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話說風化程度—巖土感悟(35)

2018-11-20 16:31  來源:巖土網  閱讀:2777
巖石風化程度的劃分是巖土工程勘察的常課,它似乎不像巖石堅硬程度、巖體完整程度和巖體基本質量等級的劃分那樣嚴格依據于某定量指標。實際工作中多依據野外特征,鮮有參考風化程度參數指標者,故不同單位、同一單位不同技術人員、同一技術在不同項目甚至同一項目不同階段,面對同一工作對象其結果各不相同,這固然與鉆探施工,試驗的偶然誤差不無關系,但是否也有更深層次的原因呢?

(一)

不久前,參加長沙軌道交通6號線一期工程某車站基坑圍護結構設計評審,對其勘察成果頗感興趣,原文摘錄如下:

“強風化板巖:暗紫紅色、褐黃色,局部灰綠色,變余泥(砂)質結構,板狀構造,節理裂隙極發育,巖芯破碎,多呈塊狀及碎塊狀,局部呈短柱狀,巖芯采取率為70~78%,錘擊易碎,沖擊無法鉆進,回轉鉆進容易,為軟巖,局部為極軟巖,巖體完整性指數為0.16-0.18,巖體破碎,RQD=0,巖石質量極差,巖體基本質量等級為Ⅴ類。

中風化板巖:灰綠色,青灰色,變余泥(砂)質結構,板狀構造,節理裂隙發育,巖芯呈柱狀、短柱狀及塊狀,巖芯采取率為80~98%,為較硬巖,局部為軟巖及較軟巖,RQD值12~96,巖石質量整體較差,局部差,巖體完整性指數為0.36~0.39,巖體較破碎,巖體基本質量等級整體為Ⅳ類。”

主要巖土參數概括如下:

強風化板巖:天然、干燥、飽和三種狀態的巖石單軸抗壓強度標準值分別為4.95MPa、9.69MPa、4.43MPa;黏聚力60kPa、內摩擦角28度;承載力特征值400 kPa、樁端極限摩阻力180 kPa、樁端極限端阻力2000 kPa;錨固體極限摩阻力標準值120 kPa、地基土水平抗力系數的比例系數165 MN/m4;

中風化板巖:天然、干燥、飽和三種狀態的單軸抗壓強度標準值分別為28.08MPa、34.18MPa、27.66MPa;黏聚力200kPa、內摩擦角33度;承載力特征值1500 kPa、樁端極限摩阻力400 kPa、樁端極限端阻力5000 kPa;錨固體極限摩阻力標準值240 kPa、地基土水平抗力系數的比例系數300 MN/m4。

這份詳勘報告在巖土描述、參數取值及風化分帶與本地既有經驗出入不少。只是該報告已通過前期專家和相關機構評審,不好再作贅述。

但,在不久后參加的某重大變更設計評審中,我發現,因為風化程度的劃分問題給設計者帶來的困惑,給工程建設所帶來的影響,引起了我的思考。

其中一項是“….詳勘較初勘發生變化(換乘節點以東段初勘揭露有強、中風化巖層在詳勘報告中為中、微風化板巖),該范圍內的圍護結構由地連墻調整為排樁,……此項方案調整減少費用約XXX萬元”。

另一項是“由于詳勘較初勘變化,中風化巖面標高由15.10m變為22.30m,隧道 拱頂加固深度由約XXm優化為XXm,此項方案變更減少費用約XX萬元”。

需說明的是這兩項變更不是同一工點,也不是同一勘察單位。但,同一工點的初勘與詳勘為同一勘察單位完成。

為何出現如此大的誤差?根源在哪?

(二)

一定程度上講,從事巖土工程的都是與巖石打交道。巖土工作者面對的各色土體無不是巖石經歷各種自然營力與人類改造的結果。這也體現了哲學上物質不滅的觀點。

眾所周知,巖石是天然形成的單一或多種礦物的集合體。按其成因分巖漿巖、沉積巖與變質巖。三類巖石在一定條件下又可以相互轉換(圖1、圖2)。

                           圖片未命名

圖1 

圖片未命名 

圖2

巖體是賦存于一定的地質環境中,由各類結構面和被其切割的巖石結構體所構成的地質體。在風化營力作用下,其結構、成分和性質已產生不同程度變化而稱之為風化巖,完全風化而未經搬運者稱為殘積土。

風化作用不僅產生大量風化裂隙,破壞原巖結構構造,還會改變原巖礦物成分、產生蝕變礦物,從而改變原巖物理、力學和水理性質,大大降低原巖強度,導致巖體工程性質惡化,風化巖的分帶研究對工程建設十分重要。

在進行巖土工程勘察時,應鑒定巖石的地質名稱和風化程度,并進行巖石堅硬程度、巖體完整程度和巖體基本質量等級的劃分。這是勘察工作者經常要做的功課。

對巖石定名,有區域資料可借鑒,有巖礦鑒定為依據,堅硬程度、巖體完整性、巖體基本質量等級規范給出了相應了定量指標,唯有風化程度規范在附錄中野外特征與風化程度參數并舉,在實際使用中,造成了較大的混亂,在工程實踐中影響殊深。

