鉆探巖芯分級Hoek-Brown準則GSI在邊坡工程中的應用

高和斌

(中國鐵道科學研究院，北京100081)

鉆探巖芯分級Hoek-Brown準則GSI在邊坡工程中的應用

高和斌

(中國鐵道科學研究院，北京100081)

在廣義Hoek-Brown強度準則中，地質(zhì)強度指標(GSI)是一個重要的參數(shù)，其主要是根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征，查表取得。在工程應用時，該參數(shù)缺乏定量化依據(jù)，其取值主觀性較強，誤差較大。本文基于高速公路邊坡工程鉆探巖芯的定量化指標對邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型進行了分級，并提出邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型的線性定量化指標——巖體結(jié)構(gòu)率，通過建立邊坡鉆探巖芯與巖體結(jié)構(gòu)率之間的關(guān)系，即可通過查表獲取GSI的值。該量化方法可以直接利用工程鉆探的巖芯數(shù)據(jù)通過廣義Hoek-Brown強度準則計算出邊坡工程的巖體強度參數(shù)，并可有效地對邊坡工程進行數(shù)值化分析。

Hoek-Brown強度準則;巖體結(jié)構(gòu)類型;地質(zhì)強度指標;巖芯量化分級;邊坡工程穩(wěn)定性分析

在巖質(zhì)邊坡工程穩(wěn)定性分析中，巖體強度參數(shù)是數(shù)值分析的依據(jù)和關(guān)鍵。影響巖體強度的因素很多，廣義Hoek-Brown強度準則正是從研究巖體結(jié)構(gòu)特點等因素出發(fā)［1-3］，通過總結(jié)大量的工程實踐和相關(guān)試驗成果，以經(jīng)驗公式的形式建立巖體強度準則及其強度參數(shù)評估與確定方法，對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析與計算具有重要的理論意義和實用價值。

廣義Hoek-Brown強度準則的主要控制性參數(shù)為地質(zhì)強度指標(Geological Strength Index，GSI)、巖體抗壓強度指標σci、巖體材料常數(shù)mi。地質(zhì)強度指標的確定，主要依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)面情況，對比Hoek提供的評值表格確定。從其評值情況看，確定GSI時人為性較強，缺乏定量計算標準，增加了巖體強度評估的誤差。為此Sonmez等［4-5］、韓鳳山［6］針對巖體質(zhì)量評價主觀性較強的缺點，提出了GSI的修正方法，由單位體積的巖體節(jié)理數(shù)Jv(節(jié)理數(shù)/m3)來判斷對應的GSI。

對于邊坡工程，在巖體勘察階段，很難確定單位體積內(nèi)節(jié)理條數(shù)，且坡體開挖后揭露為平面空間，對于立體空間內(nèi)節(jié)理數(shù)的確定，仍需要謹慎處理。目前，鉆探是我國高速公路路塹邊坡工程勘察的主要手段。本文基于對鉆探巖芯的定量化分析，建立了適用于路塹邊坡的GSI定量化表格以滿足公路工程的建設需要。

1 廣義Hoek-Brown強度準則理論

Hoek分析了地下工程的開挖過程，在總結(jié)和修正的Griffith理論基礎上，提出巖石經(jīng)驗破壞準則，即Hoek-Brown強度準則?？紤]巖體質(zhì)量評價系統(tǒng)的局限性，重新提出了GSI的評價方法，并在2002年提出廣義強度準則公式［7］。

2 GSI的定量化研究

2.1 巖體塊度指數(shù)

巖石質(zhì)量指標(Rock Quality Designation，RQD)是用來表示巖體良好度的一種方法。在此基礎上，胡卸文等［8］借鑒劉克遠等提出的巖體塊度系數(shù)概念，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—99)［9］中對巖體結(jié)構(gòu)的分類標準，提出了巖體塊度指數(shù)(Rockmass Block Index，RBI)的定義，即在平硐或鉆孔中將實測巖芯長度按3～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～100 cm和＞100 cm的巖芯獲得率作為權(quán)值，與各相應系數(shù)乘積的累計值，即

式中:Cr3，Cr10，Cr30，Cr50，Cr100分別為巖芯長度3～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～100 cm和＞100 cm的巖芯獲得率，以百分數(shù)表示，視為權(quán)值;3，10，30，50，100為常數(shù)。

巖體塊度指數(shù)RBI可以作為巖體塊度大小及其結(jié)構(gòu)類型的綜合指標，能反映組成巖體的塊度(尺寸)大小及其相互組合關(guān)系，RBI能很好地作為RQD的改進和補充，見表1。

表1 巖石結(jié)構(gòu)類型及其巖體塊度指數(shù)RBI

2.2 巖體結(jié)構(gòu)率

根據(jù)巖體塊度指數(shù)(RBI)分類，將巖體分為散體結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、冰塊狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和整體狀結(jié)構(gòu)。其各結(jié)構(gòu)類型的分類方法與Hoek關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)分類相同(Hoek分為層狀結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu))。據(jù)此，將二者建立聯(lián)系，以Hoek分類為準，即在RBI分類中將冰塊狀結(jié)構(gòu)與塊狀結(jié)構(gòu)合并為塊狀結(jié)構(gòu)(由于層狀結(jié)構(gòu)其分類與RBI分類不同，故在確定GSI時單獨考慮)。

