岩体块度指数及其工程意义

岩体块度指数及其工程意义

胡卸文，钟沛林，任志刚

(1. 西南交通大学 土木工程学院；2.四川省地质环境监测总站；3.国家电力公司成都勘测设计

研究院)

摘 要：根据《水利水电工程地质勘察规范》中对岩体结构的分类标准，提出了岩体块度指数的概念，将实测岩芯长度按3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm和大于100cm等5级岩芯长度，获得率进行加权平均，综合表征岩体块度特征及结构类型。通过大量实测资料证明岩体块度指数在一定程度上能反映岩体的完整性与相应力学性质的变化特点。比岩石质量指标更能准确地反映岩体块度及其结构特征，其工程意义更为显著。 关键词：岩体结构；岩石质量指标；块度

基金项目：西南交通大学科学研究基金资助项目(1999XM15)

作者简介：胡卸文(1963-)，男，博士，西南交通大学教授，博士生导师，从事工程地质、环境地质及岩土工程的教学和研究。

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岩体结构是制约岩体力学特征、影响岩体质量的重要控制因素[1-4]，对以随机硬质构造节理控制的岩体(如玄武岩、花岗岩等)尤其如此。常规表征岩体结构特征最常用的指标当属岩石质量指标(RQD)[5]，该指标具有测试简便、直观明了的特点。目前工程建设尤其是水利水电系统使用极为普遍，且在各种规范中作为特征指标使用。但是随着人们对岩体结构认识的日益深入，对Deere提出的该指

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标是否能真正反映岩体结构特征表示了质疑。

从定义上不难看出，RQD只将完整岩芯分为大于10cm和小于10cm两段，显然这对于客观评价岩体完整性过于粗略。例如，同样是RQD＝90%的岩体，其块度可以是大于10cm的任意尺寸，如可以是10～20cm，也可以是大于60cm，甚至大于100cm，而这些状况下的RQD相同，但仔细比较可以发现，它们的完整性存在极大的差别。针对此状况，陈德基(1979)[6]提出块度模数的概念，用以表征不同尺寸块体组合及其出现的概率优势，具体表达式为 Mk=Ak×[(A1+2A2+3A3+4A4+5A5)/100]

(1)

式中：Mk为岩体块度模数；A1、A2、A3、A4和A5为由0.01～1.0m2各级块度所占百分数；Ak为裂隙性状系数，可根据裂隙充填及胶结程度确定。

块度模数先后在三峡等水电工程中得到应用，但它是基于地表露头或平硐硐壁量测各级块度出露的面积后，再按公式计算得出的。而对于仅有钻孔揭示的岩体就不适用，而且Ak的选取带有主观性，普遍适用性受到限制。同时，刘克远(1990)[7-9]在对二滩坝基岩体质量分类中也提出了岩体块度系数Jcm的概念，其计算式为

Jcm=10×Cr10+20×Cr20+60×Cr60

(2)

式中：Cr10、Cr20、Cr60分别为岩芯长度10～20cm、20～60cm和大于60cm的岩芯获得率，以百分数表示，视为权值；10、20、60为常数。

上述完整岩芯长度的分级是参考国际岩石力学学会推荐的节理间距分级标准而定的，但较为遗憾的是，该指标未能与现行国标所确定的岩体结构类型相互有机地联系起来。

1 岩体块度指数(RBI)的概念及其物理意义

借鉴刘克远等提出的岩体块度系数概念，根据国标《水利水电工程地质勘察

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规范》(GB50287-99)中对岩体结构分类标准，下面提出岩体块度指数(RBI)的定义，即在平硐或钻孔中将实测岩芯长度按3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm和大于100cm的岩芯获得率作为权值，与各自相应系数乘积的累计值，用公式表示为：

RBI=3×Cr3+10×Cr10+30×Cr30+50×Cr50+100×Cr100

(3)

式中：Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100分别为岩芯长度3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm、大于100cm的岩芯获得率，以百分数表示，视为权值；3、10、30、50、100为常数。

