一種改進(jìn)的巖體質(zhì)量分級(jí)方法RMRKv

宋彥輝,馮 滿,巨廣宏

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

RMR(Rock Mass Rating)巖體質(zhì)量分級(jí)是由Bieniawski 于1973年提出的，之后幾十年不斷完善和改進(jìn)，先后出現(xiàn)了RMR76[1]、RMR89[2]、RMR14[3]多個(gè)版本。該系統(tǒng)最初是作為確定隧道支護(hù)類型的預(yù)先設(shè)計(jì)工具開(kāi)發(fā)的，目前與Q系統(tǒng)[4]和GSI[5-6]一起成為巖石工程應(yīng)用中使用最廣泛的分類系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)，又發(fā)展出針對(duì)各種巖石工程的眾多巖體質(zhì)量分類方法，例如礦山巖體分級(jí)系統(tǒng)MRMR[7-8]，巖石邊坡分級(jí)方法SMR[9-10]，以及SRMR[11](主要應(yīng)用于鉆孔弱蝕變巖體)，CSMR[12](適用于水電站邊坡)，M-RMR[13](適用于軟弱、分層、各向異性和含粘土巖體)等。Aksoy[14]對(duì)RMR系統(tǒng)的歷史發(fā)展、應(yīng)用和局限性進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。

RMR巖體質(zhì)量分級(jí)包含5項(xiàng)分類指標(biāo)，即巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理間距(D)、節(jié)理?xiàng)l件(Jcond)以及地下水條件(GW), 它們構(gòu)成巖體的基本質(zhì)量，即反映巖體本身的內(nèi)在特征而不包含工程因素。在這些參數(shù)中，RQD和節(jié)理間距都是反映巖體完整程度的指標(biāo)，并且其分值都是20分。然而，RQD與節(jié)理間距具有相關(guān)性，兩者同時(shí)運(yùn)用到同一個(gè)巖體分級(jí)系統(tǒng)中并不十分恰當(dāng)。同時(shí)，RQD與節(jié)理間距有時(shí)并不易獲取，尤其是節(jié)理間距，其值不僅與測(cè)線方向有關(guān)，同時(shí)也與測(cè)線段的長(zhǎng)度有關(guān)，如受開(kāi)挖面或露頭條件影響，或在鉆孔巖心中測(cè)量該指標(biāo)時(shí)，往往很難準(zhǔn)確獲取所有結(jié)構(gòu)面組的間距值，從而影響該指標(biāo)估計(jì)值的準(zhǔn)確性。另外，由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的非等距性，結(jié)構(gòu)面間距值的測(cè)量和估算也與測(cè)線的長(zhǎng)度有關(guān)，不同測(cè)線長(zhǎng)度(一般不應(yīng)小于5 m)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)面間距值也存在差異。因此，在野外或勘探平硐條件受限的條件下往往難以獲得符合實(shí)際的真值，也增大了野外節(jié)理調(diào)查的繁瑣工作和室內(nèi)計(jì)算工作量。鑒于此，可采用反映巖體節(jié)理化程度的單一指標(biāo)如巖體完整性指數(shù)、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理密度、體積節(jié)理數(shù)等來(lái)代替系統(tǒng)中的兩個(gè)相關(guān)指標(biāo)，從而使巖體分級(jí)系統(tǒng)在不失可靠性的前提下得到簡(jiǎn)化和更好的應(yīng)用。

Celada等人根據(jù)過(guò)去幾十年的經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)了RMR[3]。在新的RMR14系統(tǒng)中，RQD和節(jié)理間距由每米不連續(xù)面的數(shù)量(節(jié)理密度)代替，以消除確定RQD和節(jié)理間距的困難。在該版本中，反映巖體完整程度的節(jié)理密度評(píng)分如表1所示。Liu等人[15]認(rèn)為RMR14系統(tǒng)中的節(jié)理密度在某些情況下仍然存在獲取困難的問(wèn)題，他們提出了用波速比或完整性指數(shù)估算等效節(jié)理密度的方法，進(jìn)而利用RMR14對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外，Chen and Yin[16]用塊度指數(shù)代替RQD和節(jié)理間距，提出了 RMRmbi巖體質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)，然而mbi的計(jì)算相當(dāng)繁瑣，不但需要野外詳細(xì)的測(cè)量，還需要室內(nèi)大量的模擬計(jì)算，因此使用起來(lái)并不方便。

