基于RQD與聲波的三維建模在特大橋拱座地基分析評價中的應用

劉先林，覃仕勇，于磊磊

(1.廣西交通設計集團有限公司，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

巖石質量指標RQD和聲波測試是評價地基、邊坡、隧道等巖石質量、風化程度、巖體完整性及卸荷松弛帶范圍的重要檢測方法和評價手段。在重大工程項目建設中，RQD和聲波測試數(shù)據(jù)成千上萬，在一定程度上反映了鉆孔深度范圍內巖體的質量和完整性[1]。

在傳統(tǒng)勘察成果中，RQD和聲波測試數(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)是相對孤立的，表達方式局限性明顯。在復雜地層環(huán)境中研究RQD和聲波測試數(shù)據(jù)的三維空間分布規(guī)律及相關性時，其拓撲關系仍表現(xiàn)出抽象、復雜、模糊及不確定等特點。因此，如何利用離散的RQD和聲波測試數(shù)據(jù)進行三維可視化展示，更直觀地理解和應用空間離散實測數(shù)據(jù)，顯得十分必要[2-3]。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，三維地質建模技術也得到了良好的應用和推廣。該技術是應用計算機知識將離散地質數(shù)據(jù)信息、空間分析與預測、地質統(tǒng)計、實體模型與可視化等綜合工具用于地球科學研究的新方法，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及聲波測試數(shù)據(jù)工程實例，詳細地闡述了三維地質建模軟件在RQD及聲波測試數(shù)據(jù)中的工程應用。

1 項目概況

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

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

該橋位區(qū)位于龍灘水庫(紅水河)庫區(qū)，屬剝蝕低山丘陵地貌，橋址庫區(qū)河槽呈“U”形，該“U”形底部由紅水河原始寬緩河床構成。水庫庫面寬度約為450～600 m，庫水水深120～160 m，水位變化主要受水庫調蓄影響，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-中厚層狀中風化砂巖和粉砂質泥巖為主，巖石飽和單軸抗壓強度標準值約為35 MPa，巖質較堅硬，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°。該橋梁拱座基礎范圍內進行了大量的RQD編錄及聲波測試工作。

2 RQD與聲波數(shù)據(jù)

2.1 巖石質量指標(RQD)

巖石質量指標(RQD)是美國伊利諾斯大學的Deere在20世紀60年代提出的，我國從20世紀80年代開始引進使用，并作為巖石質量分級的一項重要指標，被廣泛應用于評價巖體的完整性[4]。RQD定義是采用φ75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管鉆進，>10 cm的巖芯累計長度與鉆孔回次進尺長度之比的百分數(shù)，具體公式如式(1)所示：

(1)

利用巖石質量指標(RQD)，可以將巖體劃分為如表1所示的5個等級。

表1 巖石質量指標(RQD)等級表

2.2 聲波測試

2.2.1 測試原理

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

圖1 聲波測井工作原理示意圖

2.2.2 聲波參數(shù)計算

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設計規(guī)范》(JTG-D63-2007)，巖體風化程度Kf及完整性系數(shù)Kv計算公式如式(2)、式(3)所示。見表2。

表2 巖石風化程度及完整性系數(shù)表

(2)

(3)

2.3 實測數(shù)據(jù)及分析

選擇典型鉆孔(SK16、SK18、SK21、SK26、SK27、SK28、SK29、SK30等)的RQD與聲波實測數(shù)據(jù)，利用式(1)至式(3)及表1、表2等進行整理，可得到下老岸拱座范圍內巖石強風化地層比例約為8%，中風化地層比例約為80%，微風化地層比例約為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。鉆孔巖石質量指標、聲波速度及鉆孔深度之間的相互關系如圖3～6所示。

圖2 下老岸拱座地層風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。原因是場地地層巖性為薄-中厚層狀中風化砂巖和粉砂質泥巖，巖質較硬，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)離散性仍相對較大。

圖3 RQD隨高程變化散點圖

從圖4可知，巖體波速隨高程的增加整體呈增大趨勢，在裂隙發(fā)育或巖性變化區(qū)域巖體波速分布仍相對離散。在拱座基礎設計高程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，分布相對規(guī)律。

