自貢地區運用量化指標劃分風化帶問題的探討

郭新元， 羅 杰, 葉 勇, 孫 鑾

(成都華陽建筑股份有限公司，四川成都 610213)

在工程建設過程中，巖體風化問題的研究是巖土專業工作者多年來一直進行探討的工程地質問題之一。巖體的風化是一個漸近、連續的變化過程，即從表部的全、強風化至深部的弱風化、微風化、新鮮巖體。巖體風化表現為巖石的松弛、裂隙的增多，巖體風化程度的變化可以表征巖石物理力學性質的變化、巖體中裂隙發育程度的變化(淺表生裂隙造成)、巖體結構的變化、巖體力學參數的變化，因此，對巖體進行風化分帶具有重要的理論和工程意義。

本文根據目前國內外巖體風化問題的研究成果和自貢地區實際工程資料，簡要分析了目前國內外巖體風化問題的研究現狀，基于自貢某在建工地實際勘查結果，探討應用定量指標劃分巖體風化帶的問題，這為巖體風化定量化評價提供了實際參考，具有顯著的實際應用意義。

1 巖體風化帶劃分研究現狀

國內外按風化程度對風化巖的分帶一般劃分為4～6個帶，一般依據行業標準及建筑類型、規模的不同而不同。國際巖石力學協會實驗室和現場標準委員會(ISRM，1979)和我國的GB50021-2001《巖土工程勘察規范(2009年版)》將風化巖分為殘積土帶及全、強、中等、微、未風化6個帶。

就巖體風化帶劃分方法來看，早期以定性判斷為主，在20世紀60年代之前，主要以巖石的顏色、礦物的光澤、巖石結構的變化及破碎情況、錘擊聲、開挖方法的難易程度、手捏強度等加以判斷。不難看出，定性劃分容易造成巖體風化帶劃分的不確定性和人為性，很難反映巖體風化的本質，隨著工程規模變大，這種定性評價難以適應大型建設項目的需要[1-4]。

20世紀60年代以來，隨著研究的深入，在巖體風化分帶中，逐漸引入了一些定量指標如縱波速度、波速比、風化系數等來對巖體進行定性與定量相結合的分帶，如《工程地質手冊》(第五版，2018)在原有的考慮巖石組織結構、礦物成分變化程度、堅硬程度以及可控掘性或可鉆性等的基礎上，同時給出了波速比、風化系數等定量指標對巖體進行風化分帶。

近些年來，基于風化作用對表生巖體的改造作用，很多學者提出利用巖石變形強度指標(變形模量、點荷載強度、單軸抗壓強度、回彈值等)、巖體結構指標(結構面間距、體積節理數)等對風化帶劃分的方法[5-7]，這些對實際工程風化帶劃分更具有實際參考意義。

2 風化帶劃分量化指標選取

巖體由巖石、結構面及其賦存環境組成，與此相對應，表征巖體風化程度的指標可大致分為三種。

(1)表征巖石風化程度的指標，風化指數WI、空隙度n與巖石密度ρ等。

(2)表征結構面風化程度的指標，風化裂隙與卸荷裂隙的條數、跡長、寬度(或開度)、間距，結構面充填膠結狀況以及夾泥成因等。

(3)既表征巖石風化程度、又表征結構面風化程度及巖體賦存環境。如地應力場、滲流場、溫度場的綜合指標、彈性波的傳播速度(縱波Vp、橫波Vs)、巖體模量(動、靜彈模、變模)、巖體完整性系數Kv等。

經驗表明，表征巖體風化程度的各個指標之間總是存在著一定的對應關系或者相互關聯。因為對于同一地區同一巖性相同級別風化程度的巖體而言，其物理力學性能及強度、變形性能總是相互接近或者趨于一致，也即表征巖體風化程度的任何一個單一指標應當處在某個有限的變化區間之內，在風化程度相近的條件下，經過大量的統計工作，考察、對比、分析這些單個指標之間存在的內在聯系，就會發現它們彼此之間并非孤立存在，而是息息相關。

巖石質量指標(RQD)與完整性系數(Kv)間的關系巖石質量指標與完整性系數間的關系，前人作了較多的研究。Dearman，A.H.Merritt等指出了不同風化巖帶與RQD的對應關系。聶德新等[8]根據大量的實測資料，進一步研究了玄武巖Kv和RQD的關系，獲得較好的相關性:

Kv=0.0036+0.0111×RQD-0.0001×

(RQD)2+0.000001×(RQD)3，r=0.9978

式中：Kv為巖體的完整性系數；RQD為巖石質量指標；r為相關系數。

根據自貢地區巖石風化特點及工程實際情況，選取巖石質量指標(RQD)、完整性系數(Kv)、縱波波速(Vp)作為代表性特征指標。

之所以選擇縱波速Vp，原因有:

