快速評(píng)定巖體節(jié)理化程度，并得出相應(yīng)的RQD值。

1 RQD測(cè)定方法及原理

1.1 傳統(tǒng)方法中RQD的定義及測(cè)定

RQD是指某巖組中≥10 cm的柱狀巖芯的累計(jì)長(zhǎng)度與鉆探總長(zhǎng)的比值。傳統(tǒng)RQD測(cè)定法雖廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，但仍存在一定不足：1) 由于巖體各部位裂隙發(fā)育程度、充填特征、巖體風(fēng)化程度及裂隙發(fā)育存在各向異性，常導(dǎo)致巖體工程性質(zhì)的結(jié)果存在較大離散性；2) 僅將長(zhǎng)度≥10 cm的巖芯籠統(tǒng)累計(jì)，將完整程度分為≥10 cm和≤10 cm兩級(jí)，而10 cm尺寸是否為區(qū)分巖體完整性最合理的界線并未得到充分論證。因此，僅采用RQD來(lái)反映巖體的完整程度時(shí)應(yīng)考慮以上不足對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)的影響。

1.2 節(jié)理數(shù)與RQD值之間的轉(zhuǎn)換公式

鑒于傳統(tǒng)RQD鉆芯測(cè)定方法的不足及成本問(wèn)題，結(jié)合國(guó)際項(xiàng)目實(shí)際情況，依據(jù)式(1)所示RQD值與巖體體積節(jié)理數(shù)Jv的相關(guān)關(guān)系，不僅可考慮巖體的節(jié)理分布與走向，還能簡(jiǎn)便地給出RQD評(píng)定值，同時(shí)為項(xiàng)目地質(zhì)勘探節(jié)約一定成本。

RQD=115-3.3Jv

(1)

2 巖體體積節(jié)理數(shù)Jv

Jv為每立方米巖體體積內(nèi)的結(jié)構(gòu)面數(shù)目，按下式計(jì)算：

(2)

式中：n為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面組數(shù)，即節(jié)理組數(shù)；Si為每米長(zhǎng)測(cè)線上第i組節(jié)理的條數(shù)(條/m)；SK為每立方米巖體非成組節(jié)理(隨即機(jī)理)條數(shù)(條/m3)。

2.1 Jv的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法及步驟

體積節(jié)理現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理發(fā)育及分布規(guī)律，選擇能較好地反映三維空間條件的露頭布置測(cè)線且盡可能穿過(guò)最多節(jié)理組，并遵循下列原則：1) 當(dāng)各方向的節(jié)理能被一條測(cè)線穿過(guò)時(shí)，可只布置一條測(cè)線[見(jiàn)圖1(a)]。2) 當(dāng)存在與布置測(cè)線方位平行的節(jié)理組時(shí)，需另外布置一條與前者交叉的測(cè)線[見(jiàn)圖1(b)]。前者為主測(cè)線，測(cè)量與之相交的所有節(jié)理；后者為副測(cè)線，只測(cè)量與主測(cè)線平行的節(jié)理。統(tǒng)計(jì)過(guò)程中應(yīng)記錄各測(cè)線的方位、傾角、夾角及空間距離。

圖1 測(cè)線布置示意圖

2.2 節(jié)理面平面方程

采用右手坐標(biāo)系建立X軸指北、Y軸指東、Z軸向下的坐標(biāo)系。如圖2所示，假定以A點(diǎn)為起點(diǎn)的測(cè)線AB的方位角為φ、傾角為θ(向上為負(fù)，向下為正)；設(shè)第i條節(jié)理面Pi與測(cè)線相交于點(diǎn)K，令A(yù)K距離為Ri；以距A點(diǎn)L處的O點(diǎn)為單位立方體的中心點(diǎn)，O點(diǎn)在單一測(cè)線上時(shí)可任意選擇，在有主、副測(cè)線的情況下為二者交點(diǎn)位置。

