巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）特征分析

虞金林

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)，江蘇 南京 211135）

0 引言

Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則是Hoek 和 Brown 在基于Griffith 強(qiáng)度理論以及對(duì)大量巖石三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)成果的分析，于1980 年提出。

廣義的Hoek-Brown 準(zhǔn)則還引進(jìn)了地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）和巖體擾動(dòng)系數(shù)（D）的概念，將巖體分級(jí)與物理指標(biāo)參數(shù)有效地結(jié)合起來(lái)。

1 GSI 值定量化方法

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)是E. Hoek 提出的一種圍巖分級(jí)系統(tǒng)，GSI 的取值直接與巖體力學(xué)參數(shù)相聯(lián)系，因此GSI 圍巖分級(jí)與Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則的聯(lián)合使用在工程實(shí)踐中更具有可操作性，能夠方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地反映巖體的實(shí)際情況。

通過(guò)充填程度Rf、風(fēng)化程度Rw與粗糙度Rr之和確定GSI 體系中結(jié)構(gòu)表面條件SCR， 可參見(jiàn)Sonmez[1]等的研究確定取值評(píng)分表，見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)（節(jié)理）表面條件（SCR）評(píng)分

可量化結(jié)構(gòu)表面特征， 將結(jié)構(gòu)表面條件SCR（0～18）分為 5 個(gè)等級(jí)。

GSI 體系中巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)SR 的計(jì)算公式如式（1~3）所示：

當(dāng)巖體為塊狀或完整結(jié)構(gòu)（I/M）時(shí)，有：

當(dāng)巖體為散體結(jié)構(gòu)（D）、碎裂結(jié)構(gòu)/擾動(dòng)/裂縫（B/D/S）、鑲嵌結(jié)構(gòu)（VB）、塊狀結(jié)構(gòu)（B）時(shí)，有：

當(dāng)巖體為層狀/剪切帶（L/Sh）時(shí)，有：

GSI 體系中根據(jù)粗糙度Rr、 風(fēng)化程度Rw與充填程度Rf之和確定了結(jié)構(gòu)表面條件SCR， 基于對(duì)巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行區(qū)間值量化需采用SCR、SR，則在巖體三維節(jié)理面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上得到巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)SR 和巖體體積節(jié)理數(shù)Jv。 相關(guān)GSI 定量化表格如圖1 所示。

圖1 改進(jìn)的GSI 定量化

Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則中巖體力學(xué)參數(shù)取值對(duì)GSI 的取值很敏感[2]，需要對(duì)GSI 的取值做到更加量化和精準(zhǔn)。 RMR 是國(guó)際常用的巖體分級(jí)方法，其數(shù)值與[BQ]等具有一定的關(guān)系，而Hoek 等通過(guò)將GSI與RMR 聯(lián)系起來(lái)， 使得GSI 的取值具有了普遍適用性。 RMR 估算 GSI 的具體表達(dá)如式（4）所示[3]：

RMR 的值可以用現(xiàn)場(chǎng)巖體特征根據(jù)RMR 分級(jí)方法進(jìn)行計(jì)算，也可以根據(jù)已知的[BQ]進(jìn)行換算。 大量的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析表明，[BQ]值與RMR值呈線性關(guān)系[4]，具體使用時(shí)可采用擬合的關(guān)系如式（5）所示：

2 實(shí)例分析

根據(jù)徐州市銅山區(qū)柳泉鎮(zhèn)楊山研究區(qū)邊坡坡向，邊坡類型大致分為五段，每段巖體中的結(jié)構(gòu)面選取相應(yīng)的層面及共軛節(jié)理面作為主控結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析。 巖體結(jié)構(gòu)面間距總體上為70~100 cm，巖層厚度以中厚層為主，且?guī)r體結(jié)構(gòu)面一般處于閉合狀態(tài)，無(wú)充填，結(jié)合較好。因此將巖體定性為塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體的完整程度應(yīng)為較完整狀態(tài)。

楊山五段邊坡巖體的GSI 值采用定性與定量相結(jié)合的方法。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，每段邊坡巖體均發(fā)育有結(jié)構(gòu)面，其中以節(jié)理面居多。 本研究利用SCR、SR 對(duì)巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行區(qū)間值量化，通過(guò)改進(jìn)的GSI 定量化表格確定GSI 值， 對(duì)比采用RMR值間接計(jì)算GSI 值， 結(jié)果見(jiàn)表2， 計(jì)算所得的GSI值基本均在通過(guò)GSI 定量化表格所確定的GSI 值區(qū)間范圍內(nèi)，這表明兩種方法分析結(jié)果是一致的。

利用對(duì)應(yīng)GSI 量化表用插值法確定GSI 主要依據(jù)野外巖體露頭的觀察和測(cè)量，然后對(duì)應(yīng)GSI 量化表用插值法取值，屬于直接法確定GSI。 這種方法雖簡(jiǎn)單快速、使用方便，但卻具有很大的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性， 且所得值具有一定的區(qū)間性， 不利于GSI 系統(tǒng)的普遍使用。 對(duì)比GSI 定量化表取值，采用RMR 值間接計(jì)算得到GSI 值指標(biāo)是確定的、唯一的，方便了巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)中參數(shù)的選取，對(duì)分析邊坡穩(wěn)定性以及后續(xù)開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

