CN103823038A - 一种裂隙岩体工程稳定性分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂隙岩体工程稳定性分级方法，首先开展工程地质调查和室内岩石力学试验，然后进行块体化程度解算，包括初步整理结构面数据，确定表征单元体尺寸以及建立裂隙岩体数学模型，进而根据具体工程各项指标的情况，对照取值标准直接进行评分取值，最后根据各指标对裂隙岩体工程稳定性的影响程度，确定岩体块体化程度、岩石单轴抗压强度、节理条件、地下水条件四项指标来确定裂隙岩体工程稳定性的等级。本发明从三维空间上描述裂隙岩体的完整性，更加客观真实地反映裂隙岩体工程稳定性，与传统方法相比，能够有效减少靠钻孔获取ROQ值所消耗的大量资金和时间。

Description

一种裂隙岩体工程稳定性分级方法

技术领域

本发明涉及一种岩体质量评价分级方法，尤其是裂隙岩体工程稳定性分级方法。

背景技术

由于组成岩体的岩石性质、组织结构不同，以及岩体中结构面发育情况差异，致使岩体力学性质相当复杂，因此，对岩体稳定性及质量进行合理有效的分级，一直是矿山工程设计与施工的重点和难点。为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和稳定性上的差别，需要对岩体做出合理有效地分类，为工程结构参数选择、安全生产管理以及经济效益评价提供依据。

目前，国内外常用的工程岩体分级（分类）方法有许多种，如RQD法、Q法、RMR法等。RQD法是笛尔（Deer）于1964年提出的。它是根据钻探时的岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体进行分类。即将长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石指标RQD。依据岩芯质量指标大小，将岩体分为很差、差、一般、好、很好5类。

Q法是挪威岩土工程研究所的巴顿（Barton）等人于1974年提出的一种分类方法。它综合了RQD、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等六个方面的因素，用一个算式计算岩体综合质量指标Q,即：

式中： 

为岩石质量指标；

为节理组数；

为节理粗糙系数；

为节理蚀变系数；

为节理水折减系数；

为应力折减系数。

RMR法是有南非科学和工业研究委员会提出的。它是由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5种指标组成。分类时，各种指标的数值按相应的标准评分，求和得总分RMR值，然后按一定的规定对总分作适当的修正，将岩体分为五类。

上述几种分类方法虽然能够对一定的岩体进行量衡，并在一些工程应用中取得了较为广泛的应用。但这几种量衡方法均是从一维角度对岩体结构进行描述，难以准确反映岩体三维空间上受结构面的切割情况，特别是对多结构面切割的裂隙岩体而言，情况更为复杂，上述方法对岩体完整性程度描述不够真实客观，且靠钻孔的办法获取RQD要耗费大量的资金和时间。

近几年国内专利数据库公开了一些相关的工程岩体衡量技术：

例如：专利文献【申请号】CN201210592783.8，公开(公告)号【CN103065051A】公开了“一种对岩体自动进行分级分区的方法”，其涉及矿山开采技术领域，包括：准备原始数据，基于该原始数据创建约束岩体模型；在约束岩体模型基础上建立块段模型，分析块段模型中的指标分布规律，生成变异函数，选择指标估值方法；创建搜索椭球体，根据指标估值方法建立估值参数；基于估值参数及变异函数，利用选择的指标估值方法对指标进行估值，确定岩石质量等级；根据岩石质量分级结果，按块段模型对处于不同范围的小方块设置不同的颜色,该发明在分级过程中需要创建搜索椭球体，分级方法比较复杂，消耗资金大，花费时间长。

例如：专利文献【申请号】CN201010298379.0，公开(公告)号【CN101936008A】公开了“岩体边坡三维模型及块体滑落分析方法”，其属于岩土工程、矿山开采、道路工程、水利工程等岩体工程的实体结构空间建模建立和分析领域。按如下步骤进行：步骤一、获取工程岩体现场结构原始数据；步骤二、工程岩体原始数据的处理与提取；步骤三、构建工程岩体模型；步骤四、识别块体及稳定性分析；步骤五、结果显示；虽然该方法实现了工程岩质边坡的空间模型建立，关键块体的识别，但是未给出评价岩体稳定性的标准以及评价的指标，因此，该方法不能快速地评价岩体的稳定性及质量，花费时间长。