表1 RMR14系統(tǒng)中節(jié)理密度的評(píng)分值 /(條·m-1)

巖體縱波速度的傳播受到眾多因素的影響，主要包括巖石介質(zhì)的致密程度和硬度、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度等，同時(shí)尚受到結(jié)構(gòu)面特征、地應(yīng)力以及地下水的影響。因此，巖體縱波波速是一個(gè)綜合量化參數(shù)。巖體完整性指數(shù)是完整巖塊中的波速與原位巖體波速比值的平方，是一個(gè)歸一化的參數(shù)，去除了巖石強(qiáng)度這一影響因素，主要反映巖體的節(jié)理化程度，因此，這一指標(biāo)用來(lái)反映巖體的完整性是較為適用的。基于上述分析，本文旨在用完整性指數(shù)Kv代替RMR系統(tǒng)中兩個(gè)具有相關(guān)性和重疊性的指標(biāo)RQD和節(jié)理間距，從而使得RMR系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，更便于在實(shí)際巖石工程中應(yīng)用。

1 RMR分級(jí)系統(tǒng)概述

盡管Celada等人于2014年提出了最新版本的RMR14分級(jí)系統(tǒng)，但從出版的文獻(xiàn)資料看，該系統(tǒng)尚沒(méi)有在工程中得到廣泛的應(yīng)用。因此，本文仍以RMR89系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和研究。該系統(tǒng)的基本值可用下列公式表示：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5

(1)

公式(1)中:R1為完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度Rc的評(píng)分值；R2為巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD的評(píng)分值；R3為節(jié)理間距D的評(píng)分值；R4為節(jié)理?xiàng)l件的評(píng)分值；R5為地下水條件評(píng)分值。其中，R1、R2、R3的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如圖1～3所示[15]，也可用公式(2)～(4)求??；R4、R5的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2、3所示。

表2 節(jié)理?xiàng)l件評(píng)分表

圖1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度評(píng)分曲線

(2)

R2=0.0008RQD2+0.085RQD+3

(3)

R3=-1.9507D2+11.328D+5

(4)

圖2 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD評(píng)分曲線

圖3 節(jié)理間距D評(píng)分曲線

表3 地下水條件評(píng)分表

根據(jù)RMR評(píng)分總和，將巖體質(zhì)量分為五級(jí)，如表4所示。

表4 RMR巖體質(zhì)量分級(jí)

2 基于完整性指數(shù)的改進(jìn)RMR系統(tǒng)(RMRKv)

前已述及利用巖體完整性指數(shù)替代巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD及節(jié)理間距D的原由，本節(jié)將著重探討如何建立新的改進(jìn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。由于擬改進(jìn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)僅是用完整性指數(shù)替代RQD及節(jié)理間距，而其它評(píng)價(jià)指標(biāo)保持不變，故新的系統(tǒng)可用下式表示：

RMRKv=R1+RKv+R4+R5

(5)

公式(5)中:RMRKv為改進(jìn)的RMR系統(tǒng)評(píng)分總和；RKv為巖體完整性指數(shù)的評(píng)分值；其他符號(hào)意義同前。根據(jù)RMRKv劃分巖體質(zhì)量等級(jí)同表4所示?？梢?jiàn)，新的改進(jìn)系統(tǒng)中關(guān)鍵是如何確定巖體完整性指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]改進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)與原系統(tǒng)保持一致，因此，RKv的最高評(píng)分應(yīng)為RQD及節(jié)理間距D最高評(píng)分的和，即RKv最高評(píng)分為40分。在此基礎(chǔ)上，考慮RQD、節(jié)理間距及巖體完整性指數(shù)之間的關(guān)系，從而確定RKv的取值標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 RQD與節(jié)理間距的相關(guān)關(guān)系

RQD自被Deere提出以來(lái)在巖石工程領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，但它也存在一定的缺陷，例如當(dāng)巖芯長(zhǎng)度小于10 cm或大于10 cm時(shí)，不能提供更詳細(xì)的有效信息，導(dǎo)致利用該指標(biāo)評(píng)估巖體的完整性時(shí)顯得較為粗糙。表5列出了RQD值與巖體完整性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表5 RQD與巖體完整性的關(guān)系

