基于格魯吉亞項目的橋梁基底RQD測定與分析

田淵， 張彪,2， 危文濤,2， 劉多文

(1.湖南路橋建設集團， 湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114；3.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410008)

格魯吉亞E60高速公路新建路段F2標位于格魯吉亞中部伊梅列季地區，其中橋梁35座，大部分采用擴大基礎墩柱，對地質的要求除承載力符合要求外，對其巖石完整性也有一定要求(巖體質量指標RQD≥50%)。相關研究表明巖體中結構面的發育情況與巖體波速存在一定相關性，可通過測得巖塊縱波速度與巖體縱波速度之間的比值關系來反映，其中巖塊縱波速度應根據實際情況予以修正。工程巖體質量評價方法中，大都將巖體完整性系數作為反映巖體質量的一個重要指標，但不同規范對確定巖體完整性系數的規定存在一定分歧。結合工程實際及國際環境，該項目偏向于對橋梁基底穩定性的反映，故依據Arild Palmstrom在國際工程地質學會第六屆會議中提出的巖體質量評定方法，通過測定巖體體積節理，運用巖體體積節理與RQD值之間的轉換關系快速評定巖體節理化程度，并得出相應的RQD值。

1 RQD測定方法及原理

1.1 傳統方法中RQD的定義及測定

RQD是指某巖組中≥10 cm的柱狀巖芯的累計長度與鉆探總長的比值。傳統RQD測定法雖廣泛應用于實際工程，但仍存在一定不足：1) 由于巖體各部位裂隙發育程度、充填特征、巖體風化程度及裂隙發育存在各向異性，常導致巖體工程性質的結果存在較大離散性；2) 僅將長度≥10 cm的巖芯籠統累計，將完整程度分為≥10 cm和≤10 cm兩級，而10 cm尺寸是否為區分巖體完整性最合理的界線并未得到充分論證。因此，僅采用RQD來反映巖體的完整程度時應考慮以上不足對評價結果帶來的影響。

1.2 節理數與RQD值之間的轉換公式

鑒于傳統RQD鉆芯測定方法的不足及成本問題，結合國際項目實際情況，依據式(1)所示RQD值與巖體體積節理數Jv的相關關系，不僅可考慮巖體的節理分布與走向，還能簡便地給出RQD評定值，同時為項目地質勘探節約一定成本。

RQD=115-3.3Jv

(1)

2 巖體體積節理數Jv

Jv為每立方米巖體體積內的結構面數目，按下式計算：

(2)

式中：n為統計區域內結構面組數，即節理組數；Si為每米長測線上第i組節理的條數(條/m)；SK為每立方米巖體非成組節理(隨即機理)條數(條/m3)。

2.1 Jv的數學統計方法及步驟

體積節理現場統計測量時，應根據現場節理發育及分布規律，選擇能較好地反映三維空間條件的露頭布置測線且盡可能穿過最多節理組，并遵循下列原則：1) 當各方向的節理能被一條測線穿過時，可只布置一條測線[見圖1(a)]。2) 當存在與布置測線方位平行的節理組時，需另外布置一條與前者交叉的測線[見圖1(b)]。前者為主測線，測量與之相交的所有節理；后者為副測線，只測量與主測線平行的節理。統計過程中應記錄各測線的方位、傾角、夾角及空間距離。

圖1 測線布置示意圖

2.2 節理面平面方程

采用右手坐標系建立X軸指北、Y軸指東、Z軸向下的坐標系。如圖2所示，假定以A點為起點的測線AB的方位角為φ、傾角為θ(向上為負，向下為正)；設第i條節理面Pi與測線相交于點K，令AK距離為Ri；以距A點L處的O點為單位立方體的中心點，O點在單一測線上時可任意選擇，在有主、副測線的情況下為二者交點位置。

圖2 單位體積立方體與測線及節理面的位置關系

參考文獻[9]，按以上假定，則測線AB的向量可表示為：

節理面與測線的交點坐標為：

xk=OKl0=(Ri-L)cosφcosθ

yk=(Ri-L)sinφcosθ

zk=(Ri-L)sinθ

同時設定該節理面的傾向為αi、傾角為βi(i=1,2,…，n)，則可用其法線方向向量表示：

節理面的方程(點向式)為：

(x-xk)cosαisinβi+(y-yk)sinαisinβi+

(z-zn)cosβ=0

2.3 確定節理面與單位立方體的棱的交點

圖2所示單位立方體有6個面分別對應方程x=±1/2,y=±1/2,z=±1/2，共有12條棱，棱長均為單位長(見圖3)。通過建立節理面與巖體立方體6個面的聯立方程，分別得出與不同棱的交點坐標，最后確定各節理面與單位巖體及測線之間的準確位置。

圖3 單位立方體6個面及各棱線

2.4 巖體體積節理數的確定

只有一條測線時，Jm為所求體積節理數Jv，Jv=Jm；當有主、副測線時，主測線Jm記為Jm1，副測線Jm記為Jm2，所求體積節理數為二者之和，即Jv=Jm1+Jm2。