因此，采用更加科学的方法对工程岩体进行有效合理有效的分级，通过分级区分出岩体质量的好坏和稳定性上的差别，对于工程结构参数选择、安全生产管理以及经济效益评价有着重要的意义。本发明是利用块体化程度理论从三维空间上对裂隙岩体工程的稳定性进行分级，块体化程度理论是在一定条件下裂隙切割岩体能形成块体的基本条件下提出的。该理论以块体百分比作为评价岩体块体化程度的指标；用块体百分比结合块体体积曲线中的分度值d10、d30、d60将岩体划分为四类：非块状岩体，轻度块状化岩体，中度块状化岩体及块状化岩体，其能够较真实客观地描述岩体的完整性。

发明内容

本发明的目的是在于克服传统上岩体稳定性分级方法对裂隙岩体的完整性描述不够真实客观的问题，提供一种获取RQD时消耗资金少和花费时间短，及稳定性分级对安全管理指导作用可靠性高的裂隙岩体工程稳定性分级方法。

为了达到上述目的，本发明裂隙岩体工程稳定性分级方法步骤如下：

一、工程地质调查和室内岩石力学试验：采用精细网法对裂隙岩体进行工程地质调查，全面掌握结构面的空间位置、大小、方向、形状，节理条件以及地下水条件等参数，并开展室内岩石力学试验测定岩块的单轴抗压强度。

二、块体化程度解算，包括：

1）初步整理结构面数据，首先运用地质数据的几何学和统计学分析软件对结构面调查数据进行分组后，然后用表格处理软件对各分组数据进行统计计算，确定各组结构面的具体参数，掌握结构面的分布规律。

2）确定表征单元体尺寸，如果从统计角度去确定岩体表征单元体尺寸太小，会导致结果随机性大，统计规律易失真，又因为受到计算机能力的限制，所以确定岩体表征单元体尺寸时又不能太大；从块体化程度角度去确定岩体表征单元体尺寸时，大多数裂隙岩体的表征单元体大小在4—12倍裂隙间距之间，没有大小超过12倍裂隙间距的表征单元体，因此，本发明采用块体化程度角度的方法确定岩体的表征单元体尺寸，确定出裂隙岩体的表征单元体大小在4—12倍的裂隙间距之间。

3）建立裂隙岩体数学模型，首先将处理的结构面相关参数及选定的表征单元体尺寸输入到块体识别与解算软件软件中，计算裂隙在岩体表面上的迹线；然后进行裂隙筛选、块体识别及其体积计算，建立裂隙岩体数学模型；最后检查块体识别与分析结果，识别出所有块体及其体积，利用表格处理软件对块体体积数据进行处理并绘图，分析计算可得到块体体积与块体的百分比B₁。

三、确定各项指标的评分值，根据具体工程各项指标的情况，对照取值标准直接进行评分取值，各项指标评分值向量U=(u ₁, u ₂, u ₃, u ₄)，u _i 为第i项指标评分值，其中各项指标的评分值取值方法如下：

1）岩体块体化程度B₁的评分值u ₁取值公式为：u ₁=100(1-B ₁)，其中B₁为块体百分比。

2）岩石单轴抗压强度B₂的评分值u ₂取值，岩石单轴抗压强度大于200MPa时，评分值（u ₂）取100；岩石单轴抗压强度在100~200MPa之间时，评分值（u ₂）取70；岩石单轴抗压强度在50~100MPa之间时，评分值（u ₂）取40；岩石单轴抗压强度在10~500MPa之间时，评分值（u ₂）取10；岩石单轴抗压强度小于10MPa时，评分值（u ₂）取0。