圖2 單位體積立方體與測(cè)線及節(jié)理面的位置關(guān)系

參考文獻(xiàn)[9]，按以上假定，則測(cè)線AB的向量可表示為：

節(jié)理面與測(cè)線的交點(diǎn)坐標(biāo)為：

xk=OKl0=(Ri-L)cosφcosθ

yk=(Ri-L)sinφcosθ

zk=(Ri-L)sinθ

同時(shí)設(shè)定該節(jié)理面的傾向?yàn)棣羒、傾角為βi(i=1,2,…，n)，則可用其法線方向向量表示：

節(jié)理面的方程(點(diǎn)向式)為：

(x-xk)cosαisinβi+(y-yk)sinαisinβi+

(z-zn)cosβ=0

2.3 確定節(jié)理面與單位立方體的棱的交點(diǎn)

圖2所示單位立方體有6個(gè)面分別對(duì)應(yīng)方程x=±1/2,y=±1/2,z=±1/2，共有12條棱，棱長(zhǎng)均為單位長(zhǎng)(見(jiàn)圖3)。通過(guò)建立節(jié)理面與巖體立方體6個(gè)面的聯(lián)立方程，分別得出與不同棱的交點(diǎn)坐標(biāo)，最后確定各節(jié)理面與單位巖體及測(cè)線之間的準(zhǔn)確位置。

圖3 單位立方體6個(gè)面及各棱線

2.4 巖體體積節(jié)理數(shù)的確定

只有一條測(cè)線時(shí)，Jm為所求體積節(jié)理數(shù)Jv，Jv=Jm；當(dāng)有主、副測(cè)線時(shí)，主測(cè)線Jm記為Jm1，副測(cè)線Jm記為Jm2，所求體積節(jié)理數(shù)為二者之和，即Jv=Jm1+Jm2。

如果運(yùn)用基本理論來(lái)測(cè)定、計(jì)算、判定與統(tǒng)計(jì)巖體體積節(jié)理，結(jié)果雖然精確，但操作復(fù)雜，耗時(shí)費(fèi)力。而且對(duì)于大多數(shù)工程建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)巖體節(jié)理統(tǒng)計(jì)的精度要求并不需要達(dá)到這種程度。因此，在基本原理的基礎(chǔ)上，可采用直接測(cè)量法方便快捷地得出巖體體積節(jié)理。

2.5 體積節(jié)理數(shù)直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是直接數(shù)出單位體積巖體中的節(jié)理數(shù)，該方法有以下3種情形為合理測(cè)量面：

(1) 有3個(gè)或以上近似正交的臨空面，其中至少有1個(gè)臨空面長(zhǎng)度在2 m以上，以確保可基本呈現(xiàn)單位體積巖體中的大部分裂隙。

(2) 有2個(gè)正交的臨空面，且有足夠的測(cè)量范圍，確保臨空面可框住各種產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面。當(dāng)結(jié)構(gòu)面與臨空面斜交時(shí)，測(cè)量單位體積內(nèi)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)必須將統(tǒng)計(jì)范圍擴(kuò)展到單位面積之外，測(cè)量范圍大小取決于待測(cè)節(jié)理組與測(cè)量面間的夾角(見(jiàn)圖4，其中EF為擴(kuò)展測(cè)量范圍)。

圖4 具有2個(gè)正交臨空面時(shí)斜交節(jié)理的測(cè)量范圍確定示意圖

(3) 單臨空面，要求臨空面與巖體中各組結(jié)構(gòu)面都相交，且?jiàn)A角越大越好，確保臨空面上可呈現(xiàn)測(cè)量體內(nèi)的所有裂隙。測(cè)量時(shí)，除計(jì)數(shù)單位面積內(nèi)的所有節(jié)理外，對(duì)于每一組節(jié)理，其擴(kuò)展測(cè)量范圍的確定見(jiàn)情況2和圖2。

3 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理統(tǒng)計(jì)

依據(jù)GB 50218-94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，巖體體積節(jié)理數(shù)Jv應(yīng)針對(duì)不同工程地質(zhì)巖組，選擇代表性的露頭或開(kāi)挖壁面進(jìn)行節(jié)理統(tǒng)計(jì)。除成組節(jié)理外，對(duì)延伸長(zhǎng)度>1 m的分散節(jié)理亦應(yīng)統(tǒng)計(jì)；已為硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)充填再膠結(jié)的節(jié)理不予統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)部位的測(cè)窗面積≥2×5 m2。

