疏浚巖石分級方法的優化

張乾，秦亮

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300450）

0 引言

規范中所指的巖石通常是指巖漿巖、變質巖、沉積巖和由母巖膠結在一起組成的團粒[1]。巖石質地較堅硬且物理性質還與產狀、破碎程度等因素相關，因此巖石疏浚是一般海上疏浚和河道工程中難度最大最昂貴的一部分。

由于巖石較為復雜的特性，且國內對巖石疏浚基礎數據的積累較少，不同的巖石輸挖性能認識上存在很多的不足。因此，從現有的經驗來看，目前還沒有單一的測定方法來正確評價特定巖石可挖掘的難易程度[2]。國內通常依據巖土的級別來評價巖土的輸挖特性，因此探索疏浚巖石的分級方法具有很高的理論價值和實用價值。

1 國內外巖石分級現狀

1.1 國內現狀

國內現行的JTJ 319—99《疏浚工程技術規范》根據巖石的標準貫入擊數、單軸抗壓強度將強度小于30 MPa的巖石分為2級，如表1。

正在修訂的《疏浚工程技術規范》在表1的基礎上，根據重力觸探擊數和單軸抗壓強度將強度小于30 MPa的巖石分為3級，見表2。

表1 巖石分級表

表2 修訂中的疏浚工程技術規范巖石分級表

1.2 國外現狀

國外對巖石可挖掘特性的判斷也是較為謹慎的，沒有單一指標來評價巖石的可挖性。以英國的疏浚標準BS 6349-5《英國疏浚工程規范》為例，規范沒有對巖石進行分級，而是根據巖石類別將巖石分為不需預處理和需要預處理兩種情況分界對待。對經過預處理的巖石按照碎石土的疏浚方式處理，對不需經過預處理的巖石根據不同的挖掘方式劃分其難易程度。

2 巖石分級新方法

2.1 指標的選擇

由前述可以看出，目前國內對巖石級別劃分的主要依據是巖石挖掘過程最易得到的抗壓強度這一指標，具有簡便易操作的優勢。但是根據挖泥船施工特性可知，疏浚施工時，巖石同時受到剪切和壓裂的作用[3]，施工難易與巖石的破碎程度也有直接的關系。因此，如果根據單一的指標來確定巖石級別，誤差大，使用率低。

針對這種情況，提出根據修正的單軸抗壓強度Rb′和抗剪強度τ兩個指標劃分巖石級別的思路。

式中：Rb為單軸抗壓強度；KV為完整性指數。

式中：c為黏聚力；σ為有效正應力；φ為內摩擦角。

其中修正的單軸抗壓強度 Rb′的計算方法與 GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中計算圍巖強度應力比方法類似。

式（1）中用于修正巖石抗壓強度的參數是完整性指數，其計算公式為：

式中：vpm為巖體壓縮波波速；vrm為巖塊壓縮波波速。

工程中在無特殊要求時，這一參數少有取得。而另一與完整性有關的參數巖石質量指標RQD則較常見。因此，為了便于進行分級，也為了便于推廣本文的分級新方法，有必要建立起KV與RQD關系方程。

以某水電工程壩區巖體為例[4]，從對近50個試點的資料進行分析，對巖體變形試點部位實測的巖石質量指標RQD與巖體完整性系數KV作相關分析。得到RQD與KV的關系如下：

式中，相關系數0.81。

2.2 指標的界限

根據正在修訂的《疏浚工程技術規范》，先將Rb′的判定界限定為≤5 MPa，≤15 MPa，≤30 MPa三個分界。考慮到現在的大型挖泥船的功率越來越大，可以挖掘Rb為40 MPa以內的巖石，因此將Rb′的判定界限定為≤5 MPa，≤15 MPa，≤30 MPa，≤40 MPa四個分界。

τ的判定界限根據τ與Rb的經驗倍數關系得到。根據經驗數據，巖石抗剪強度與抗壓強度的比值關系K[5]如表3。

表3 不同巖類抗剪強度與抗壓強度比值表

用比值K與Rb′的4個判定界限相乘，得到巖漿巖和沉積巖的抗剪強度τ的分界線如表4。

表4 不同巖類抗剪強度分界線表MPa

2.3 分級方法

根據式（1）修正單軸抗壓強度Rb，將計算得到的修正的單軸飽和抗壓強度Rb′和抗剪強度τ代入表5查找相應的巖石等級。

表5 巖石分級表

3 級別的加權計算

根據以往的經驗，如果按照疏浚巖土分級表對巖土進行分級，各個判別指標得到的級別經常出現不屬于同一級的情況，增加了分級的不確定性和難度。因此，可以采用加權的方法[6]，量化巖石分級。

首先，分別給修正的抗壓強度和抗剪強度各50%的權重；然后，根據表5判斷兩個指標各自的級別a和b；最后，按照級別計算公式（5）四舍五入后得到該巖樣的級別。

4 結語

1）本文的巖石分級新思路，是在借鑒國內外的疏浚規范的基礎上，結合巖石的特性提出的。考慮了巖石挖掘過程的主要影響參數（抗壓強度、抗剪強度、完整性指數），使巖石分級更加合理，更加準確地反應巖石的挖掘難易程度。引用了他人對RQD與KV關系的研究成果，使該思路更加便于操作。另外，引入加權的理念，使分級量化，便于實際應用。該成果已在廣東某項目的實際應用中得到檢驗，較原分級方法更加接近實際，使級別這一參數對疏浚工程的指導性有較大的提高。

2）50%的權重系數是根據以往的工程經驗得到的，需要在今后的實際應用中針對不同地區、不同的土質參數進行微調。

[1]ZT比尼奧斯基.工程巖體分類[M].吳立新，譯.徐州：中國礦業大學出版社，1993.

[2]嚴沛漩.水利水電工程勘測設計專業綜述：工程地質[M].成都：電子科技大學出版社，1993.

[3]孫廣忠.巖體力學基礎[M].北京：科學出版社，1983.

[4]胡卸文，鐘沛林，任志剛.巖體塊度指數及其工程意義[J].水利學報，2002（3）：80-83.

[5]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[6]張乾，刁海島.疏浚土工程級別的加權法判定與分析[C]//第十九屆世界疏浚大會論文集，2010.