采用RBI評價指標定量化確定其巖體類型見表2。

表2 RBI取值

在GSI取值表中，為便于評價結(jié)構(gòu)類型，本文定義巖體結(jié)構(gòu)率(Rock-mass Structure Rating，RSR)，其取值范圍為0～100，線性分布。即散體結(jié)構(gòu)下限為0，整體狀結(jié)構(gòu)為100，均分其值。結(jié)合Sonmez等人的研究成果，均分5類巖體結(jié)構(gòu)的RSR取值見表3。

表3 RSR取值

RSR由RBI計算得到，統(tǒng)計分析表2與表3的函數(shù)關(guān)系為

該函數(shù)的一致性指標為0.992。

統(tǒng)計關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 RBI-RSR統(tǒng)計關(guān)系曲線

2.3 結(jié)構(gòu)面條件率

采用Hoek-Brown強度準則，GSI取值由2種條件確定，即巖體結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)面條件。對結(jié)構(gòu)面條件，本文借鑒Sonmez等［4］1999年研究成果，定義結(jié)構(gòu)面條件率(Surface Condition Rating，SCR)，由下面參數(shù)確定

式中:Rr，Rw，Rf分別指結(jié)構(gòu)面的粗糙率、地下水影響率和裂隙填充率。取值采用評分標準，如表4所示。

表4 SCR取值

2.4 地質(zhì)強度指標(GSI)定量化

綜合RSR與SCR評價，定量化計算GSI，取值參考圖2。對比Hoek-Brown強度準則參數(shù)GSI評價表格，不考慮層狀巖體參數(shù)評價。

圖2節(jié)理巖體地質(zhì)強度指標定量化GSI取值

圖2 為量化后GSI取值表格，橫軸為結(jié)構(gòu)面條件率SCR，取值為0～18?？v軸為巖體結(jié)構(gòu)面率RSR，取值為0～100。

3 工程應用研究

3.1 工程概況

以福建省泉三高速公路YK201+830—YK201+ 980右側(cè)路塹高邊坡為典型工程實例，利用Hoek-Brown強度準則，對該巖質(zhì)路塹邊坡各階段所處的穩(wěn)定狀態(tài)進行評價［10-12］。

該邊坡地形屬低山丘陵地貌類型，邊坡走向與原自然斜坡走向基本垂直(邊坡線路走向339°)。山上植被發(fā)育，自然斜坡體穩(wěn)定。邊坡地層為上覆坡殘積黏性土:主體為二迭系翠屏山組強風化粉砂巖，組織結(jié)構(gòu)基本破壞，原生礦物均已風化呈砂土狀，雨水易軟化、崩解。碎塊狀強風化層:節(jié)理裂隙發(fā)育，層理不清，錘擊易碎，礦物成分風化明顯。下伏為弱風化粉砂巖:巖質(zhì)較新鮮，中厚層狀，裂隙較發(fā)育。

3.2 巖芯定量化分析

坡體穩(wěn)定性評價選擇坡體中部K201+950斷面上2個鉆孔對RBI進行確定。選取2個鉆孔分別位于坡頂(CK1)及坡體中部(CK2)。根據(jù)鉆孔揭露情況，利用RBI確定巖體強度指標GSI。

圖3為CK1鉆孔巖芯樣本，孔深32 m，根據(jù)鉆孔巖芯顯示:0～1.2 m段為坡殘積黏性土，巖芯松散破碎，手捏即碎;1.2～10 m段為砂土狀強風化粉砂巖，巖性部分呈柱狀，敲擊易碎，夾碎石，巖芯中間含泥質(zhì)夾層;10～32 m段為碎塊狀強風化粉砂巖，碎塊狀，中部巖芯呈紅褐色，下部呈灰白色，地質(zhì)錘敲擊巖芯碎裂。

圖3 CK1鉆孔巖芯樣本

依據(jù)RBI要求對CK1巖芯進行量測，由于坡體巖性破碎，且無＞30 cm的巖芯，將其分為＜3 cm，3～10 cm，10～30 cm 3個層次進行統(tǒng)計。數(shù)據(jù)詳見表5。

表5 CK1鉆孔巖芯評價RBI及RSR

圖4為CK2鉆孔巖芯樣本，孔深24 m，鉆孔位于坡體中部。根據(jù)鉆孔巖芯顯示:0～4.1 m段為砂土狀強風化粉砂巖，巖體呈黃色，巖芯破碎，含少量柱狀巖芯，手捏即碎;4.1～13 m段為碎塊狀強風化粉砂巖，呈灰白色，巖芯破碎，含少量柱狀巖性，敲擊碎裂;13～24 m段為弱風化粉砂巖，呈黑色，巖性呈柱狀，地質(zhì)錘敲擊可碎裂。