显然，岩体块度指数RBI是表征岩体块度大小及其结构类型的一个综合指标。它反映了组成岩体的块度(尺寸)大小及其相互结合关系。正如前言中所提，同样是ROD=90%的岩体，其块度可以是10～30cm以镶嵌结构为主的，也可以是30～50cm次块状结构为主的，还可以是50～100cm块状结构的，甚至全是大于100cm整体状结构的，而显然这些具有同等RQD值的岩体，RBI值是不相同的，从镶嵌结构至整体状结构，RBI由小到大，这表明RBI比RQD更能准确反映岩体结构特点。

通过上述表达式，可知RBI最大值为100，也即表示完整岩芯长度均大于100cm，是一种典型的整体状结构。因此在相同RQD下，RBI越大，则岩体完整性也越好。这表明RBI有其显著的物理意义，每一类岩体结构都具有界定的RBI范围值(表1)，从这个意义上讲，RBI是对RQD的改进和补充。

另外尚值得一提的是，野外在平硐或钻孔中对岩芯长度的统计，均是在风化卸荷或按岩体结构类型分段的基础上进行的。因此从分布概率上讲，以整体结构为主的岩体，其岩芯尺寸相应主要以大于100cm和部分50～100cm为主，而出现小于50cm岩芯的概率就很小，更不可能会出现小于10cm岩芯；同样以碎裂结构为主的岩体，显然出现大于30cm岩芯的概率就很小，而以小于10cm为主。所以表1中各岩体结构类型与相应的RBI，其对应关系是非常密切的。如果野外平硐或钻孔某一段岩芯获得率Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100分别均为20%，据式(3)，得RBI＝38.6，结合表1描述应为块状结构，似乎结构类型与岩芯尺寸相矛盾。但实际上，按前述原则，对平硐或钻孔在已进行岩体结构类型分段的情况下，各种尺寸的岩芯同时出现且均为20%，是完全不可能的。

表1 岩体结构类型及其相应的岩体块度指数RBI

岩体结构类型 整体状结构

(巨厚层状结岩体极完整，呈巨块状或巨厚块状，结构面不发育，间距>100cm

构)

块状结构 岩体完整，呈块状或厚层状，结构面轻度发育，一般发育1～2组，(厚层状结构) 间距一般100～50cm 冰块状结构 (中厚层状结

构)

岩体较完整，呈次块状或中厚层状，结构面中等发育，一般发育2～3组，间距一般50～30cm.

30～50 50～100

岩体结构特征

RBI

10～30

镶嵌结构 岩体较破碎或完整性差，岩块镶嵌紧密或呈互层状，结构面较发育(互层状结构) 或发育，一般发育3～4组，间距一般30～10cm.

岩体破碎，呈碎裂状或薄层状，结构面很发育，间距一般<10cm (薄层状结构)

散体结构 岩体极破碎，呈松散状，岩块、角砾夹岩屑或泥质物。 碎裂结构

3～10 1～3 <1

2 岩体块度指数(RBI)的工程意义

如上所述，作为综合表征岩体块度大小及其结构特征的指标，RBI必然有其广泛的工程实用意义，因此它在一定程度上能反映岩体的完整性与相应力学性质(如变形模量)等的变化特点。下面以某水电工程坝区岩体为例，对岩体变形试点部位实测的岩体块度指数RBI与其相应的岩石质量指标RQD、岩体完整性系数KV和岩体变形模量E0等作相关分析。

2.1 RBI与RQD的相关分析 尽管RQD只是反映尺寸＞10cm的岩体块度大小，而RBI则是各种岩块尺寸大小的综合表征值，但两者必然存在某种相关关系。从对近50个试点的资料进行分析，表明两者之间的相关式为 RBI=0.873e0.041RQD，r=0.961

另外从图1还可看出以下特点：总体上看，RBI与RQD之间具很好的相关性，但从两者所显示的呈指数变化关系，则又说明RBI与RQD的对应性上有一定差别，即当RQD＜90%时，RBI与RQD两者之间对应关系较好；但当RDQ＞90%时，这时RBI与RQD之间的对应关系就相对差了许多。例如同样是RQD=90～100%，但对应的RBI可以从30变化至85.这也表明，当岩体块度较大，即相应岩体结构类型为块状至整体(块)状时，RQD所表征的只是＞90%，但反映不出具体的块度尺寸(裂隙

