巖體風(fēng)化卸荷數(shù)值判別

李 雷，王貴軍，張 一，王冠霖

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450003

0 引言

風(fēng)化作用會導(dǎo)致巖石強度和巖體承載力降低、變形模量減小、透水性增強，使巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性變差，加速滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的形成和發(fā)展。巖體風(fēng)化程度不同，其破碎程度和物理力學(xué)性質(zhì)也不同[1]。為了確定巖體風(fēng)化對工程建筑的影響，必須查明風(fēng)化規(guī)律和特征，對巖體進(jìn)行風(fēng)化程度分級。

巖體卸荷是由于河谷侵蝕下切或人工開挖形成新的臨空面，使巖體因應(yīng)力釋放而向臨空面方向發(fā)生回彈、松弛的現(xiàn)象。其工程地質(zhì)特征主要表現(xiàn)在卸荷裂隙的產(chǎn)生、巖體結(jié)構(gòu)的松弛，以及由此而產(chǎn)生的物理力學(xué)性質(zhì)的變化。巖體卸荷直接關(guān)系到壩肩穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定、建筑物地基變形和洞室圍巖穩(wěn)定等。岸坡卸荷是岸坡巖體變形破壞和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。卸荷帶的劃分是水利水電工程壩址選址、建基面選擇、邊坡和地面工程開挖設(shè)計的主要依據(jù)。

巖體發(fā)生風(fēng)化作用、卸荷作用給水利水電工程建設(shè)帶來了復(fù)雜的地質(zhì)問題；在深山峽谷、新構(gòu)造運動強烈、高地應(yīng)力等地質(zhì)環(huán)境中，這種問題更為突出。因此，判別巖體的風(fēng)化與卸荷及其等級劃分就顯得非常重要。

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Deere[3]用巖石質(zhì)量指標(biāo)(rock quality designation, RQD)、巖石滲透性對巖漿巖和變質(zhì)巖風(fēng)化進(jìn)行分帶；Deere[4]、Merritt[5]用RQD、地震波速對花崗巖體風(fēng)化進(jìn)行分級。聶德新等[6]結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)巖體風(fēng)化劃分中的RQD量值和現(xiàn)場研究獲得的不同風(fēng)化帶巖體裂隙間距的指標(biāo)界線，以及裂隙間距、巖體完整性系數(shù)與巖體結(jié)構(gòu)類型的關(guān)系，提出了用于巖體風(fēng)化程度并內(nèi)含巖體結(jié)構(gòu)的綜合分帶指標(biāo)，并對主要代表性指標(biāo)間的關(guān)系作了系統(tǒng)分析和歸納總結(jié)。

國內(nèi)外對巖體卸荷帶的形成機制[7-8]、定量劃分[9]以及卸荷巖體的工程特征[10]、破壞特征[11]做了大量的研究。如衛(wèi)宏等[12]運用卸荷巖體的氡異常確定卸荷界線，并為工程實際所采用；任光明等[13]綜合考慮國內(nèi)外卸荷巖體大量實測資料及其特征指標(biāo)，并結(jié)合黃河拉西瓦工程實踐，以裂隙開度、裂隙條數(shù)、縱波速度、透水系數(shù)等指標(biāo)來探討巖體卸荷帶定量劃分問題。

目前，巖體風(fēng)化、卸荷的判別方法及風(fēng)化帶、卸荷帶的劃分方法存在以下缺陷：第一，判斷巖體發(fā)生風(fēng)化作用還是卸荷作用，主要是通過野外現(xiàn)場人為定性進(jìn)行，輔以裂隙張開寬度及波速比等簡單的定量指標(biāo)。定性判別會因勘察人員的經(jīng)驗及對評價標(biāo)準(zhǔn)掌握情況的差異得出不同的分帶量級，不可避免地存在評價的任意性。第二，在巖體風(fēng)化帶、卸荷帶的定量劃分方法中，對風(fēng)化帶、卸荷帶的界面關(guān)系研究較少，未見到定量確定界線的研究。

本文根據(jù)巖體風(fēng)化與卸荷的本質(zhì)，以巖體的完整性和巖石強度兩項參數(shù)為基本指標(biāo)，定量判別巖體風(fēng)化與卸荷，并定量劃分風(fēng)化帶、卸荷帶。

1 巖體風(fēng)化卸荷特征

1.1 風(fēng)化巖體特征

巖體風(fēng)化后，顏色會發(fā)生不同深度、不同程度的變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的破壞，礦物成分發(fā)生不同程度的變化，巖石強度降低，巖體完整性變差。根據(jù)巖體的主要地質(zhì)特征，將風(fēng)化帶分為五級，即全風(fēng)化、強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化和新鮮。

