基于RQD與聲波的三維建模在特大橋拱座地基分析評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉先林，覃仕勇，于磊磊

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西大浦高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD和聲波測(cè)試是評(píng)價(jià)地基、邊坡、隧道等巖石質(zhì)量、風(fēng)化程度、巖體完整性及卸荷松弛帶范圍的重要檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)手段。在重大工程項(xiàng)目建設(shè)中，RQD和聲波測(cè)試數(shù)據(jù)成千上萬，在一定程度上反映了鉆孔深度范圍內(nèi)巖體的質(zhì)量和完整性[1]。

在傳統(tǒng)勘察成果中，RQD和聲波測(cè)試數(shù)據(jù)通常是在鉆孔柱狀圖或剖面圖中以深度曲線形式展示，各鉆孔數(shù)據(jù)是相對(duì)孤立的，表達(dá)方式局限性明顯。在復(fù)雜地層環(huán)境中研究RQD和聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的三維空間分布規(guī)律及相關(guān)性時(shí)，其拓?fù)潢P(guān)系仍表現(xiàn)出抽象、復(fù)雜、模糊及不確定等特點(diǎn)。因此，如何利用離散的RQD和聲波測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化展示，更直觀地理解和應(yīng)用空間離散實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，顯得十分必要[2-3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)也得到了良好的應(yīng)用和推廣。該技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)將離散地質(zhì)數(shù)據(jù)信息、空間分析與預(yù)測(cè)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體模型與可視化等綜合工具用于地球科學(xué)研究的新方法，有效地解決了空間離散數(shù)據(jù)的顯示和分析難題。本文采用EVS(Earth Volumetric Studio)軟件對(duì)世界第一拱橋天峨龍灘特大橋拱座地基巖體的RQD及聲波測(cè)試數(shù)據(jù)工程實(shí)例，詳細(xì)地闡述了三維地質(zhì)建模軟件在RQD及聲波測(cè)試數(shù)據(jù)中的工程應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

南丹至天峨下老高速公路天峨龍灘特大橋工程位于天峨縣六排鎮(zhèn)龍坪村雍坪屯北側(cè)

約800 m。該橋跨越龍灘水庫(kù)庫(kù)區(qū)，下游距龍灘水電站大壩約6 km。橋梁全長(zhǎng)2 488.55 m，其中主橋長(zhǎng)624 m，采用上承式勁性骨架混凝土拱橋方案，計(jì)算跨徑為600 m，橋面總寬24.5 m。主墩、交界墩為矩形空心墩，拱座采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。拱座基礎(chǔ)寬35 m、長(zhǎng)40 m、高27 m，基礎(chǔ)底后緣呈斜坡臺(tái)階狀，基礎(chǔ)底前緣水平。

該橋位區(qū)位于龍灘水庫(kù)(紅水河)庫(kù)區(qū)，屬剝蝕低山丘陵地貌，橋址庫(kù)區(qū)河槽呈“U”形，該“U”形底部由紅水河原始寬緩河床構(gòu)成。水庫(kù)庫(kù)面寬度約為450～600 m，庫(kù)水水深120～160 m，水位變化主要受水庫(kù)調(diào)蓄影響，近5年水位變幅為330～374.7 m，河槽走向約北東315°。兩岸山嶺高聳峻峭、峰尖坡陡，山間溝谷深切，海拔為200～1 045 m。特大橋兩岸拱座均坐落于“U”形河谷岸坡的半坡。下老岸岸坡(含庫(kù)水面以下)坡度總體稍緩，坡度變化較穩(wěn)定，總體坡度為18°～35°。拱座地基巖性以薄-中厚層狀中風(fēng)化砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為35 MPa，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，該岸坡為順層坡，巖層產(chǎn)狀為：354°/NE∠38°。該橋梁拱座基礎(chǔ)范圍內(nèi)進(jìn)行了大量的RQD編錄及聲波測(cè)試工作。

2 RQD與聲波數(shù)據(jù)

2.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)

巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)是美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的Deere在20世紀(jì)60年代提出的，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)使用，并作為巖石質(zhì)量分級(jí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)巖體的完整性[4]。RQD定義是采用φ75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管鉆進(jìn)，>10 cm的巖芯累計(jì)長(zhǎng)度與鉆孔回次進(jìn)尺長(zhǎng)度之比的百分?jǐn)?shù)，具體公式如式(1)所示：

(1)

利用巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)，可以將巖體劃分為如表1所示的5個(gè)等級(jí)。