3）节理条件B₃的评分值u ₃取值，当节理面粗糙，不连续，闭合，力学性质高时，评分值（u ₃）取100；当节理面稍粗糙，张开度<1mm，节理面岩石坚硬时，评分值（u ₃）取70；当节理面波状光滑，张开度<1mm，中等连续性，含较硬的充填物时，评分值（u ₃）取40；当节理面平直光滑或含厚度<5mm的软弱夹层，张开度1~5mm，节理连续时，评分值（u ₃）取10；含当厚度>5mm的软弱夹层，节理连续时，评分值（u ₃）取0。

4）地下水条件B₄的评分值u ₄取值，当地质地下水条件为干燥时，评分值（u ₄）取100；当地质地下水条件为潮湿时，评分值（u ₄）取70；当地质地下水条件为渗水时，评分值（u ₄）取40；当地质地下水条件为滴水时，评分值（u ₄）取10；当地质地下水条件为流（涌）水时，评分值（u ₄）取0。

综上所述，各项指标的评分值取值标准如下表1。

表1  各指标取值表

四、确定裂隙岩体工程稳定性的等级：根据各指标对裂隙岩体工程稳定性的影响程度，确定岩体块体化程度、岩石单轴抗压强度、节理条件、地下水条件四项指标对目标的权重向量为W=(w ₁,w ₂,w ₃,w ₄)=(0.4, 0.15, 0.3, 0.15)，按照F= U*W ^T 公式计算出裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值，将得到的总评分值与裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准表对照，得到裂隙岩体工程稳定性等级，该裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准是：当裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值总评分值为75~100时，分级等级为Ⅰ级，极稳定；总评分值为50~75时，分级等级为Ⅱ级，中等稳定；总评分值为25~50时，分级等级为Ⅲ级，不稳定；总评分值为0~25时，分级等级为Ⅳ级，极不稳定。那么，裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准如下表2：

表2 裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准表

所述步骤三在确定各项指标的分值时，当同一指标存在多种情况时，首先按照各种情况出现的比例加权平均计算后确定指标的取值，然后再对照各项指标取值标准直接进行评分取值；所述步骤三各项指标的评分值取值方法中，采用百分制确定评分值，首先将各个指标进行等级划分，然后依据各等级的优劣程度，对裂隙岩体工程稳定性越有利评分值越高，最有利的的等级取100分，最不利的等级取0分。

本发明裂隙岩体工程稳定性分级方法与现有技术相比具有良好的技术效果：

1、可从三维空间上描述裂隙岩体的完整性。

2、能够更加客观真实地反映裂隙岩体工程的稳定性，为安全管理提供更为可靠的科学依据。

3、与传统方法相比，能够有效减少靠钻孔获取ROQ值所消耗的大量资金和时间。

具体实施方式

本实施例以国内某矿山部分矿段为试验区作为实例进行说明，具体实现过程如下：

一、工程地质调查和室内岩石力学试验

（1）选取某矿山的一部分矿段，采用精细网法对该矿段的裂隙岩体进行工程地质调查，根据调查结果测出结构面的空间位置、大小、方向、形状，节理条件以及地下水条件等参数。

（2）任意选取八块岩块，开展岩石力学试验测定八块岩块的单轴抗压强度，然后取八块岩块的平均值，即可得到岩块单轴抗压强度。

经上述步骤测出：该矿段的岩块单轴抗压强度为81MPa；岩体质量指标RQD为28.7%；节理间距为8.7cm；节理条件：节理宽度大部分为0.1cm，平面光滑和光滑波状，中等连续；地下水条件为干燥。

二、块体化程度解算

（1）结构面数据初步整理，首先运用地质数据的几何学和统计学分析软件对结构面调查数据进行分组后，然后用表格处理软件对各分组数据进行统计计算，确定各组结构面的具体参数，掌握结构面的分布规律：试验区结构面按倾向可分为四组，分别为1组10°~20°，2组30°~40°，3组280°~290°，4组300°~310°，其中1组和2组为优势组，倾角集中在45°~65°。整理数据得出，结构面力学性质总体呈压性；间距为很密级别，迹长以中等连续性为主，隙宽为裂开级别，粗糙度以平直光滑和光滑波状为主，结构面干燥。

