考虑节理影响的岩体基本质量指标定量评价

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岩体是由节理面与岩块组成的天然地质体,对岩体质量进行分析评价,获得其力学参数是岩石工程科学设计和安全施工的重要依据,同时也是岩石力学领域备受关注的重要内容。岩体由于包含大量的不规则节理面,其物理力学性质表现具有非连续、非线性、非弹性等特征,常规的勘察、试验等手段不易直接确定其参数。工程岩体质量分类方法旨在解决上述问题,基于现场地质调查与室内试验,结合已有工程经验对岩体进行分类评价,是学术界和工程界共同关注的重要课题。目前,国内外已有RMR法、GSI法、BQ法等代表性的岩体质量分类方法,但这些分类方法在实际工程应用中多数用于定性判别,如何实现定量化应用,已有的案例相对较少。同时,由于不同岩体质量分类方法所采用的评价指标不同,不同岩体评价结果不具可比性,在同样条件下采用何种方法的评价结果更具合理性还存在争议。因此,研究岩体质量分类方法的定量化评价,分析在不同条件下各岩体质量分类的适用性与评价结果的合理性对于完善工程岩体质量评价体系,为岩体工程设计提供参数依据等均有重要意义。本文以RMR(Rock Mass Rating)、GSI(Geological Strength Index)及BQ(Basic Quality)三种岩体质量分类方法为代表,探讨了以定量化形式确定以上三种评价值的方式,并针对现有BQ法评价中存在的问题进行改进,提出了一种新的BQ量化评价方法;针对以上三种分类方法评价结果的合理性,以数值模拟结果为依据探讨了不同条件下各岩体质量分类方法评价结果与实际岩体质量间的偏差及其产生原因;最后结合实际工程案例给出一种结合边坡岩体数字化调查技术快速评价工程岩体质量的方法。本文的主要研究内容和研究结论如下:(1)对工程岩体基本质量指标BQ的量化改进。本文针对现有BQ法中在无现场原位试验数据时以岩体体积节理数Jv预估岩体完整性系数Kv的方式过于定性化的不足进行改进。在对包含节理面的岩样进行纵波波速测试的基础上,揭示了节理的数量、倾角以及填充物等对纵波波速的影响规律。基于波速测试揭示的规律,提出了一种新的Jv与Kv间的量化对应关系。通过该关系能实现在无Kv实测数据情况下的BQ值定量评价。(2)基于离散元数值分析结果,对比分析了岩石单轴抗压强度、节理面数量及节理面粗糙度等影响岩体稳定性的主要因素变化对不同方法评价结果的影响。结果表明:不同分类方法在岩石单轴抗压强度变化时的评价结果合理程度与岩体的完整程度有关。在岩体相对破碎的情况下,BQ与RMR评价得到岩石单轴抗压强度对岩体质量的影响结果是相对合理的,但在岩体相对完整的情况下两者评价结果与实际岩体质量的偏差相对较大。GSI评价结果规律则与BQ结果相反,在对节理数量的影响评价上,GSI与BQ在节理数量相对较少时的评价结果与实际岩体质量接近,在节理数量较多时的评价结果与实际岩体质量偏差较大。RMR评价结果规律则不同,对节理粗糙度的影响评价上BQ与RMR评价结果相对实际岩体质量整体偏低,而GSI评价结果相对实际岩体质量整体偏高。(3)选取了实际工程岩质边坡作为案例,结合无人机航拍技术获取边坡节理信息并从数值模拟与岩体质量分类方法两个角度对边坡岩体质量开展分析评价。结果表明:RMR、GSI及BQ三种岩体质量分类方法中,对边坡岩体质量的评价结果为GSI>BQ>RMR。与数值计算结果相比GSI评价结果相对偏高,BQ与RMR等的评价结果相对偏低。三种方法中GSI与BQ评价结果与数值模拟结果相对较为接近,RMR评价结果与数值模拟计算结果相比偏差较大。
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