3.1　边坡岩体质量评价的GSMR法

RMR法是岩体工程质量评价方法中应用最广的一种,它综合考虑了岩石强度、结构面间距及特征、岩芯质量、地下水条件等诸多地质因素的影响,是一种发展较快、比较完善的工程岩体质量评价方法。它能将受损伤、有缺陷岩体与Hoek-Brown强度准则融合和成功运用,给出各种情况的量化权值。

RMR分类系统有6个基本参数及其分级量化权值(1989年),完整岩石材料强度权值R1;RQD权值R2;结构面间距权值R3;结构面条件权值R4;地下水条件权值R5;结构面调整权值R6,运用6个参数评分得到权值后,将其累加即得到了岩体RMR值,通过该分值评价岩体质量。

RMR法分类法把R1～R3分成5段区间值确定其分配权值,确定的权值具有很大的主观因素。在考虑R1～R3指标时过于粗糙,缺少对结构面方向控制性的定性考虑,无法考虑爆破、锚固因素的影响,在应用时造成较大误差。

基于以上思想,提出修正的RMR法。考虑离散权值(完整岩石强度,岩石质量指标,结构面间距)的连续性权值修正、节理与边坡的相互关系、开挖方法、结构面与作用力夹角、人工边坡形态、地震应力、边坡高度、Romana修正系数F3的修正。

为了便于现场采集数据,对R1～R3这三项权值进行细化修正,并辅以现场岩体强度简单识别方法,控制在一定的权值范围之内,见表3.1.1。

进行细化修正的目的是用连续性权值方程把RMR基本因素和权值联系起来,避免RMR权值发生急剧变化。虽然现场调查时使用连续权值表面看起来比5段表格形式使用起来复杂,但是在确定RMR值时不需要专家经验,减少了主观判断产生的误差,使岩体质量评价结果更具客观性。

RMR权值是关于PLS(点荷载强度)、UCS(单轴抗压强度)、RQD(岩石质量指标)、Js(结构面间距)的间断函数,很显然随着PLS、UCS、RQD、Js值的增大,岩体质量越来越好,权值越高。图3.1.1和图3.1.2表明通过细化连续修正的PLS、UCS与权值R1之间的关系为二次函数关系:

不管是从经验上,还是数值模拟上还是边坡稳定分析上来看,都表明RQD和Js存在直接的关系,实际上RQD和Js都是不连续面平均数的函数,即节理线密度λ,并且定义Js=1/λ。

实际工程发现,结构面间距近似服从负指数分布,RQD和节理线密度λ的关系式可表示为:

表明RQD由结构面间距分布函数确定而不是只依赖于完整岩石长度,即相同的完整岩石长度对于不同完整岩石长度分布可以有不同的RQD值。鉴于RQD的特殊重要性和节理线密度λ的关系,可采用式(3.1.4)在本文用来对RQD进行连续性修正。边坡工程实践中,如果由于条件限制或信息不足无法取得RQD,就可以使用节理线密度概念。按照确定R1连续修正方程的方法可以得到权值R2与RQD之间二次函数表达式(见图3.1.3)如下:

Bieniawski(1973)把结构面间距Js与RMR权值的关系式定为半对数关系,相同地对细化连续修正后的结构面间距Js用半对数关系的线性表达(见图3.1.4)如下:

式(3.1.9)可以用节理线密度表示成:

因此通过确定节理线密度λ就可以确定RQD权值R2和结构面间距权值R3,可以得出RMR中考虑的6个因素(实际上为5个因素)。

通过GSMR系统量化了岩体强度、结构面产状、结构面间距、粗糙度、地下水条件、岩石质量指标、岩石边坡高度、研究区域地震基本烈度、开挖方法和人工边坡形态,把非常复杂的裂隙岩体用简单方便的方法进行定量描述。提出了连续性权值修正的方程(二次函数关系或半对数关系),对完整岩石强度、结构面间距、岩石质量指标离散权值进行连续修正,减少了评价系统中的主观因素。

运用GSMR法估算边坡岩体力学参数,可以得到离散和连续两套岩体力学参数,离散的GSMR值估算抗剪强度参数得到一个区间值,连续的GSMR值得到的力学参数是某一确切的值,减少了主观判断带来的误差。用于边坡稳定分析,是一种边坡工程中可行的方法。

对于平面破坏边坡,当结构面倾角大于边坡倾角时,SMR值与边坡的实际情况相吻合,但是当结构面倾角与坡面倾角相等或小于坡面倾角时,只有在边坡中存在贯通性平直软弱结构面,如断层,泥化夹层时,SMR分类所给定的调整分值才是正确的,否则要结合结构面的强度进行修正。当结构面倾角小于(或等于)坡面倾角时,根据边坡的变形破坏机理来建立SMR分类的调整系数与岩体结构特征和结构面强度的理论关系是很有必要的。因此有必要对决定边坡稳定性的不同的优势结构面,如贯通性平直软弱结构面(断层,泥化夹层),岩层层面,贯通硬性裂隙,不连续节理面等对修正系数F3不同的影响程度,分别进行修正,见表3.1.2。

由于岩石中细微结构面的存在,使得岩石抗压强度与结构面的相对位置有很大的关系,其结构面的相对位置决定岩体抗压强度。通常,当时,此时的抗压强度Rc=为含结构面岩石的抗压强度);当时,岩石强度受结构面控制,当β=45°时岩体强度达到最低。因此需要考虑结构面与作用力β夹角对SMR值的影响。

单组结构面的极限平衡条件有:

对于单轴抗压强度,σ3=0,有:

如受多组结构面的切割,如βi(i=1,2,3,…,n)均满足此时令:

岩石破坏受到小者的控制,则A=min{Ai}(i=1,2,…,n)。如果结构面不贯通,此时的强度公式必须修正,具体方法是以结构面的cj、ϕj及岩块的cr、ϕr加权平均值来代替式(3.1.9)中的cj、ϕj,即其某一节理岩石中含一条节理,节理的连通率为n%,则:

用c'、ϕ'代替式(3.1.9)中的cj、ϕj即可。

根据结构面与作用力夹角β大小对SMR值进行修正情况,见表3.1.3。

对边坡高度调整权值R10见表3.1.4。

在以上修正基础上提出适用于岩石边坡岩体质量评价的新方法——GSMR法,其得分表达式如下:

其中,F1、F2与前述取值相同,F3依据不同优势结构面通过表求得,F4是考虑结构面与作用力夹角的修正系数GSMR法较全面地考虑了结构面走向与坡面走向、结构面倾角、坡面倾角、结构面倾向与坡面倾角的相互关系、开挖方法、人工边坡形态、地震应力、边坡高度等影响岩体质量的各种因素,因此在边坡岩体力学参数预测方面,将GSMR值代替RMR值,更能反映边坡岩体实际力学性质,见表3.1.5。