節(jié)理間距D是同組結(jié)構(gòu)面中相鄰兩條之間的垂直距離。通常用一定測(cè)線長(zhǎng)度內(nèi)的平均間距表示。數(shù)值上與節(jié)理密度互為倒數(shù)。利用節(jié)理間距表征巖體的完整程度如表6所示。

表6 節(jié)理間距與巖體完整性的關(guān)系

Priest等[17]通過(guò)大量的結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為結(jié)構(gòu)面間距多服從負(fù)指數(shù)分布，并推導(dǎo)出巖體RQD與結(jié)構(gòu)面線密度λ之間存在如下關(guān)系：

RQD=100e-0.1λ(1+0.1λ)

(6)

由公式(6)可估算出RQD與節(jié)理間距之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表7及圖4所示。

表7 節(jié)理間距與RQD的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 節(jié)理間距與RQD的關(guān)系曲線

2.2 RQD與完整性指數(shù)Kv的相關(guān)關(guān)系

工程實(shí)踐表明，巖體完整性指數(shù)Kv與體積節(jié)理數(shù)Jv之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[18]綜合眾多研究成果提出了兩者之間的相關(guān)關(guān)系如表8所示。

表8 巖體完整性指數(shù)與RQD的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)Palmstr?m(2005)[18]建立的RQD與體積節(jié)理數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(公式6)，可以得到巖體完整性指數(shù)與RQD之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表8所示。

RQD=110-2.5JV

(7)

2.3 完整性指數(shù)(Kv)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表7、圖4(或表8)及公式(3)、(4)，當(dāng)用Kv代替RQD和節(jié)理間距進(jìn)行RMR系統(tǒng)的評(píng)分時(shí)，結(jié)果如表9所示。

表9 替代RQD及節(jié)理間距D的Kv評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表9結(jié)果，并假定當(dāng)Kv=1時(shí)，評(píng)分值為40，當(dāng)Kv接近0時(shí)(如Kv=0.01)評(píng)分值取8，則得到Kv與評(píng)分值之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 Kv與評(píng)分值關(guān)系曲線

3 實(shí)例研究

瑪爾擋水電站壩址位于青海省瑪沁縣拉軍鎮(zhèn)上游約5 km的黃河干流上，左岸為果洛州瑪沁縣，右岸為海南州同德縣，西寧～果洛省道(S101)通過(guò)壩址右壩肩，距西寧市公路里程約363 km，對(duì)外交通便利。瑪爾擋大壩為面板堆石壩，最大壩高220 m，正常蓄水位3 275.00 m。壩址位于峽谷出口處，兩岸均為平臺(tái)，頂部高程 3330.00～3 345.00 m。河水位3 086.40～3 082.00 m，水面狹窄(寬40～70 m)，斜坡前緣基巖面出露高程3 310.00 m左右，基巖裸露良好，兩岸不甚對(duì)稱。壩址區(qū)地層巖性主要為三疊系中～上統(tǒng)(T2-3-Ss)變質(zhì)砂巖及中生代侵入斑狀二長(zhǎng)巖(πγ5)。其中變質(zhì)砂巖呈灰～灰綠色～灰黑色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，偶夾砂質(zhì)板巖，中厚～厚層狀，砂巖單層厚度一般>30 cm，板巖較薄(單層厚度一般<10 cm)。整體屬區(qū)域變質(zhì)巖(輕度)，靠近侵入接觸帶部位，變質(zhì)程度加深。其間穿插有侵入巖脈(二長(zhǎng)巖脈、細(xì)晶巖脈和石英脈)；二長(zhǎng)巖多由斑晶和基質(zhì)組成，斑晶由鉀長(zhǎng)石及少量斜長(zhǎng)石組成，基質(zhì)由斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黑云母和石英等組成，礦物組成較簡(jiǎn)單。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征表現(xiàn)為三疊系地層整體呈近E-W向陡傾單斜構(gòu)造(傾向S)，構(gòu)成反傾縱向谷坡；中生代侵入巖(二長(zhǎng)巖)與三疊系地層呈侵入接觸；基巖中斷裂構(gòu)造以中小型斷層、裂隙及長(zhǎng)大裂隙為主，其中尤以長(zhǎng)大裂隙為主。野外節(jié)理調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，變質(zhì)砂巖及二長(zhǎng)巖中均發(fā)育4組主要節(jié)理。