(三)

巖體 (或巖石 )風化帶的研究是一個較老的課題,許多專家學者對此進行了不同程度的研究,研究手段以定性到半定量為主,常用方法有地質劃分法和工程劃分法。

在研究過程中,人們從歷史和發展的角度來重新認識巖體的風化帶劃分,既尊重以往“風化分帶”在工程地質評價中所起的作用,又客觀地揭示風化分帶存在的問題,不斷地采用新的量化“指標”來表征巖體風化程度的強弱,力圖使巖體風化分帶既能表征巖石物質成分發生變異程度,又能反映風化作用對巖體結構、工程特性的影響程度。代表性的風化分帶方法有:

(1)國際工程地質協會工程地質制圖委員會(IAEC,1981)的五帶法,即全風化帶(包括殘積土)、強風化帶、中等風化帶、微風化帶、未風化帶(新鮮巖石);

(2)國際巖石力學協會實驗室和現場標準委員會(ISRM,1979)的六分法(殘積土、全風化帶、強風化帶、中等風化帶、微風化帶、未風化帶),英國《場地勘察實施規范》(BS5930,1981)和澳大利亞《場地勘察勘察標準》(AS1726,1981)等皆采納這一方法。

我國的巖石風化程度劃分,早期采用三分法。

《建筑地基基礎設計規范》(GB7-89)根據堅固性將巖石分為硬質與軟質,根據風化程度分為微風化、中等風化和強風化。劃分依據主要是外觀特性與裂隙間距這量化數據,并與將中、微風化巖石地基承載力設計值與風化程度和巖石抗壓強度掛鉤(微風化巖折減系宜為0.2-0.33、中等風化0.17-0.25)。這一標準在老一輩土木工作者記憶深遠。記得長沙九龍倉項目在國家超限委員會評審中,有專家一再強調軟質巖石的承載力不應超過2000kPa。

《巖土工程勘察規范》(GB50021-94)可以說是我國推行巖土工程體制的里程碑之一,它不僅拓寬了“勘察”的內容和深度,更明確了巖土工程服務于建設的全過程這是思想。在巖石風化程度的劃分上,更是與國際接軌,采用五分法。首先按巖石強度分類,即以新鮮巖塊的飽和抗壓強度為軟質巖石與硬質巖石的分界標準,將巖石分為極硬、次硬、次軟和極軟四個檔次。然后再進行風化程度分類,按硬質巖石與軟質巖石分別提出了壓縮波速度、波速比和風化系數3個風化程度參數指標范圍值。有經驗的地區亦可以使用點載荷試驗資料劃分巖石的風化程度。花崗巖區采用標準貫入試驗成果。值得說明的是,波速和風化系數的都是參考和借鑒了水電系統的經驗與成果。

GB50021-2001仍采用五分法,考慮到新鮮巖石在現場很難獲取,執行困難。將巖石風化程度分類表(表A.0.3)進行了概化,取消了巖石的堅硬強度分類、取消了壓縮波速度范圍值,且風化系數與波速比全部采用GB50021-94標準中硬質巖石的范圍,按風化程度分類為全風化、強風化、中等風化、微風化、未風化,對應的風化程度參數指標波速比 Kv為0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0;對應的風化系數Kf為<0.4、0.4~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0。至于為什么這樣修改,規范及條文并未說明。

至此,《巖土工程勘察規范》GB50021-2001在下一版(2009年版)也未對風化程度劃分內容進行大的修訂,并幾乎作為國內其它行業同類標準的藍本,如《公路工程地質勘察規范》(JTGC20-2011)、《水運工程巖土工程勘察規范》(JTS133-2013)在巖石風化程度劃分上完全移值了該標準。

當然,也有不盡然者,如:

(1)《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)主要依據野外特征,其測試參數則采用風化巖與新鮮巖的縱波速比作參考。特別地,對碳酸鹽巖溶蝕風化分帶作了獨立的規定。

(2)《港口巖土工程勘察規范》(JTS133-1-2010)分別按硬質巖石與軟質巖石,采用縱波速度與波速風化折減系數、點荷載強度指數與點荷載風化折減系數、確定巖體風化程度。

(3)《工程巖體分級標準》(GB/T50218-2014)在對巖體基本質量劃分時,并未把風化程度作為獨立的分級因素,只是在巖石堅硬程度劃分時作為某一代表性巖石之參考,且僅依據“風化特征”。其理由是風化程度對工程巖體特性的影響,一方面使巖石疏松甚至松散,物理力學性質變壞,另一方面使巖體裂隙增多,這些都已分別在巖石堅硬程度和完整程度中得到反映。

(四)

對比上述幾本標準,對風化程度劃分在野外特征(風化特征)這一定性標準上基本一致,依賴于對巖石結構/構造、礦物成分、色澤、節理裂隙等的觀測與描述。其定量指標則各大有側重,包括壓縮波速度、波速比、風化系數、點荷載強度指數、標準貫入試驗等。