該項(xiàng)目地質(zhì)情況如下：輝長(zhǎng)巖(PzGa)，深層為灰色、黑灰色為主，地表附近為灰黃色、淺褐黃色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；深層成組發(fā)育3組節(jié)理，以構(gòu)造型為主，節(jié)理面較光滑，微張，結(jié)合性較差，黏附薄層泥質(zhì)，受節(jié)理切割，巖石完整性差，呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；淺表巖石由于卸荷及風(fēng)化作用，裂隙很發(fā)育，以風(fēng)化、卸荷裂隙為主，裂隙呈張開(kāi)狀態(tài)，巖石破碎，巖體完整性很差，呈碎裂結(jié)構(gòu)；從淺表到深部裂縫的過(guò)渡帶巖石中，裂隙有不同程度的張開(kāi)松弛現(xiàn)象。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)位于格魯吉亞E60高速公路F2標(biāo)BRI-211-AT-P6墩基底處，有2個(gè)近似正交的臨空面，節(jié)理組成為3組主要成組節(jié)理(J1、J2、J3)和隨機(jī)節(jié)理(Js)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)全貌及測(cè)量過(guò)程見(jiàn)圖5～8。測(cè)量巖體區(qū)域主要為3組節(jié)理(J1、J2、J3)，同時(shí)分布著些許隨機(jī)節(jié)理，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 RQD計(jì)算及分析

根據(jù)表1，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的BRI-2113-AT-P6墩基底處巖體體積節(jié)理數(shù)Jv進(jìn)行整理與分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量空間示意圖

圖6 J1節(jié)理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

圖7 J2節(jié)理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

圖8 J3節(jié)理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

表1 BRI-2113-AT-P6墩基底處巖體節(jié)理及測(cè)量坡面產(chǎn)狀

表2 BRI-2113-AT-P6墩基底處Jv測(cè)量結(jié)果

依據(jù)式(2)計(jì)算得出巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，然后通過(guò)(1)計(jì)算得出RQD值。測(cè)量點(diǎn)淺表層巖體的RQD=115-3.3×(4.5+5+6.5+5)=45.7<50%，巖體完整性差，不符合設(shè)計(jì)要求；測(cè)量點(diǎn)深層巖體的RQD=115-3.3×(4.5+5+6.5+2)=55.6>50%，巖體完整性一般，符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)節(jié)理及坡面產(chǎn)狀繪制赤平投影圖(見(jiàn)圖9)，并對(duì)各節(jié)理組成的空間情況進(jìn)行基坑坡面穩(wěn)定性分析。由圖9可知：J1與坡面走向垂直；J2近似順坡，對(duì)斜坡穩(wěn)定最不利；J3近似反向坡，雖然對(duì)穩(wěn)定影響較小，但與J2、J1互相切割形成向下的楔形體，分別相交于點(diǎn)A、B、C。由于點(diǎn)A與點(diǎn)B在坡面之外，J2與J3兩結(jié)構(gòu)面的組合交線OC位于它們的傾向線之間，OC的傾斜方向即為滑移體的滑動(dòng)方向，兩結(jié)構(gòu)面都是滑動(dòng)面，為該邊坡穩(wěn)定的不利條件。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)定分析計(jì)算時(shí)需重點(diǎn)考慮節(jié)理OC即L2-L3(見(jiàn)表3)對(duì)坡面的影響。

圖9 赤平投影計(jì)算圖(上半球投影)

表3 空間交線產(chǎn)狀

4 結(jié)論

(1) 基于體積節(jié)理的基本數(shù)學(xué)原理，采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法統(tǒng)計(jì)巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，通過(guò)Jv與RQD之間的相關(guān)關(guān)系對(duì)RQD值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。相比于采用純數(shù)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該方法操作簡(jiǎn)單，方便快捷；相比于鉆芯統(tǒng)計(jì)法，該方法可降低工程勘探成本。該方法不僅可對(duì)橋梁基底進(jìn)行RQD判定，也可進(jìn)行基坑開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)工程施工具有一定指導(dǎo)意義。

(2) 考慮到測(cè)定的RQD離散性較大等不足，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)所測(cè)定的RQD值進(jìn)行修正或結(jié)合其他巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法彌補(bǔ)RQD巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的不足。該文采用的RQD測(cè)定方法雖然綜合考慮了節(jié)理分布的影響，但受統(tǒng)計(jì)人員工程經(jīng)驗(yàn)的影響較大，同樣存在離散性較大的問(wèn)題，有待改善。