（2）表征单元体尺寸确定，如果从统计角度去确定岩体表征单元体尺寸太小，会导致结果随机性大，统计规律易失真，又因为受到计算机能力的限制，所以确定岩体表征单元体尺寸时又不能太大；从块体化程度角度去确定岩体表征单元体尺寸时，大多数裂隙岩体的表征单元体大小在4—12倍裂隙间距之间，没有大小超过12倍裂隙间距的表征单元体，因此，本发明采用块体化程度角度的方法确定岩体的表征单元体尺寸，选取4m

4m

4m尺寸的表征单元体。

（3）裂隙岩体数学模型的建立，首先将处理的结构面相关参数及选定的表征单元体尺寸输入到块体识别与解算软件中，计算裂隙在岩体表面上的迹线；然后进行裂隙筛选、块体识别及其计算，得到所建立的裂隙岩体数学模型；最后检查块体识别与结果分析，识别出所有块体及其体积，利用表格处理软件对体积数据进行处理并绘图，分析可得到体积曲线与块体百分比B₁为62.25%。

综上所述，该段岩体的各项指标情况为：

三、确定各指标的分值，根据具体工程各项指标的情况，对照各指标取值表直接进行评分取值，即：

（1）该岩体块体化程度B₁的评分值u ₁为：u ₁=100(1-B ₁)=100（1-62.25%）。

（2）该岩块单轴抗压强度B₂为81MPa，对照各指标取值标准得岩石单轴抗压强度B₂的评分值u ₂为40。

（3）该岩体节理间距为8.7cm；节理条件：节理宽度大部分为0.1cm，平面光滑和光滑波状，中等连续，对照各指标取值标准得节理条件B₃的评分值u ₃取值为40。

（4）该岩体地下水条件B₄干燥，那么对照各指标取值标准得地下水条件B₄的评分值u ₄为100。

综上所述，该岩体的各项指标分值向量U=(u ₁, u ₂, u ₃, u ₄)=（37.8,40,40,100）。

四、确定裂隙岩体工程稳定性的等级：根据各指标对裂隙岩体工程稳定性的影响程度，确定岩体块体化程度、岩石抗压强度、节理条件、地下水条件四项指标对目标的权重向量为W=(w ₁,w ₂,w ₃,w ₄)=(0.4, 0.15, 0.3, 0.15)，按照F= U*W ^T 公式计算出裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值：

F =U*W ^T  =F =(u ₁,u ₂,u ₃,u ₄)*(w ₁,w ₂,w ₃,w ₄) ^T

                 =u ₁ *w ₁+u ₂ *w ₂+u ₃ *w ₃+u ₄ *w ₄

                =37.8*0.4+40*0.15 +40*0.3 +100*0.15

                 =15.12+6+12+15

        =48.12

由上述得裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值F=48.12, 将得到的总评分值与裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准表对照，得到该试验区的稳定性级别为III级，则该段的裂隙岩体工程不稳定，即该段围岩较坚硬，但结构面发育，岩体较破碎；或完整较好，围岩较软弱；结构面条件较差；开挖空间形成后形成较多不稳定块体，或者出现严重变形，自稳能力差，若无支护或支护强度达不到要求，受地下水、风化作用等不利影响较大，在采动或爆破震动作用下，局部位置将出现一定规模的冒顶塌方现象，需要采取有针对性支护措施。

Claims (3)

1.一种裂隙岩体工程稳定性分级方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）工程地质调查和室内岩石力学试验：采用精细网法对裂隙岩体进行工程地质调查，全面掌握结构面的空间位置、大小、方向、形状，节理条件以及地下水条件等参数，并开展室内岩石力学试验测定岩块的单轴抗压强度；