表1 巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)等級(jí)表

2.2 聲波測(cè)試

2.2.1 測(cè)試原理

對(duì)鉆孔巖體和采取巖樣進(jìn)行波速測(cè)試，可以了解鉆孔內(nèi)巖體的裂隙發(fā)育情況、巖體完整性及風(fēng)化程度等。聲波測(cè)試在鉆孔終孔后立即進(jìn)行，每個(gè)鉆孔測(cè)試前灌滿水，保證水位在鉆孔鋼套管底部以上。從孔底向孔口測(cè)試，點(diǎn)距為0.25 m，每測(cè)試4個(gè)點(diǎn)校正一次深度。測(cè)量時(shí)，把測(cè)井換能器置于井底，按選定的測(cè)點(diǎn)距向上提升，逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)射換能器T發(fā)射聲波，依次由接收換能器R1、R2測(cè)取各測(cè)點(diǎn)上的首波所需的時(shí)間t1及t2，可測(cè)得該點(diǎn)巖體縱波聲速=ΔL/Δt=ΔL/(t2-t1)(ΔL為接收換能器的間距)。聲波測(cè)井工作原理如圖1所示。

圖1 聲波測(cè)井工作原理示意圖

2.2.2 聲波參數(shù)計(jì)算

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)和《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG-D63-2007)，巖體風(fēng)化程度Kf及完整性系數(shù)Kv計(jì)算公式如式(2)、式(3)所示。見表2。

表2 巖石風(fēng)化程度及完整性系數(shù)表

(2)

(3)

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

選擇典型鉆孔(SK16、SK18、SK21、SK26、SK27、SK28、SK29、SK30等)的RQD與聲波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用式(1)至式(3)及表1、表2等進(jìn)行整理，可得到下老岸拱座范圍內(nèi)巖石強(qiáng)風(fēng)化地層比例約為8%，中風(fēng)化地層比例約為80%，微風(fēng)化地層比例約為12%；巖體完整比例約為33%，巖體較完整比例約為45%，巖體較破碎比例約為14%，巖體破碎比例約為8%，如圖2所示。鉆孔巖石質(zhì)量指標(biāo)、聲波速度及鉆孔深度之間的相互關(guān)系如圖3～6所示。

圖2 下老岸拱座地層風(fēng)化程度及完整性比例圖

由圖3可知，RQD值隨高程變化離散性較大。原因是場(chǎng)地地層巖性為薄-中厚層狀中風(fēng)化砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較硬，巖體整體較完整，局部裂隙較發(fā)育，且受鉆探施工工藝等多因素影響，故RQD值雖能在一定程度上反映巖體完整性隨深度的變化情況，但數(shù)據(jù)離散性仍相對(duì)較大。

圖3 RQD隨高程變化散點(diǎn)圖

從圖4可知，巖體波速隨高程的增加整體呈增大趨勢(shì)，在裂隙發(fā)育或巖性變化區(qū)域巖體波速分布仍相對(duì)離散。在拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高程356 m以上鉆孔波速離散性較大，在高程356 m以下巖體波速多在4 000～5 500 m/s之間，分布相對(duì)規(guī)律。

圖4 巖體波速隨高程變化散點(diǎn)圖

從圖5可知，隨著巖體波速的增加，RQD值整體呈增大趨勢(shì)，但局部位置也有鉆孔波速測(cè)試數(shù)據(jù)大，而RQD值偏低的情況。分析可能存在兩方面原因：(1)受鉆探工藝影響，在現(xiàn)場(chǎng)巖芯編錄中，發(fā)現(xiàn)部分新鮮巖體鉆探機(jī)械破碎的痕跡明顯；(2)RQD不能反映硬性緊閉結(jié)構(gòu)面的影響，硬性閉合結(jié)構(gòu)面雖發(fā)育，但巖體波速測(cè)試數(shù)據(jù)較高，而鉆探巖芯編錄的RQD卻比較低，這些原因就造成了巖體波速對(duì)應(yīng)偏差。

圖5 RQD與巖體波速關(guān)系散點(diǎn)圖

利用鉆孔波速求得的巖體完整性系數(shù)和RQD均可反映巖體的完整程度，如圖6所示可知。隨著巖石質(zhì)量指標(biāo)的增大，巖體完整性系數(shù)也變大，兩者呈帶狀增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有一定的相關(guān)性。

圖6 巖體完整性系數(shù)與RQD關(guān)系散點(diǎn)圖

3 三維地質(zhì)建模與應(yīng)用分析

3.1 EVS建模方法

EVS(Earth Volumetric Studio)由美國(guó)C Tech公司推出，是國(guó)內(nèi)外最為流行的地球科學(xué)領(lǐng)域的3D建模軟件，可服務(wù)于地質(zhì)工程、環(huán)境工程、地球化學(xué)、地球物理、采礦工程、土木工程及海洋工程等領(lǐng)域。該軟件可將體積網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析、3D和4DM可視化工具等集成到一起，可更直觀地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和展示。根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及需求，可選擇地層建模、巖性建模、參數(shù)建模及耦合建模等方式。本文主要采用鉆孔聲波速度、波速比、巖體完整性系數(shù)、RQD等數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)三維建模及疊加分析，可劃分出某地質(zhì)屬性的分布范圍、等值面、體積等，為橋梁拱座基礎(chǔ)高程選取決策提供良好的依據(jù)[5-7]。

