自貢地區(qū)運用量化指標(biāo)劃分風(fēng)化帶問題的探討

郭新元， 羅 杰, 葉 勇, 孫 鑾

(成都華陽建筑股份有限公司，四川成都 610213)

在工程建設(shè)過程中，巖體風(fēng)化問題的研究是巖土專業(yè)工作者多年來一直進行探討的工程地質(zhì)問題之一。巖體的風(fēng)化是一個漸近、連續(xù)的變化過程，即從表部的全、強風(fēng)化至深部的弱風(fēng)化、微風(fēng)化、新鮮巖體。巖體風(fēng)化表現(xiàn)為巖石的松弛、裂隙的增多，巖體風(fēng)化程度的變化可以表征巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化、巖體中裂隙發(fā)育程度的變化(淺表生裂隙造成)、巖體結(jié)構(gòu)的變化、巖體力學(xué)參數(shù)的變化，因此，對巖體進行風(fēng)化分帶具有重要的理論和工程意義。

本文根據(jù)目前國內(nèi)外巖體風(fēng)化問題的研究成果和自貢地區(qū)實際工程資料，簡要分析了目前國內(nèi)外巖體風(fēng)化問題的研究現(xiàn)狀，基于自貢某在建工地實際勘查結(jié)果，探討應(yīng)用定量指標(biāo)劃分巖體風(fēng)化帶的問題，這為巖體風(fēng)化定量化評價提供了實際參考，具有顯著的實際應(yīng)用意義。

1 巖體風(fēng)化帶劃分研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外按風(fēng)化程度對風(fēng)化巖的分帶一般劃分為4～6個帶，一般依據(jù)行業(yè)標(biāo)準及建筑類型、規(guī)模的不同而不同。國際巖石力學(xué)協(xié)會實驗室和現(xiàn)場標(biāo)準委員會(ISRM，1979)和我國的GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》將風(fēng)化巖分為殘積土帶及全、強、中等、微、未風(fēng)化6個帶。

就巖體風(fēng)化帶劃分方法來看，早期以定性判斷為主，在20世紀60年代之前，主要以巖石的顏色、礦物的光澤、巖石結(jié)構(gòu)的變化及破碎情況、錘擊聲、開挖方法的難易程度、手捏強度等加以判斷。不難看出，定性劃分容易造成巖體風(fēng)化帶劃分的不確定性和人為性，很難反映巖體風(fēng)化的本質(zhì)，隨著工程規(guī)模變大，這種定性評價難以適應(yīng)大型建設(shè)項目的需要[1-4]。

20世紀60年代以來，隨著研究的深入，在巖體風(fēng)化分帶中，逐漸引入了一些定量指標(biāo)如縱波速度、波速比、風(fēng)化系數(shù)等來對巖體進行定性與定量相結(jié)合的分帶，如《工程地質(zhì)手冊》(第五版，2018)在原有的考慮巖石組織結(jié)構(gòu)、礦物成分變化程度、堅硬程度以及可控掘性或可鉆性等的基礎(chǔ)上，同時給出了波速比、風(fēng)化系數(shù)等定量指標(biāo)對巖體進行風(fēng)化分帶。

近些年來，基于風(fēng)化作用對表生巖體的改造作用，很多學(xué)者提出利用巖石變形強度指標(biāo)(變形模量、點荷載強度、單軸抗壓強度、回彈值等)、巖體結(jié)構(gòu)指標(biāo)(結(jié)構(gòu)面間距、體積節(jié)理數(shù))等對風(fēng)化帶劃分的方法[5-7]，這些對實際工程風(fēng)化帶劃分更具有實際參考意義。

2 風(fēng)化帶劃分量化指標(biāo)選取

巖體由巖石、結(jié)構(gòu)面及其賦存環(huán)境組成，與此相對應(yīng)，表征巖體風(fēng)化程度的指標(biāo)可大致分為三種。

(1)表征巖石風(fēng)化程度的指標(biāo)，風(fēng)化指數(shù)WI、空隙度n與巖石密度ρ等。

(2)表征結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度的指標(biāo)，風(fēng)化裂隙與卸荷裂隙的條數(shù)、跡長、寬度(或開度)、間距，結(jié)構(gòu)面充填膠結(jié)狀況以及夾泥成因等。