圖4 CK2鉆孔巖芯樣本

依據(jù)RBI確定標準對CK2巖芯進行量測，詳細數(shù)據(jù)見表6。

表6 CK2鉆孔巖芯評價RBI及RSR值

3.3 巖體參數(shù)選擇及穩(wěn)定性評價

綜合鉆孔CK1，CK2計算出的2組數(shù)據(jù)，取其平均值進行坡體穩(wěn)定性分析。砂土狀強風化粉砂巖RSR為14，碎塊狀強風化粉砂巖RSR為23.5;依據(jù)巖芯揭露結(jié)構(gòu)面情況，綜合鉆孔CK1和CK2結(jié)構(gòu)面狀態(tài)，砂土狀強風化粉砂巖風化嚴重為軟巖，裂隙＞5 mm，結(jié)構(gòu)面光滑，巖芯中等潮濕，故SCR約為3，查圖2對應GSI為17;碎塊狀強風化粉砂巖巖體風化為軟巖，裂隙＜5 mm，結(jié)構(gòu)面較粗超，巖芯交潮濕，SCR約為5，查圖2對應GSI為25。

根據(jù)巖芯及巖體試驗，砂土狀粉砂巖參數(shù)σci取為5 MPa，由于粉砂巖巖體風化嚴重，mi取為6，邊坡巖體質(zhì)量較差，坡體開挖擾動系數(shù)D取0.3;碎塊狀強風化粉砂巖試樣參數(shù)σci取為10 MPa，風化相對較好，mi取為7，巖體擾動系數(shù)D取0.5;弱風化粉砂巖參數(shù)σci取為25 MPa，弱風化粉砂巖mi取為9，開挖層未至該層，其擾動由回彈松弛影響，D取0.5。

結(jié)合該評價結(jié)果確定邊坡巖土體物理力學參數(shù)，并利用Phase2［9］模擬開挖過程并分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。計算中根據(jù)坡體實際平臺數(shù)，每一級坡面為一步計算過程，共分5步(第1步計算自然邊坡應力狀態(tài))，計算穩(wěn)定系數(shù)為1.37，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，可判定邊坡當前處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)目前公路邊坡工程的工程地質(zhì)勘查主要以鉆探為主要手段，利用巖芯分級的定量化分析能有效利用Hoek-Brown強度準則，為其在公路工程建設中提供了有效的方法。

2)利用Hoek-Brown強度評價巖體強度，其適用于節(jié)理較為發(fā)育的相對均質(zhì)體巖體強度的評價，對巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性評價能滿足工程要求。

3)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)評價指標，反算巖體強度參數(shù)與工程實際較為符合，現(xiàn)場評價指標能滿足工程分析要求。

4)對巖石路塹邊坡的穩(wěn)定性評價，其破壞失穩(wěn)往往由結(jié)構(gòu)面等因素控制，采用常規(guī)計算手段缺乏合理考慮。Hoek-Browm評價巖體強度參數(shù)考慮巖體結(jié)構(gòu)面的因素分析，通過參數(shù)評價處理結(jié)構(gòu)面效應等問題，能滿足邊坡穩(wěn)定狀態(tài)分析。

5)本文GSI的分級不能滿足層狀巖體的工程地質(zhì)條件，對于該類地層，可通過層狀巖體的巖土參數(shù)，通過主控結(jié)構(gòu)面的巖體強度對其進行穩(wěn)定性分析。

6)主控結(jié)構(gòu)面(或滑坡、已變形破壞的工程邊坡)對路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，可以利用節(jié)理單元或建立實體單元對順傾向節(jié)理、層理或軟弱夾層產(chǎn)生的不利影響進行模擬，能夠得到較好的評價結(jié)果。

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GSI(Geological Strength Index)Based on Hoek-Brown Criterion for Classification of Drilling Rock Core Applied to Rock Slope Engineering

GAO Hebin
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In GeneralizedHoek-Brownstrengthcriterion，geological strengthindex(GSI)is animportant parameter，which is generally obtained via tables based on the rock mass structural characteristics of the ground．Due to lack of quantitative analysis of GSI in engineering application，the error is significant when the parameter is assessed with strong subjective judgment．T he rock mass structure types of slope were classified based on quantitative index of drilling rock core of highway slope engineering．T he linear quantitative index rock mass structure rating of slope rock mass structure was proposed by establishing the relationship between drilling rock core and rock mass structure rating，GSI value could be derived directly from tables．Based on the quantitative method，drilling core data could be utilized directly to calculate rock mass strength parameter by applying generalized Hoke-Brown strength criterion，which could be used in the subsequent numerical analysis of slope engineering．

Hoek-Brownstrengthcriterion;Rockmassstructuretype;Geologicalstrengthindex;Core quantification and classification;Slope stability analysis

TU457

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．20

1003-1995(2016)12-0072-05

(責任審編趙其文)

2016-05-27;

2016-09-16

高和斌(1977—)，男，高級工程師，博士研究生。