在EVS建模中，通常要先確定建模范圍和網(wǎng)格類型，然后再利用空間多源數(shù)據(jù)在網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行插值計(jì)算。地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)類型主要有矩形線性網(wǎng)(Rectilinear)、凸包網(wǎng)絡(luò)(Convex Hull)、有限差分網(wǎng)格(Finite Difference)等類型。空間數(shù)據(jù)插值方法主要有克里金(Kriging)插值方法、謝別德(Shepard)插值方法、改進(jìn)謝別德(Franke/Shepard)插值方法、最近鄰點(diǎn)(Nearest Neighbor)插值方法、徑向基函數(shù)(FastRBF)插值方法等。本次主要采用有限差分網(wǎng)格(Finite Difference)和克里金(Kriging)插值方法。

3.2 建模步驟

3.2.1 數(shù)據(jù)格式及處理

在本次EVS建模中，主要利用到的地質(zhì)數(shù)據(jù)有GMF(Geology Multi-File)和APDV(Analyte Point file format)等格式文件。其中GMF是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解釋的地表及地層界面信息;APDV用于建立巖體速度、波速比、巖體完整性系數(shù)、RQD等參數(shù)模型的數(shù)據(jù)格式。如表3所示。

表3 建模數(shù)據(jù)表

為了快速得到三維模型所需的各種數(shù)據(jù)格式文件，可采用開發(fā)數(shù)據(jù)接口程序和EVS自帶的文件轉(zhuǎn)換工具生成層面GMF和參數(shù)APDV等文件。

3.2.2 建模流程

在EVS建模過程中，一般主要利用參數(shù)建模(krig_3d_geology、krig_3d、plume_shell、intersection_shell、read_cad、isolines、transform_group、surf_cut、slice)等程序模塊[8]。

本文主要耦合了地層建模和參數(shù)建模兩種方式，并進(jìn)行了波速比、巖體完整性系數(shù)、RQD等三維模型的疊加分析。

EVS利用不同應(yīng)用程序模塊構(gòu)建地層-參數(shù)耦合模型的步驟如下：

(1)將鉆孔數(shù)據(jù)和聲波、RQD等數(shù)據(jù)處理成EXCEL文件，再利用EVS自帶工具生成EVS可讀取的數(shù)據(jù)格式，生成GMF層面和APDV格式文件。

(2)先利用krig_3d_geology模塊建立三維層面模型，再利用krig_3d_geology、krig_3d、intersection_shell等模塊建立波速比、巖體完整性系數(shù)、RQD等三維參數(shù)模型。

(3)繪制和讀取邊坡開挖、基坑開挖等CAD文件到EVS中，采用sur_cut、intersection_shell、transform_group、slice、isolines等模塊進(jìn)行三維模型、切片、等值線等疊加顯示分析。

3.3 模型應(yīng)用分析

3.3.1 二維切片分析

通過對(duì)拱座基礎(chǔ)范圍內(nèi)的巖體波速進(jìn)行不同高程的切片分析，發(fā)現(xiàn)高程365 m切面顯示波速為2.7～3.6 km/s的分布面積約占基坑面積一半；高程360 m切面顯示波速為2.8～3.6 km/s的面積在基坑底東側(cè)有少量分布；高程356 m切面顯示波速為2.9～3.8 km/s的面積僅在東側(cè)基坑開挖臺(tái)階有少量分布，拱座基礎(chǔ)底波速多為3.8～5.2 km/s。高程356 m巖體波速模型切片如圖7所示。

圖7 巖體波速模型切片圖(高程356 m)

為更直觀地顯示各高程的巖體完整性及巖石風(fēng)化程度分布規(guī)律，可對(duì)完整性系數(shù)Kv與波速比Kf進(jìn)行不同高程的模型切片分析。通過對(duì)比各高程切片發(fā)現(xiàn)，高程356 m處完整性系數(shù)為0.35～0.55的范圍相對(duì)較少，主要分布于東側(cè)基坑開挖臺(tái)階處，基坑底僅零星分布；波速比<0.6的范圍僅在東側(cè)開挖臺(tái)階外有極少量分布。高程356 m處完整性系數(shù)與波速比模型切片如圖8所示。