(3)既表征巖石風(fēng)化程度、又表征結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度及巖體賦存環(huán)境。如地應(yīng)力場、滲流場、溫度場的綜合指標(biāo)、彈性波的傳播速度(縱波Vp、橫波Vs)、巖體模量(動、靜彈模、變模)、巖體完整性系數(shù)Kv等。

經(jīng)驗表明，表征巖體風(fēng)化程度的各個指標(biāo)之間總是存在著一定的對應(yīng)關(guān)系或者相互關(guān)聯(lián)。因為對于同一地區(qū)同一巖性相同級別風(fēng)化程度的巖體而言，其物理力學(xué)性能及強度、變形性能總是相互接近或者趨于一致，也即表征巖體風(fēng)化程度的任何一個單一指標(biāo)應(yīng)當(dāng)處在某個有限的變化區(qū)間之內(nèi)，在風(fēng)化程度相近的條件下，經(jīng)過大量的統(tǒng)計工作，考察、對比、分析這些單個指標(biāo)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，就會發(fā)現(xiàn)它們彼此之間并非孤立存在，而是息息相關(guān)。

巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)與完整性系數(shù)(Kv)間的關(guān)系巖石質(zhì)量指標(biāo)與完整性系數(shù)間的關(guān)系，前人作了較多的研究。Dearman，A.H.Merritt等指出了不同風(fēng)化巖帶與RQD的對應(yīng)關(guān)系。聶德新等[8]根據(jù)大量的實測資料，進一步研究了玄武巖Kv和RQD的關(guān)系，獲得較好的相關(guān)性:

Kv=0.0036+0.0111×RQD-0.0001×

(RQD)2+0.000001×(RQD)3，r=0.9978

式中：Kv為巖體的完整性系數(shù)；RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)；r為相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)自貢地區(qū)巖石風(fēng)化特點及工程實際情況，選取巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、完整性系數(shù)(Kv)、縱波波速(Vp)作為代表性特征指標(biāo)。

之所以選擇縱波速Vp，原因有:

(1)國內(nèi)外多以波速比Kv或縱波速度Vp作為巖體不同風(fēng)化帶劃分的定量指標(biāo)。

(2)緊扣國家頒布的GB50021-2001(2009年版)《巖土工程勘察規(guī)范》，該規(guī)范關(guān)于巖體風(fēng)化一節(jié)中明確規(guī)定波速比為不同風(fēng)化帶的量化指標(biāo)。

(3)縱波速度Vp可綜合揭示巖體因風(fēng)化作用而引起的不完整、不均一、不連續(xù)性以及巖石本身的力學(xué)性質(zhì)變化。

(4)自貢地區(qū)某場地通過試驗獲取了大量詳實的彈性波速。

3 自貢地區(qū)巖體風(fēng)化帶劃分

通過詳細地質(zhì)勘察，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，將場地表土層下巖石層分為2-1砂質(zhì)泥巖、2-2砂質(zhì)泥巖、3-1砂巖三層，此三層巖石在研究場地內(nèi)廣泛分布。

3.1 用RQD指標(biāo)確定劃分巖體風(fēng)化帶

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD在一定程度上反映了巖體的完整程度，也是在實際工程中比較容易獲得的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)比較可靠的指標(biāo)之一，在實際中也應(yīng)用較多。通過對自貢地區(qū)的巖體參數(shù)的研究，結(jié)合前人研究成果[9-12]，獲得的巖體風(fēng)化程度與巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 巖體風(fēng)化程度與巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD對應(yīng)關(guān)系

3.2 用波速比Kv指標(biāo)劃分巖體風(fēng)化帶

波速比的劃分標(biāo)準按照規(guī)范GB50021-2001 (2009年版)《巖土工程勘察規(guī)范》附錄A.0.3要求確定，具體要求如表2所示。

3.3 巖體縱波波速(Vp)