3 GSI 值修正方法

GSI 值的一種表現(xiàn)形式是利用RMR 值， 在邊坡開(kāi)挖中，要考慮地下水和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)其產(chǎn)生的影響基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行RMR 的取值。

巖體與節(jié)理面的蝕變作用和風(fēng)化作用及地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)弱化作用等，對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響存在不同的差異。

表2 GSI 值確定法對(duì)比

黃達(dá)[5-6]等提出了結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正評(píng)分表，該表針對(duì)RMR 體系中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其分類進(jìn)行評(píng)分，見(jiàn)表3，α 為邊坡走向與節(jié)理組走向的夾角；β 為節(jié)理組傾角。 非常有利時(shí)R1=0，非常不利時(shí)R1=15。

地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響按照地下水的影響沒(méi)有時(shí)R2=0，很大時(shí)R2=15，見(jiàn)表4。

表3 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正評(píng)分

表4 地下水影響修正評(píng)分

修正參數(shù)Jm是根據(jù)表3、4 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體進(jìn)行評(píng)分所求之和。 GSI 值的修正式如式（6）所示。

楊山五段邊坡巖體的GSI 值根據(jù)GSI 值修正方法進(jìn)行了修正，依據(jù)水文地質(zhì)條件所得地下水修正評(píng)分值R2與通過(guò)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算各巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正評(píng)分值R1相結(jié)合。 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 巖體的GSI 修正評(píng)分值

根據(jù)表5 可知，受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及地下水情況的影響， 修正后的GSI 值比正常的GSI 值減小了7%～22%不等。

4 巖體力學(xué)參數(shù)確定

Hoek-Brown 準(zhǔn)則下的巖體強(qiáng)度參數(shù)的取值除了對(duì)GSI 的確定， 還有對(duì)均質(zhì)巖塊指標(biāo)mi和擾動(dòng)系數(shù)D 的確定。 mi的取值與巖塊的種類和結(jié)構(gòu)面粗糙程度性質(zhì)有關(guān)，Rotlab 軟件中給出了mi的確定方法，表6 列出了部分相關(guān)巖體mi的取值范圍。

表6 常見(jiàn)巖塊的巖石指標(biāo)mi 的經(jīng)驗(yàn)取值

擾動(dòng)系數(shù)D 的取值與爆破以及應(yīng)力釋放的程度有關(guān)，重載爆破破壞和覆巖卸壓引起的應(yīng)力解除都會(huì)引起巖體的擾動(dòng)，不同坡度（平面內(nèi)）產(chǎn)生的側(cè)向約束對(duì)其擾動(dòng)程度也有影響。 擾動(dòng)系數(shù)D 的取值對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的確定具有很大的影響。

楊山邊坡巖體在開(kāi)挖中主要由生產(chǎn)爆破加機(jī)械開(kāi)挖的方式，局部區(qū)域爆破時(shí)所造成的破壞能延伸2~3 m，因此邊坡巖體擾動(dòng)系數(shù)建議取值為0.8。

通過(guò)將Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，使在 σt＜σ3＜σ′3max范圍內(nèi)， 兩個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則所對(duì)應(yīng)的曲線覆蓋面積相等，如圖2 所示，最后得到基于Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則的等效參數(shù)。

圖2 計(jì)算模型示意

Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則下巖體的物理力學(xué)參數(shù)都可以通過(guò)Hoek-Brown 準(zhǔn)則來(lái)轉(zhuǎn)換，RocLab 軟件提供了一個(gè)方便的計(jì)算途徑， 不僅可以將Hoek-Brown 準(zhǔn)則下的參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為常用的Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則下的巖體力學(xué)參數(shù)，而且可以瞬時(shí)在σ3-σ1坐標(biāo)系中繪出兩種強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體破壞包絡(luò)線。 根據(jù)相關(guān)Hoek-Brown 準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，利用RocLab 軟件可以計(jì)算出楊山邊坡各地層分層Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則下的巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。 為了方便GSI 法與BQ 工程巖體分級(jí)法的對(duì)比，現(xiàn)將兩種方法所確定的結(jié)果歸納于表7。

表7 研究區(qū)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)值

根據(jù)GSI 法計(jì)算結(jié)果， 各分層巖體基本力學(xué)參數(shù)指標(biāo)c＇ 值基本都處于BQ 工程巖體分級(jí)法所給出的取值區(qū)間內(nèi)，但φ 值均處于BQ 工程巖體分級(jí)法所給的取值區(qū)間之外。 這主要是該區(qū)域巖體裂隙較發(fā)育，且裂隙內(nèi)多為砂泥質(zhì)充填，導(dǎo)致巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 值偏低， 使得巖體力學(xué)指標(biāo)值與BQ 工程巖體分級(jí)法的區(qū)間值有所不同。整體上看，GSI 法確定的巖體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)很好地反映了該邊坡巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。相比于BQ 工程巖體分級(jí)法所給的取值區(qū)間，GSI 法計(jì)算得到的指標(biāo)值是確定的、唯一的，可以較為便利地選取同一巖性的巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)加以計(jì)算， 方便了巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)中參數(shù)的選取， 對(duì)分析邊坡穩(wěn)定性以及后續(xù)開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。