(1)國內外多以波速比Kv或縱波速度Vp作為巖體不同風化帶劃分的定量指標。

(2)緊扣國家頒布的GB50021-2001(2009年版)《巖土工程勘察規范》，該規范關于巖體風化一節中明確規定波速比為不同風化帶的量化指標。

(3)縱波速度Vp可綜合揭示巖體因風化作用而引起的不完整、不均一、不連續性以及巖石本身的力學性質變化。

(4)自貢地區某場地通過試驗獲取了大量詳實的彈性波速。

3 自貢地區巖體風化帶劃分

通過詳細地質勘察，根據鉆孔數據，將場地表土層下巖石層分為2-1砂質泥巖、2-2砂質泥巖、3-1砂巖三層，此三層巖石在研究場地內廣泛分布。

3.1 用RQD指標確定劃分巖體風化帶

巖石質量指標RQD在一定程度上反映了巖體的完整程度，也是在實際工程中比較容易獲得的指標，是數據比較可靠的指標之一，在實際中也應用較多。通過對自貢地區的巖體參數的研究，結合前人研究成果[9-12]，獲得的巖體風化程度與巖石質量指標RQD值的對應關系如表1所示。

表1 巖體風化程度與巖石質量指標RQD對應關系

3.2 用波速比Kv指標劃分巖體風化帶

波速比的劃分標準按照規范GB50021-2001 (2009年版)《巖土工程勘察規范》附錄A.0.3要求確定，具體要求如表2所示。

3.3 巖體縱波波速(Vp)

自20世紀70年代以來，對巖體的風化評價引入了較多巖石測試指標。不少學者和部門從巖體的一些特征指標來研究巖體的風化分帶，如W.R.Dearman用RQD、地震波速對巖體進行風化分級。這些都使巖體縱波波速(Vp)、波速比作為定量指標劃分巖體風化帶的研究大大向前邁進了一步[9]。巖體的縱波波速反映了巖體介質的密度、巖體的破碎程度和緊密性。筆者對研究區域區的勘探鉆孔的聲波測井資料，按不同風化程度進行分類整理，其結果如表3所示。

3.4 其他輔助判別參數

本場地在詳細地勘過程中，做了大量巖石力學試驗，得到巖體模量(動、靜彈模、變形模量)、單軸抗壓強度等試驗數據，根據分層劃分將數據分類如表4[13]。

表2 巖體風化程度與波速比Kv對應關系

表3 研究場地波速測試結果

表4 巖體力學性能

4 綜合劃分結果

根據前文描述，依據GB50021-2001(2009年版)《巖土工程勘察規范》、前文的量化指標、鉆孔情況及試驗數據，將場地內主要三個巖層風化程度確定如表5所示。

砂質泥巖層在本場地中主要的巖土層之一。在前期地勘過程中，根據地勘鉆孔描述，場地內砂質泥巖宏觀上呈現自上而下風化程度逐漸減弱的趨勢，并且局部地段各風化帶還呈互層情況。

在實際基坑開挖過程中發現，各風化帶的劃分只是相對的，各風化帶之間風化程度往往呈逐漸過渡，實際并無明確的分界線，上文風化帶的劃分符合巖土層實際風化情況，且在基坑東部出現風化帶互層情況，與上文劃分情況一致。風化帶的準確劃分對于實際施工機械調動安排提供了準確信息，提前安排相應施工工藝及機械，對于提高施工效率產生了積極影響。

5 結論

(1)本文從現場勘察及資料分析，結合本工程場地的特點，著重研究了其巖體的聲學特性(縱波波速、波速比)、巖體的質量指標RQD和巖石力學性質。通過現場實際統計資料以及較深入的研究、分析，綜合確定了巖體風化分帶界線的量化指標，從而方便、準確地劃分了工程場區巖體的風化程度，同時表征了巖體的結構、質量優劣等特征。

表5 研究區域風化帶劃分結果

(2)選擇了RQD值、縱波波速、波速比3個指標作為巖體風化界限劃分的量化指標。這三者沿鉆孔深度的變化具有很好的一致性，可以作為風化分帶的量化指標，且操作方便。通過此3個量化指標對研究場地的風化界限進行了劃分，結果與現場有經驗的巖土工程師定性劃分基本一致，此3個指標作為自貢地區風化分帶的量化指標具有實用價值。

(3)同時巖體模量(動、靜彈模、變形模量)、單軸抗壓強度試驗結果也驗證了此劃分的正確性，由于這些指標有很好的相關性和對應性，在現場可以用多個指標對巖體風化進行綜合分帶。若不能同時取得多個指標，僅取得1～2項指標，結合實際調查，也能較正確地劃分出巖體的風化帶。

(4)風化帶的定量劃分為實際施工提供了正確信息，有助于提高施工作業效率，經濟效益也得到提高，對實際施工產生了積極影響。