有必要對這些參數進行解讀:

(1)風化系數法kf:風化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強度之比;

(2)波速比KV:風化巖石與新鮮巖石壓縮波速度之比;

(3)點荷載試驗: 點荷載試驗測得的指標 ( I s50 )反映巖石的抗拉強度,它與抗壓強度等指標有很好的對應關系;

(4) 標準貫入試驗: 標準貫入擊數說明土體的阻抗能力,與土的粒度、軟硬、松密、膠結情況有密切關系;

(5)彈性波法: 彈性波的傳播速度隨介質密度的減小而降低,利用彈性波在巖體中傳播速度的變化,可判別巖體的風化程度,定量劃分風化分帶。常用波的試驗方法有反射波法、折射波法和瑞雷波法 (面波法 );

(6) 回彈值:回彈能力是彈性的一種表現,與巖體的強度有一定關系。利用回彈儀對巖體進行測試的讀數變化,可初步估計巖體的抗壓強度,定量劃分巖體風化帶。

 但是,一個問題在大多規范中并未解決,那就是“新鮮巖石”的獲取。GB50021-2001 規范意識到這一點,但又力不能逮,只好大家都心照不宣地選擇性失明。

“新鮮巖石”即未風化巖石,定義好說,“巖質新鮮,巖石結構構造未變,偶見風化痕跡”。但要采用“波速比”、“風化系數”、“點荷載風化折減系數”等參數,無一例外都需要一個背景值,即“新鮮巖石”的縱波速度、“新鮮巖石”的飽和單軸抗壓強度、“新鮮巖石”的點荷載強度指數,得不到“新鮮巖石”,其它參數便成無本之木、無源之水,其結果的可對比性與參照性便大打折扣。


(五)

一直以來,人們并未停止對巖石/體風化程度的研究。

研究者們不僅關注到巖石/顏色、結構、礦物蝕變程度、敲擊巖石聲音等的變化,也注意到巖體裂隙發育程度、巖體完整性變化,同時將巖體風化程度差異與巖體力學性質統一起來,賦予了巖體風化分帶以新的內容。

筆者(2000)曾采用綜合風化系數法對長沙紅層的風化分帶進行過嘗試;李日運(2004)等提出根據巖石中礦物蝕變程度的熟化度指標來定量判別巖石風化度。肖桂榮(2006)利用模糊數學理論來綜合評判巖石的風化度。也有研究者利用地質雷達的波形與頻譜特征進行風化分帶,有利用鉆進過程中的系統監測建立金剛石的能量與地層風化程度的關系等,應該說,對某一類巖石或某一項目都具有很好的效果與指導意義。

但是,話說回來,作為國家或行業標準,如何體現它的普適性,如何讓巖土這門藝術把復雜的問題簡單化,不僅需要我們從業者要“把勘察當學問做”(張在明院士語),還需要從理念上、從手段上、從思路上更新。個人認為,既然“新鮮巖石”在實際工作中可遇不可求,是否可另辟蹊徑?

借重于工程物探技術,重視原位試驗,應該是其中的出發點之一。

至于是否一定要把巖體/石的風化程度與巖體相關設計參數取值等同起來,仁者見仁,愿諸君細思之。

                                                                                                                  2018年11月20日

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我有話說

全部評論(7)

  • nnzero發表于 05月09日 14:09這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 巖土工程師初學者,拜讀學習!
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  • mikesu000218發表于 01月09日 14:27多學習!
  • 好文章,板巖的風化分帶劃分,確實較為困難
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  • hansj發表于 12月15日 09:48這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 鑒于巖體的不均勻性,地質條件的復雜性,分帶線不會是一條直線,但勘察時,鉆孔間幾乎都推測為直線,初勘、詳勘鉆孔位置、間距不同,風化分帶線存在差異(有時差異會很大)是很正常的事。 解決這一問題,1.嚴格按各類勘察規范規定的程序辦,先地質測繪(掌握表面),再物理勘探(普查),再根據前面結果布置鉆孔(驗證、獲取物理力學參數);2.地質工程師加強學習、交流,提高專業修養、達成基本共識。
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  • heshaogyang發表于 12月13日 00:38這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 我記得以前長沙板巖不劃分微風化板巖滴,個人覺得現場風化程度難定,最主要的是巖石性質、力學參數是否真實、準備
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  • huanghanbing發表于 12月03日 16:50祝地質行業越來越好
  • 難為正邪定分界,人類社會所謂的好人壞人(二分法),有嚴格的界線么?風化程度,不管幾分法,都是人為的,自然界有分界線么? 作為一個老地質的基層工作人員,不管在哪個論壇,一見拿勘察報告說事,心里便宜有無盡的悲哀。。。
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  • budehui發表于 11月22日 09:40這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 怎么獲取新鮮巖石這個的確存在操作困難
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  • leopardhai發表于 11月21日 09:25這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 受教了
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彭柏興

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博士高工注冊巖土工程師
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