圖4 巖體波速隨高程變化散點圖

從圖5可知，隨著巖體波速的增加，RQD值整體呈增大趨勢，但局部位置也有鉆孔波速測試數(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)場巖芯編錄中，發(fā)現(xiàn)部分新鮮巖體鉆探機械破碎的痕跡明顯；(2)RQD不能反映硬性緊閉結構面的影響，硬性閉合結構面雖發(fā)育，但巖體波速測試數(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應偏差。

圖5 RQD與巖體波速關系散點圖

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。隨著巖石質量指標的增大，巖體完整性系數(shù)也變大，兩者呈帶狀增長趨勢，具有一定的相關性。

圖6 巖體完整性系數(shù)與RQD關系散點圖

3 三維地質建模與應用分析

3.1 EVS建模方法

EVS(Earth Volumetric Studio)由美國C Tech公司推出，是國內外最為流行的地球科學領域的3D建模軟件，可服務于地質工程、環(huán)境工程、地球化學、地球物理、采礦工程、土木工程及海洋工程等領域。該軟件可將體積網(wǎng)絡、地質統(tǒng)計分析、3D和4DM可視化工具等集成到一起，可更直觀地進行統(tǒng)計分析和展示。根據(jù)項目數(shù)據(jù)的特點及需求，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)進行參數(shù)三維建模及疊加分析，可劃分出某地質屬性的分布范圍、等值面、體積等，為橋梁拱座基礎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)格內進行插值計算。地質網(wǎng)絡類型主要有矩形線性網(wǎng)(Rectilinear)、凸包網(wǎng)絡(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、改進謝別德(Franke/Shepard)插值方法、最近鄰點(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)進行地質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利用不同應用程序模塊構建地層-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等模塊進行三維模型、切片、等值線等疊加顯示分析。

3.3 模型應用分析

3.3.1 二維切片分析

通過對拱座基礎范圍內的巖體波速進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的面積僅在東側基坑開挖臺階有少量分布，拱座基礎底波速多為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化程度分布規(guī)律，可對完整性系數(shù)Kv與波速比Kf進行不同高程的模型切片分析。通過對比各高程切片發(fā)現(xiàn)，高程356 m處完整性系數(shù)為0.35～0.55的范圍相對較少，主要分布于東側基坑開挖臺階處，基坑底僅零星分布；波速比<0.6的范圍僅在東側開挖臺階外有極少量分布。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底高程面(360 m、356 m、350 m)進行剖切，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較少，主要分布于基礎底東外側，對基礎底影響相對較小；高程350 m以下巖體較破碎的范圍較少，主要分布于基礎底東外側。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，巖石質量指標<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構面發(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

針對以上實測數(shù)據(jù)、二維切片和三維成果分析，可提出如下相關建議與措施。

(1)下老岸拱座基礎底建議采用臺階式，最理想的基礎底最低高程宜為350 m附近，但考慮到基坑開挖施工期恰逢龍灘水庫的最高蓄水位375 m的時間，水庫水頭壓力對基坑和基礎施工影響極大，基礎底最低高程可根據(jù)水位變動實際情況放寬至標高356 m附近，但應對基礎底薄弱位置進行處理。

(2)拱座底部地基巖體總體呈中風化狀，前半側為中風化砂巖，后半側為中風化粉砂質泥巖，巖體整體完整性尚可，基本可滿足上部基礎的承載力要求。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，構成力學薄弱點。建議核實拱座底部承載力，并通過清除、注漿等工程措施對底部地基巖體薄弱處進行補強加固，改善其完整性及力學參數(shù)指標，以滿足底部地基巖體受力、變形等參數(shù)要求。

5 結語

在對世界第一拱橋龍灘特大橋的勘察過程中，使用了鉆探、物探、原位等綜合手段進行巖土勘察。通過EVS三維地質建模分析軟件，本文將鉆孔、聲波、RQD等數(shù)據(jù)進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化程度評價指標。通過散點圖及趨勢線分析發(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趨勢，具有一定的相關性。

(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，為選擇基礎底高程位置及地基處治方案提供了設計依據(jù)。

(3)傳統(tǒng)鉆孔柱狀圖、剖面圖、RQD、巖體波速等表達方式，很難建立直觀的空間拓撲關系，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用三維地質體。