圖8 完整性系數(shù)與波速比模型切片圖(高程356 m)

3.3.2 三維剖切分析

利用巖體完整性系數(shù)Kv和波速比Kf三維參數(shù)模型，按擬考慮作為備選基礎(chǔ)底高程面(360 m、356 m、350 m)進(jìn)行剖切，可清晰地顯示各高程以下完整性系數(shù)Kv<0.55、波速比Kf<0.6的巖體空間分析形態(tài)及范圍。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高程360 m以下巖體較破碎的范圍較大；高程356 m以下巖體較破碎的范圍相對(duì)較少，主要分布于基礎(chǔ)底東外側(cè)，對(duì)基礎(chǔ)底影響相對(duì)較小；高程350 m以下巖體較破碎的范圍較少，主要分布于基礎(chǔ)底東外側(cè)。具體如圖9～11所示。

圖9 KV和Kf三維模型疊加圖(高程360 m)

圖10 KV和Kf三維模型疊加圖(高程356 m)

為更直觀地分析基礎(chǔ)底高程以下的巖體完整性系數(shù)Kv、波速比Kf和RQD等之間的空間分布規(guī)律，利用圖11所示的疊加模型可知，巖石質(zhì)量指標(biāo)<50的分布范圍比完整性系數(shù)Kv<0.55的范圍要大，存在一定偏差。其原因可能是受鉆探工藝和結(jié)構(gòu)面發(fā)育等影響所致。由于波速數(shù)據(jù)是在原狀巖體上測(cè)試得到的，故巖體完整性系數(shù)Kv和波速比Kf更具可靠性。具體KV、Kf、RQD三維模型剖切如圖12所示。

圖11 KV和Kf三維模型疊加圖(高程350 m)

圖12 KV、Kf、RQD三維模型疊加圖(高程356 m)

4 建議與措施

針對(duì)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、二維切片和三維成果分析，可提出如下相關(guān)建議與措施。

(1)下老岸拱座基礎(chǔ)底建議采用臺(tái)階式，最理想的基礎(chǔ)底最低高程宜為350 m附近，但考慮到基坑開挖施工期恰逢龍灘水庫(kù)的最高蓄水位375 m的時(shí)間，水庫(kù)水頭壓力對(duì)基坑和基礎(chǔ)施工影響極大，基礎(chǔ)底最低高程可根據(jù)水位變動(dòng)實(shí)際情況放寬至標(biāo)高356 m附近，但應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)底薄弱位置進(jìn)行處理。

(2)拱座底部地基巖體總體呈中風(fēng)化狀，前半側(cè)為中風(fēng)化砂巖，后半側(cè)為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖體整體完整性尚可，基本可滿足上部基礎(chǔ)的承載力要求。但是三維模型揭示的局部巖體完整性較差，發(fā)育軟弱夾層或泥化夾層，構(gòu)成力學(xué)薄弱點(diǎn)。建議核實(shí)拱座底部承載力，并通過清除、注漿等工程措施對(duì)底部地基巖體薄弱處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，改善其完整性及力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，以滿足底部地基巖體受力、變形等參數(shù)要求。

5 結(jié)語

在對(duì)世界第一拱橋龍灘特大橋的勘察過程中，使用了鉆探、物探、原位等綜合手段進(jìn)行巖土勘察。通過EVS三維地質(zhì)建模分析軟件，本文將鉆孔、聲波、RQD等數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維可視化集成展示和綜合分析，取得了良好效果，得到以下結(jié)論：

(1)RQD、巖體完整性系數(shù)Kv和波速比Kf是常用且有效的巖體完整性及巖石風(fēng)化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過散點(diǎn)圖及趨勢(shì)線分析發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，RQD和巖體完整性系數(shù)兩者整體呈帶狀增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有一定的相關(guān)性。

(2)通過RQD與聲波數(shù)據(jù)的三維模型二維切片、三維剖切及疊加分析，直觀揭示了比選基礎(chǔ)底面高程以下的巖體完整性系數(shù)Kv、波速比Kf和RQD等空間分布規(guī)律，為選擇基礎(chǔ)底高程位置及地基處治方案提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)傳統(tǒng)鉆孔柱狀圖、剖面圖、RQD、巖體波速等表達(dá)方式，很難建立直觀的空間拓?fù)潢P(guān)系，容易遺漏或未充分發(fā)揮重要數(shù)據(jù)信息的作用。而采用多數(shù)據(jù)源三維建模方式可更清晰地展示各地層、參數(shù)及屬性數(shù)據(jù)的空間形態(tài)，可快速進(jìn)行三維模型炸開、剖切、開挖等操作，能更直觀地觀察和理解應(yīng)用三維地質(zhì)體。