巖體全風(fēng)化帶主要地質(zhì)特征為全部變色，光澤消失；巖石的結(jié)構(gòu)完全破壞，已崩解或分解成松散的土狀或砂狀，有很大的體積變化，但未移動，仍殘留原始結(jié)構(gòu)痕跡；除石英顆粒外，其余礦物大部分風(fēng)化蝕變?yōu)榇紊V物；錘擊有松軟感，出現(xiàn)凹坑，礦物手可捏碎，用鍬可以挖動。巖體強風(fēng)化帶主要地質(zhì)特征為大部分變色，只有局部巖塊保持原有顏色；巖石的結(jié)構(gòu)大部分已破壞，小部分巖石已分解或崩解成土，大部分巖石呈不連續(xù)的骨架或心石，風(fēng)化裂隙發(fā)育，有時含大量次生夾泥；除石英外，長石、云母和鐵鎂礦物已風(fēng)化蝕變；錘擊啞聲，巖石大部分變酥，易碎，用鎬撬可以挖動，堅硬部分需爆破。巖體弱風(fēng)化帶分為上帶和下帶：上帶主要地質(zhì)特征為巖石表面或裂隙面大部分變色，斷口色澤較新鮮；巖石原始結(jié)構(gòu)清楚完整，但大多數(shù)裂隙已風(fēng)化，裂隙壁風(fēng)化劇烈，寬一般5～10 cm，大者可達(dá)數(shù)十厘米；沿裂隙鐵鎂礦物氧化銹蝕，長石變得渾濁、模糊不清；錘擊啞聲，用鎬難挖，需用爆破。下帶主要地質(zhì)特征為巖石表面或裂隙面大部分變色，斷口色澤新鮮；巖石原始結(jié)構(gòu)清楚完整，沿部分裂隙風(fēng)化，裂隙壁風(fēng)化較劇烈，寬一般1～3 cm；沿裂隙鐵鎂礦物氧化銹蝕，長石變得渾濁、模糊不清；錘擊發(fā)音較清脆，開挖需用爆破。微風(fēng)化帶主要地質(zhì)特征為巖石表面或裂隙面有輕微褪色；巖石結(jié)構(gòu)無變化，保持原始完整結(jié)構(gòu)；大部分裂隙閉合或為鈣質(zhì)薄膜充填，僅沿大裂隙有風(fēng)化蝕變現(xiàn)象，或有銹膜浸染；錘擊發(fā)音清脆，開挖需用爆破。新鮮帶主要地質(zhì)特征為保持新鮮色澤，僅大的裂隙面偶見褪色；裂隙面緊密，完整或焊接狀充填，僅個別裂隙面有銹膜浸染或輕微蝕變；錘擊發(fā)音清脆，開挖需用爆破。

巖體發(fā)生風(fēng)化作用，巖石強度降低，巖體完整性變差。一般情況下，越靠近地表的巖體風(fēng)化程度越深，向地下深部風(fēng)化程度逐漸減弱，直至過渡到未受風(fēng)化的新鮮巖體。

1.2 卸荷巖體特征

巖體發(fā)生卸荷作用，其工程地質(zhì)特征主要表現(xiàn)為卸荷裂隙的產(chǎn)生、巖體結(jié)構(gòu)的松弛，以及由此而產(chǎn)生的物理力學(xué)性質(zhì)變化。根據(jù)巖體發(fā)生正常卸荷的松弛情況，可分為強卸荷帶和弱卸荷帶。強卸荷帶的主要地質(zhì)特征為近巖體淺表部卸荷裂隙發(fā)育；裂隙密度較大、貫通性好，呈明顯張開，寬度在幾厘米至幾十厘米之間，充填巖屑、碎塊石、植物根須，并可見條帶狀、團塊狀次生夾泥，規(guī)模較大的卸荷裂隙內(nèi)部多呈架空狀，可見明顯的松動或變位錯落，裂隙面普遍銹染；雨季沿裂隙多有線狀流水或成串滴水；巖體整體松弛。弱卸荷帶的主要地質(zhì)特征為卸荷裂隙較為發(fā)育；裂隙張開，其寬度為幾毫米，并具有較好的連通性，裂隙內(nèi)可見巖屑、細(xì)脈狀或膜狀次生夾泥充填，裂隙面輕微銹染；雨季沿裂隙可見串珠狀滴水或較強滲水；巖體部分松弛。巖體發(fā)生卸荷作用，巖石強度未發(fā)生變化，巖體完整性變差。一般情況下，越靠近地表的巖體卸荷程度越深，向巖體深部卸荷程度逐漸減弱，直至過渡到未發(fā)生卸荷巖體。