如果運用基本理論來測定、計算、判定與統計巖體體積節理，結果雖然精確，但操作復雜，耗時費力。而且對于大多數工程建設項目，對巖體節理統計的精度要求并不需要達到這種程度。因此，在基本原理的基礎上，可采用直接測量法方便快捷地得出巖體體積節理。

2.5 體積節理數直接測量法

直接測量法是直接數出單位體積巖體中的節理數，該方法有以下3種情形為合理測量面：

(1) 有3個或以上近似正交的臨空面，其中至少有1個臨空面長度在2 m以上，以確保可基本呈現單位體積巖體中的大部分裂隙。

(2) 有2個正交的臨空面，且有足夠的測量范圍，確保臨空面可框住各種產狀的結構面。當結構面與臨空面斜交時，測量單位體積內的節理條數必須將統計范圍擴展到單位面積之外，測量范圍大小取決于待測節理組與測量面間的夾角(見圖4，其中EF為擴展測量范圍)。

圖4 具有2個正交臨空面時斜交節理的測量范圍確定示意圖

(3) 單臨空面，要求臨空面與巖體中各組結構面都相交，且夾角越大越好，確保臨空面上可呈現測量體內的所有裂隙。測量時，除計數單位面積內的所有節理外，對于每一組節理，其擴展測量范圍的確定見情況2和圖2。

3 現場節理統計與分析

3.1 現場節理統計

依據GB 50218-94《工程巖體分級標準》，巖體體積節理數Jv應針對不同工程地質巖組，選擇代表性的露頭或開挖壁面進行節理統計。除成組節理外，對延伸長度>1 m的分散節理亦應統計；已為硅質、鐵質、鈣質充填再膠結的節理不予統計，統計部位的測窗面積≥2×5 m2。

該項目地質情況如下：輝長巖(PzGa)，深層為灰色、黑灰色為主，地表附近為灰黃色、淺褐黃色，細粒結構，塊狀構造；深層成組發育3組節理，以構造型為主，節理面較光滑，微張，結合性較差，黏附薄層泥質，受節理切割，巖石完整性差，呈塊狀鑲嵌結構；淺表巖石由于卸荷及風化作用，裂隙很發育，以風化、卸荷裂隙為主，裂隙呈張開狀態，巖石破碎，巖體完整性很差，呈碎裂結構；從淺表到深部裂縫的過渡帶巖石中，裂隙有不同程度的張開松弛現象。測量現場位于格魯吉亞E60高速公路F2標BRI-211-AT-P6墩基底處，有2個近似正交的臨空面，節理組成為3組主要成組節理(J1、J2、J3)和隨機節理(Js)。現場測量點全貌及測量過程見圖5～8。測量巖體區域主要為3組節理(J1、J2、J3)，同時分布著些許隨機節理，統計數據見表1。

3.2 RQD計算及分析

根據表1，對現場實測的BRI-2113-AT-P6墩基底處巖體體積節理數Jv進行整理與分析，結果見表2。

圖5 現場測量空間示意圖

圖6 J1節理現場測量示意圖

圖7 J2節理現場測量示意圖

圖8 J3節理現場測量示意圖

表1 BRI-2113-AT-P6墩基底處巖體節理及測量坡面產狀

表2 BRI-2113-AT-P6墩基底處Jv測量結果

依據式(2)計算得出巖體體積節理數Jv，然后通過(1)計算得出RQD值。測量點淺表層巖體的RQD=115-3.3×(4.5+5+6.5+5)=45.7<50%，巖體完整性差，不符合設計要求；測量點深層巖體的RQD=115-3.3×(4.5+5+6.5+2)=55.6>50%，巖體完整性一般，符合設計要求。

通過節理及坡面產狀繪制赤平投影圖(見圖9)，并對各節理組成的空間情況進行基坑坡面穩定性分析。由圖9可知：J1與坡面走向垂直；J2近似順坡，對斜坡穩定最不利；J3近似反向坡，雖然對穩定影響較小，但與J2、J1互相切割形成向下的楔形體，分別相交于點A、B、C。由于點A與點B在坡面之外，J2與J3兩結構面的組合交線OC位于它們的傾向線之間，OC的傾斜方向即為滑移體的滑動方向，兩結構面都是滑動面，為該邊坡穩定的不利條件。因此，對邊坡進行進一步穩定分析計算時需重點考慮節理OC即L2-L3(見表3)對坡面的影響。

圖9 赤平投影計算圖(上半球投影)

表3 空間交線產狀

4 結論

(1) 基于體積節理的基本數學原理，采用現場直接測量法統計巖體體積節理數Jv，通過Jv與RQD之間的相關關系對RQD值進行轉化。相比于采用純數學方法統計計算，該方法操作簡單，方便快捷；相比于鉆芯統計法，該方法可降低工程勘探成本。該方法不僅可對橋梁基底進行RQD判定，也可進行基坑開挖后邊坡穩定性分析，對工程施工具有一定指導意義。

(2) 考慮到測定的RQD離散性較大等不足，需結合現場實際，對所測定的RQD值進行修正或結合其他巖體質量評價方法彌補RQD巖體質量評價的不足。該文采用的RQD測定方法雖然綜合考慮了節理分布的影響，但受統計人員工程經驗的影響較大，同樣存在離散性較大的問題，有待改善。