（2）块体化程度解算：

a）初步整理结构面数据，首先运用地质数据的几何学和统计学分析软件对结构面调查数据进行分组后，然后用表格处理软件软件对各分组数据进行统计计算，确定各组结构面的具体参数，掌握结构面的分布规律；

b）确定表征单元体尺寸，采用块体化程度角度的方法确定岩体的表征单元体尺寸，确定出裂隙岩体的表征单元体大小在4—12倍的裂隙间距之间；

c）建立裂隙岩体数学模型，首先将处理的结构面相关参数及选定的表征单元体尺寸输入到块体识别与解算软件中，计算裂隙在岩体表面上的迹线；然后进行裂隙筛选、块体识别及其体积计算，建立裂隙岩体数学模型；最后检查块体识别与分析结果，识别出所有块体及其体积，利用表格处理软件对块体体积数据进行处理并绘图，分析计算可得到块体体积与块体的百分比B₁；

（3）确定各项指标的评分值：根据具体工程各项指标的情况，对照取值标准直接进行评分取值，各项指标评分值向量U=(u ₁, u ₂, u ₃, u ₄)，u _i 为第i项指标评分值，其中各项指标的评分值取值方法如下：

d）岩体块体化程度B₁的评分值u ₁取值公式为：u ₁=100(1-B ₁)，其中B₁为块体百分比；

e）岩石单轴抗压强度B₂的评分值u ₂取值，岩石单轴抗压强度大于200MPa时，评分值（u ₂）取100；岩石单轴抗压强度在100~200MPa之间时，评分值（u ₂）取70；岩石单轴抗压强度在50~100MPa之间时，评分值（u ₂）取40；岩石单轴抗压强度在10~500MPa之间时，评分值（u ₂）取10；岩石单轴抗压强度小于10MPa时，评分值（u ₂）取0；

f）节理条件B₃的评分值u ₃取值，当节理面粗糙，不连续，闭合，力学性质高时，评分值（u ₃）取100；当节理面稍粗糙，张开度<1mm，节理面岩石坚硬时，评分值（u ₃）取70；当节理面波状光滑，张开度<1mm，中等连续性，含较硬的充填物时，评分值（u ₃）取40；当节理面平直光滑或含厚度<5mm的软弱夹层，张开度1~5mm，节理连续时，评分值（u ₃）取10；含当厚度>5mm的软弱夹层，节理连续时，评分值（u ₃）取0；

g）地下水条件B₄的评分值u ₄取值，当地质地下水条件为干燥时，评分值（u ₄）取100；当地质地下水条件为潮湿时，评分值（u ₄）取70；当地质地下水条件为渗水时，评分值（u ₄）取40；当地质地下水条件为滴水时，评分值（u ₄）取10；当地质地下水条件为流（涌）水时，评分值（u ₄）取0；

（4）确定裂隙岩体工程稳定性的等级：根据各指标对裂隙岩体工程稳定性的影响程度，确定岩体块体化程度、岩石单轴抗压强度、节理条件、地下水条件四项指标对目标的权重向量为W=(w ₁,w ₂,w ₃,w ₄)=(0.4, 0.15, 0.3, 0.15)，按照F= U*W ^T 公式计算出裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值，将得到的总评分值与裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准表对照，得到裂隙岩体工程稳定性等级，该裂隙岩体工程稳定性分级方法评价标准是：当裂隙岩体工程稳定性分级方法的总评分值总评分值为75~100时，分级等级为Ⅰ级，极稳定；总评分值为50~75时，分级等级为Ⅱ级，中等稳定；总评分值为25~50时，分级等级为Ⅲ级，不稳定；总评分值为0~25时，分级等级为Ⅳ级，极不稳定。

2.根据权利要求1所述的裂隙岩体工程稳定性分级方法，其特征在于：所述步骤（3）在确定各项指标的分值时，当同一指标存在多种情况时，首先按照各种情况出现的比例加权平均计算后确定指标的取值，然后再对照各项指标取值标准直接进行评分取值。

3.根据权利要求1所述的裂隙岩体工程稳定性分级方法，其特征在于：所述步骤（3）各项指标的评分值取值方法中，采用百分制确定评分值，首先将各个指标进行等级划分，然后依据各等级的优劣程度，对裂隙岩体工程稳定性越有利评分值越高，最有利的的等级取100分，最不利的等级取0分。