為評(píng)價(jià)壩址區(qū)巖體質(zhì)量，在兩岸幾十條勘探平硐中進(jìn)行了詳細(xì)的巖體質(zhì)量調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作，包括測(cè)線法節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)、RQD測(cè)量、結(jié)構(gòu)面條件調(diào)查、地下水條件調(diào)查、巖體卸荷與風(fēng)化程度調(diào)查等。取得了詳細(xì)的第一手資料。結(jié)合在各勘探平硐硐壁進(jìn)行的巖體縱波速度測(cè)試資料，為巖體質(zhì)量的RMR分級(jí)提供了資料支持。表10列出了勘探平硐PD4不同硐段的完整性指數(shù)、RMR分級(jí)系統(tǒng)中各分項(xiàng)的評(píng)分值以及BQ分級(jí)的評(píng)分值。除PD4外，本研究中還采用了其他18條勘探平硐的調(diào)查測(cè)試成果，如PD1、PD2、PD3等，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，不逐一列出。

表10 平硐PD4不同硐段巖體完整性指數(shù)及巖體質(zhì)量評(píng)分

根據(jù)上述19條勘探平硐數(shù)據(jù)，得到改進(jìn)后的RMR系統(tǒng)RMRKv與原RMR值之間的關(guān)系如圖6所示。

從圖6可知，RMR與RMRKv之間的分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表11所示。

圖6 RMR與RMRKv之間的關(guān)系

從表11可以看出，用改進(jìn)的RMRKv評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量時(shí)，當(dāng)巖體質(zhì)量較好時(shí)(Ⅰ～Ⅲ級(jí))，兩者評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致；當(dāng)巖體質(zhì)量較差時(shí)，用RMRKv進(jìn)行評(píng)價(jià)稍偏保守，大約和RMR相差半級(jí)。為比較RMRKv與BQ之間的差別，將兩者關(guān)系示于圖7。

表11 RMR與RMRKv的分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 BQ與RMRKv關(guān)系

同樣，BQ與RMRKv之間的分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表12。

表12 BQ與RMRKv的分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表中可知，用RMRKv進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)時(shí)，當(dāng)巖體質(zhì)量較好時(shí)，RMRKv稍顯保守;當(dāng)巖體質(zhì)量為一般～較差時(shí)(Ⅲ-Ⅳ級(jí))，RMRKv分級(jí)比BQ高半級(jí)。綜上可知，改進(jìn)的RMRKv系統(tǒng)對(duì)巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)介于RMR和BQ之間，是一種切實(shí)可行的分級(jí)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

(1)RMR系統(tǒng)中巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD和節(jié)理間距D都是用來(lái)反映巖體完整程度的指標(biāo)，兩者具有一定的重疊性和相關(guān)關(guān)系。

(2)在實(shí)際工程當(dāng)中，RQD和節(jié)理間距D有時(shí)并不易獲得，尤其是節(jié)理間距不但受測(cè)線方向的影響，同時(shí)也受測(cè)線長(zhǎng)度等多因素的干擾。

(3)采用巖體完整性指數(shù)這一指標(biāo)代替RMR系統(tǒng)中的RQD和節(jié)理間距D，并通過(guò)巖體完整性指數(shù)、RQD及節(jié)理間距之間的關(guān)系，提出了巖體完整性指數(shù)的評(píng)分方法，并在此基礎(chǔ)上建立了一種改進(jìn)的RMR分級(jí)方法，稱之為RMRKv方法，實(shí)例研究表明，RMRKv方法在評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量時(shí)比原RMR系統(tǒng)稍顯保守。

(4)當(dāng)巖體質(zhì)量為一般～較差時(shí)，該方法比BQ分級(jí)略高，表明該方法介于RMR與BQ之間，可用于工程實(shí)際當(dāng)中。

本文研究實(shí)例來(lái)源于單一工程，且?guī)r性為硬質(zhì)巖，在其他地質(zhì)條件下該分級(jí)體系的運(yùn)用尚需不斷在工程中印證。