2 巖體風(fēng)化與卸荷數(shù)值判別

聲波測試的是線，回彈儀測試的是點。根據(jù)巖體風(fēng)化與卸荷不同的本質(zhì)，以及巖體不同的風(fēng)化程度、卸荷程度，測試聲波在巖體中的傳播速度和巖石的回彈值，對這兩項指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值計算分析，進(jìn)而對巖體風(fēng)化與卸荷進(jìn)行數(shù)值判別，并進(jìn)一步定量劃分巖體風(fēng)化帶和卸荷帶。

2.1 巖體風(fēng)化與卸荷的判別

2.1.1 縱波速度與回彈值測試

根據(jù)野外工程地質(zhì)勘察環(huán)境，利用地質(zhì)勘察開挖的平硐，由硐口向硐底，即選擇巖體由表及里，亦即巖體風(fēng)化、卸荷由強變?nèi)醯姆较?，在探硐硐壁腰線上每2 m布置一個縱波速度測試點，每0.5 m布置一個回彈值測試區(qū)(圖1)。

圖1 探硐巖體聲波回彈測試布置圖Fig.1 Plan of P-wave and rebound test in adit rock body

按照布置的縱波速度測試點，用聲波儀依次測試縱波在巖體中的傳播時間，每兩測點之間測讀兩次，取其平均值計算聲波縱波速度：

(1)

式中：vP為聲波縱波速度；tP為聲波縱波傳播時間；l為發(fā)射點到接收點的距離。

按照布置的回彈值測試區(qū)，使用回彈儀依次對每個測試區(qū)測試巖石的回彈值。每個測試區(qū)內(nèi)布置16個回彈值測試點，對于其測得的16個回彈值，舍去3個最大值和3個最小值，然后計算余下回彈值的平均回彈值：

(2)

式中：N為測試區(qū)平均回彈值；Ni為測試區(qū)內(nèi)第i個測點的回彈值。

對于所測得的縱波速度和回彈值，分別按照各自數(shù)值之間的距離及其相關(guān)系數(shù)的親疏程度，將最相近的數(shù)值結(jié)合在一起，以逐次聚合的方式對縱波速度和回彈值進(jìn)行分級，并分別繪制硐深與縱波速度和回彈值的關(guān)系曲線圖。

在巖體縱波速度測試中，有時不可避免地會遇到斷層、節(jié)理密集帶或巖體破碎帶，波速會明顯降低。因此，不能將這種低波速區(qū)簡單地判斷為風(fēng)化帶或卸荷帶。若存在這種低波速區(qū)與兩側(cè)巖體波速存在顯著差異，需要根據(jù)縱波速度的變化趨勢，對這種異常數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊對待。

2.1.2 巖體風(fēng)化與卸荷判別

巖體發(fā)生風(fēng)化作用，巖性相同，風(fēng)化程度不同，則巖體聲波波速不同，巖石回彈值也不同。巖體發(fā)生卸荷作用，巖性相同，卸荷程度不同，巖體的聲波波速不同，但巖石回彈值相同。

對測得的巖體縱波速度和巖石回彈值進(jìn)行對比分析，則可以判斷巖體是風(fēng)化還是卸荷。如果在探硐中測出來巖體的縱波速度和回彈值均有等級差，曲線為明顯階梯狀，則巖體發(fā)生風(fēng)化作用。如果測出來巖體的縱波速度有等級差，其曲線為明顯階梯狀，而回彈值沒有等級差，其曲線不存在階梯狀，則巖體發(fā)生卸荷作用。

在遇到軟巖時，其回彈值較小，不能誤認(rèn)為是風(fēng)化巖。將其回彈值與大數(shù)據(jù)庫中不同巖性新鮮巖石回彈值進(jìn)行對比分析，檢驗兩者是否存在顯著性差異，據(jù)此判斷巖體是軟巖還是風(fēng)化巖。

在判斷出巖體為風(fēng)化還是卸荷后，進(jìn)一步劃分巖體風(fēng)化等級或卸荷等級。

2.2 巖體風(fēng)化帶與卸荷帶的劃分

分別對測得的一系列巖體的縱波速度和回彈值經(jīng)過聚類分析分組后，利用玻爾茲曼函數(shù)模型進(jìn)行數(shù)值擬合計算分析：

(3)

式中：A1為上一等級均值；A2為下一等級均值；dx為對x的微分；x0為界限值。分別求出回彈值和縱波速度各自每兩級之間函數(shù)模型中的各參數(shù)值。

利用巖石回彈值進(jìn)行風(fēng)化帶的劃分。對于風(fēng)化巖體，根據(jù)擬合回彈值的不同等級，參照擬合縱波速度的等級，從新鮮巖體開始，將巖體依次劃分為新鮮、微風(fēng)化、弱風(fēng)化(上帶、上帶)、強風(fēng)化、全風(fēng)化?；貜椫禂?shù)值計算中求得x0的值即為各風(fēng)化帶之間的界線位置。