自20世紀70年代以來，對巖體的風(fēng)化評價引入了較多巖石測試指標(biāo)。不少學(xué)者和部門從巖體的一些特征指標(biāo)來研究巖體的風(fēng)化分帶，如W.R.Dearman用RQD、地震波速對巖體進行風(fēng)化分級。這些都使巖體縱波波速(Vp)、波速比作為定量指標(biāo)劃分巖體風(fēng)化帶的研究大大向前邁進了一步[9]。巖體的縱波波速反映了巖體介質(zhì)的密度、巖體的破碎程度和緊密性。筆者對研究區(qū)域區(qū)的勘探鉆孔的聲波測井資料，按不同風(fēng)化程度進行分類整理，其結(jié)果如表3所示。

3.4 其他輔助判別參數(shù)

本場地在詳細地勘過程中，做了大量巖石力學(xué)試驗，得到巖體模量(動、靜彈模、變形模量)、單軸抗壓強度等試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)分層劃分將數(shù)據(jù)分類如表4[13]。

表2 巖體風(fēng)化程度與波速比Kv對應(yīng)關(guān)系

表3 研究場地波速測試結(jié)果

表4 巖體力學(xué)性能

4 綜合劃分結(jié)果

根據(jù)前文描述，依據(jù)GB50021-2001(2009年版)《巖土工程勘察規(guī)范》、前文的量化指標(biāo)、鉆孔情況及試驗數(shù)據(jù)，將場地內(nèi)主要三個巖層風(fēng)化程度確定如表5所示。

砂質(zhì)泥巖層在本場地中主要的巖土層之一。在前期地勘過程中，根據(jù)地勘鉆孔描述，場地內(nèi)砂質(zhì)泥巖宏觀上呈現(xiàn)自上而下風(fēng)化程度逐漸減弱的趨勢，并且局部地段各風(fēng)化帶還呈互層情況。

在實際基坑開挖過程中發(fā)現(xiàn)，各風(fēng)化帶的劃分只是相對的，各風(fēng)化帶之間風(fēng)化程度往往呈逐漸過渡，實際并無明確的分界線，上文風(fēng)化帶的劃分符合巖土層實際風(fēng)化情況，且在基坑?xùn)|部出現(xiàn)風(fēng)化帶互層情況，與上文劃分情況一致。風(fēng)化帶的準確劃分對于實際施工機械調(diào)動安排提供了準確信息，提前安排相應(yīng)施工工藝及機械，對于提高施工效率產(chǎn)生了積極影響。

5 結(jié)論

(1)本文從現(xiàn)場勘察及資料分析，結(jié)合本工程場地的特點，著重研究了其巖體的聲學(xué)特性(縱波波速、波速比)、巖體的質(zhì)量指標(biāo)RQD和巖石力學(xué)性質(zhì)。通過現(xiàn)場實際統(tǒng)計資料以及較深入的研究、分析，綜合確定了巖體風(fēng)化分帶界線的量化指標(biāo)，從而方便、準確地劃分了工程場區(qū)巖體的風(fēng)化程度，同時表征了巖體的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量優(yōu)劣等特征。

表5 研究區(qū)域風(fēng)化帶劃分結(jié)果

(2)選擇了RQD值、縱波波速、波速比3個指標(biāo)作為巖體風(fēng)化界限劃分的量化指標(biāo)。這三者沿鉆孔深度的變化具有很好的一致性，可以作為風(fēng)化分帶的量化指標(biāo)，且操作方便。通過此3個量化指標(biāo)對研究場地的風(fēng)化界限進行了劃分，結(jié)果與現(xiàn)場有經(jīng)驗的巖土工程師定性劃分基本一致，此3個指標(biāo)作為自貢地區(qū)風(fēng)化分帶的量化指標(biāo)具有實用價值。

(3)同時巖體模量(動、靜彈模、變形模量)、單軸抗壓強度試驗結(jié)果也驗證了此劃分的正確性，由于這些指標(biāo)有很好的相關(guān)性和對應(yīng)性，在現(xiàn)場可以用多個指標(biāo)對巖體風(fēng)化進行綜合分帶。若不能同時取得多個指標(biāo)，僅取得1～2項指標(biāo)，結(jié)合實際調(diào)查，也能較正確地劃分出巖體的風(fēng)化帶。

(4)風(fēng)化帶的定量劃分為實際施工提供了正確信息，有助于提高施工作業(yè)效率，經(jīng)濟效益也得到提高，對實際施工產(chǎn)生了積極影響。