(4)

图1 RBI-RQD关系曲线

间距大小)，而这时RBI就能很好地反映块度大小。这表明，在表征较好岩体结构类型(相当于次块状结构以上)时，RQD是存在很大不足的，因此用RBI表征岩体结构类型要比RQD优越和合理的多。

2.2 RBI与KV的相关分析 作为反映岩体完整性及紧密程度的表征指标，岩体完整性系数KV如同RQD，也与RBI存在某种相互关系。但应该提及的是，按现行规范，由于KV是通过实测岩体纵波波速VP与其相应新鲜岩块纵波波速VP0之比的平方获取的，而且岩体的VP是和岩性、岩体结构、赋存围压等众多因素密切相关的，为了尽可能消除岩性及赋存围压带来的影响，并考虑相近的地应力环境条件下，对相同岩性的试点部位，即近50个试点部位岩体的RBI与KV进行相关分析，可得如下关系式

KV=0.187RBI0.403，r=0.840

(5)

从图2可以看出，在RBI＜80范围内，KV与RBI两者呈幂指数正相关关系，KV随RBI的增加而增大，两者有较好的相关性，尽管相关系数较低，但它确实揭示了RBI与KV在相同地应力环境条件下，表征岩体完整程度的一致性。 2.3 RBI与E0的相关分析 作为岩体力学参数之一的变形模量E0，同样与岩体结构、风化状况以及赋存应力状态等因素有关，尤其是岩体结构，因此E0与RBI之间也会存在相关关系。与RBI～KV相关性分析相似，在考虑相近地质环境条件下，对E0和RBI作相关分析，图3显示出，E0与RBI呈线性正相关关系，即E0也随RBI的增加而增大，两者的相关式为

图2 KV-RBI关系曲线

图3 E0-RBI关系曲线

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E0=4.03+0.45RBI，r=0.868

上述相关式表明，RBI作为一个表征岩体结构(块度)特征的综合性指标，不仅能表示岩体块度大小，具有普通的适用性和可操作性，而且对定量分析岩体物理力学参数的变化特点，都具有明显的工程实用价值。

3 结论

(1)根据水电规范对岩体结构类型确定的裂隙间距，并通过数学表达式得出的岩体块度系数RBI不仅能如实反映岩体块度大小，而且比RQD更为合理和准确。(2)通过对某水电工程有代表性的现场岩体变形点试验资料，分别对RBI与RQD、KV和E0等作相关分析，表明上述指标间都存在较好的相关关系，这也显示出RBI有其普遍的适用性和较强的可操作性。(3)根据有足够代表性试验资料而建立的E0与RBI相关式，不仅为岩体变形参数提供了另一种取值思路，它从岩体结构的定量变化上反映其力学参数的变化规律，而且对今后施工过程中对开挖部位岩体快速获取变形模量具重要的借鉴和指导价值。 参 考 文 献：

[1] 孙广忠。岩体结构力学[M]。北京：科学出版社，1988，16-78. [2] 谷德振。岩体工程地质力学基础[M]。北京：科学出版社，1979，8-52. [3] 陶振宇。岩体力学的理论与实践[M]。北京：水利出版社，1981，46-99. [4] 孙广忠。岩体力学基础[M]。北京：科学出版社，1983，32-68.

[5] Z.T.比尼奥斯基著。工程岩体分类[M]。吴立新，等译。徐州：中国矿业大学出版社，1993，19-21.

[6] 严沛漩主编。水利水电工程勘测设计专业综述：工程地质[M]。成都：电子科技大学出版社，1993，74-78.

[7] 刘克远，等。水电工程筑坝技术：高坝坝基岩体稳定性评价及可利用岩体质量标准的研究[R]。国家电力公司成都勘测设计院，1990，58-59.

[8] 刘克远，等。二滩水电站岩体力学特性研究，水电站设计[J]。1989，5(1)：26-32. [9] 刘克远。二滩水电站枢纽区主要工程地质问题的研究[J]。工程地质学报，1999，7(1)：64-77. [10] GB50287-99，水利水电工程地质勘察规范[S]。

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