利用巖體縱波速度進(jìn)行卸荷帶的劃分。對于卸荷巖體，根據(jù)擬合縱波速度的不同等級，將卸荷巖體劃分為未卸荷帶、弱卸荷帶和強卸荷帶?？v波速度數(shù)值計算求得的x0即為卸荷帶之間的界線位置。

3 應(yīng)用實例

某水電站工程，壩址區(qū)地層分布為下白堊統(tǒng)景星組下段K1j1-6、K1j1-7、K1j1-8。巖性主要為灰白色石英砂巖、青灰色鈣質(zhì)細(xì)砂巖和紫紅色泥鈣質(zhì)粉砂巖。石英砂巖巖體的縱波速度和回彈值列于表1。

3.1 巖體風(fēng)化與卸荷數(shù)值判別

經(jīng)過聚類分析，縱波速度和回彈值均分為4組。利用玻爾茲曼函數(shù)模型式(3)，對縱波速度和回彈值進(jìn)行數(shù)值擬合計算，擬合曲線見圖2、圖3。從圖2和圖3中可以明顯地看出，巖體縱波速度和巖石回彈值都存在等級差；說明巖體發(fā)生了風(fēng)化作用，而不是卸荷作用。

圖2 硐深與巖體縱波速度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between the depth of adit and the P-wave velocity of rock mass

3.2 巖體風(fēng)化帶劃分

對于發(fā)生風(fēng)化作用的巖體，根據(jù)圖2和圖3曲線可以看出巖體風(fēng)化分為4等。從硐內(nèi)向硐外方向，為新鮮—微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化。利用玻爾茲曼函數(shù)模型擬合計算縱波速度和回彈值的參數(shù)見表2、表3。

巖石的回彈值是每0.5 m布置一個測試區(qū)，巖體的聲波是每2 m布置一個測試點，二者比較，聲波測試跨度較大，回彈測試跨度??；以回彈值的x0劃分界線較為準(zhǔn)確。因此，根據(jù)表3，全風(fēng)化與強風(fēng)化界線在1.65 m處，強風(fēng)化與弱風(fēng)化界線在10.49 m處，弱風(fēng)化與微風(fēng)化(新鮮)的界線在30.06 m處。

表1 某水電站工程石砂巖巖體縱波速度與回彈值

圖3 硐深與巖石平均回彈值關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between the depth of adit and the average rebound value of rock

表2巖體縱波速度玻爾茲曼函數(shù)參數(shù)表

Table2TableofBoltzmannfunctionparameterforP-wavevelocityofrockmass

風(fēng)化程度A1A2x0dx全風(fēng)化與強風(fēng)化701.001 139.673.890.08強風(fēng)化與弱風(fēng)化1 120.002 823.4411.820.08弱風(fēng)化與微風(fēng)化(新鮮)2 808.204 464.4431.850.07

表3巖石回彈值玻爾茲曼函數(shù)參數(shù)表

Table3TableofBoltzmannfunctionparameterforreboundvalueofrock

風(fēng)化程度A1A2x0dx全風(fēng)化與強風(fēng)化7.7720.671.650.21強風(fēng)化與弱風(fēng)化20.5332.4110.490.01弱風(fēng)化與微風(fēng)化(新鮮)32.3346.8230.060.02

現(xiàn)場人為劃分的結(jié)果為，全風(fēng)化帶底線在1.5 m處，強風(fēng)化帶底線在10 m處，弱風(fēng)化帶底線在30 m處。計算結(jié)果與人為劃分結(jié)果基本一致。因此，本文提出的數(shù)值判別方法是可行的。

4 結(jié)論

1)利用聲波在巖體中的傳播速度及巖石的回彈值，定量判別巖體發(fā)生風(fēng)化作用還是卸荷作用，可以避免定性判別所帶來的人為差異性和隨意性。

2)利用玻爾茲曼數(shù)學(xué)模型，可以客觀有效地完成對風(fēng)化巖體的分帶和卸荷巖體的分帶，定量評價工程地質(zhì)問題。

3)利用巖體縱波速度和巖石的回彈值這兩項指標(biāo)，判別巖體風(fēng)化與卸荷及其發(fā)育程度劃分，影響因素少。

4)本文提出的巖體風(fēng)化卸荷數(shù)值判別方法對工作環(huán)境條件要求不高，操作簡易，可以在現(xiàn)場較快地獲得工程建筑地區(qū)巖體的定量資料。