话说风化程度—岩土感悟(35)

2018-11-20 16:31  来源:中国岩土网  阅读:913
岩石风化程度的划分是岩土工程勘察的常课,它似乎不像岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本质量等级的划分那样严格依据于某定量指标。实际工作中多依据野外特征,鲜有参考风化程度参数指标者,故不同单位、同一单位不同技术人员、同一技术在不同项目甚至同一项目不同阶段,面对同一工作对象其结果各不相同,这固然与钻探施工,试验的偶然误差不无关系,但是否也有更深层次的原因呢?

(一)

不久前,参加长沙轨道交通6号线一期工程某车站基坑围护结构设计评审,对其勘察成果颇感兴趣,原文摘录如下:

“强风化板岩:暗紫红色、褐黄色,局部灰绿色,变余泥(砂)质结构,板状构造,节理裂隙极发育,岩芯破碎,多呈块状及碎块状,局部呈短柱状,岩芯采取率为70~78%,锤击易碎,冲击无法钻进,回转钻进容易,为软岩,局部为极软岩,岩体完整性指数为0.16-0.18,岩体破碎,RQD=0,岩石质量极差,岩体基本质量等级为Ⅴ类。

中风化板岩:灰绿色,青灰色,变余泥(砂)质结构,板状构造,节理裂隙发育,岩芯呈柱状、短柱状及块状,岩芯采取率为80~98%,为较硬岩,局部为软岩及较软岩,RQD值12~96,岩石质量整体较差,局部差,岩体完整性指数为0.36~0.39,岩体较破碎,岩体基本质量等级整体为Ⅳ类。”

主要岩土参数概括如下:

强风化板岩:天然、干燥、饱和三种状态的岩石单轴抗压强度标准值分别为4.95MPa、9.69MPa、4.43MPa;黏聚力60kPa、内摩擦角28度;承载力特征值400 kPa、桩端极限摩阻力180 kPa、桩端极限端阻力2000 kPa;锚固体极限摩阻力标准值120 kPa、地基土水平抗力系数的比例系数165 MN/m4;

中风化板岩:天然、干燥、饱和三种状态的单轴抗压强度标准值分别为28.08MPa、34.18MPa、27.66MPa;黏聚力200kPa、内摩擦角33度;承载力特征值1500 kPa、桩端极限摩阻力400 kPa、桩端极限端阻力5000 kPa;锚固体极限摩阻力标准值240 kPa、地基土水平抗力系数的比例系数300 MN/m4。

这份详勘报告在岩土描述、参数取值及风化分带与本地既有经验出入不少。只是该报告已通过前期专家和相关机构评审,不好再作赘述。

但,在不久后参加的某重大变更设计评审中,我发现,因为风化程度的划分问题给设计者带来的困惑,给工程建设所带来的影响,引起了我的思考。

其中一项是“….详勘较初勘发生变化(换乘节点以东段初勘揭露有强、中风化岩层在详勘报告中为中、微风化板岩),该范围内的围护结构由地连墙调整为排桩,……此项方案调整减少费用约XXX万元”。

另一项是“由于详勘较初勘变化,中风化岩面标高由15.10m变为22.30m,隧道 拱顶加固深度由约XXm优化为XXm,此项方案变更减少费用约XX万元”。

需说明的是这两项变更不是同一工点,也不是同一勘察单位。但,同一工点的初勘与详勘为同一勘察单位完成。

为何出现如此大的误差?根源在哪?

(二)

一定程度上讲,从事岩土工程的都是与岩石打交道。岩土工作者面对的各色土体无不是岩石经历各种自然营力与人类改造的结果。这也体现了哲学上物质不灭的观点。

众所周知,岩石是天然形成的单一或多种矿物的集合体。按其成因分岩浆岩、沉积岩与变质岩。三类岩石在一定条件下又可以相互转换(图1、图2)。

                           图片未命名

图1 

图片未命名 

图2

岩体是赋存于一定的地质环境中,由各类结构面和被其切割的岩石结构体所构成的地质体。在风化营力作用下,其结构、成分和性质已产生不同程度变化而称之为风化岩,完全风化而未经搬运者称为残积土。

风化作用不仅产生大量风化裂隙,破坏原岩结构构造,还会改变原岩矿物成分、产生蚀变矿物,从而改变原岩物理、力学和水理性质,大大降低原岩强度,导致岩体工程性质恶化,风化岩的分带研究对工程建设十分重要。

在进行岩土工程勘察时,应鉴定岩石的地质名称和风化程度,并进行岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本质量等级的划分。这是勘察工作者经常要做的功课。

对岩石定名,有区域资料可借鉴,有岩矿鉴定为依据,坚硬程度、岩体完整性、岩体基本质量等级规范给出了相应了定量指标,唯有风化程度规范在附录中野外特征与风化程度参数并举,在实际使用中,造成了较大的混乱,在工程实践中影响殊深。

(三)

岩体 (或岩石 )风化带的研究是一个较老的课题,许多专家学者对此进行了不同程度的研究,研究手段以定性到半定量为主,常用方法有地质划分法和工程划分法。

在研究过程中,人们从历史和发展的角度来重新认识岩体的风化带划分,既尊重以往“风化分带”在工程地质评价中所起的作用,又客观地揭示风化分带存在的问题,不断地采用新的量化“指标”来表征岩体风化程度的强弱,力图使岩体风化分带既能表征岩石物质成分发生变异程度,又能反映风化作用对岩体结构、工程特性的影响程度。代表性的风化分带方法有:

(1)国际工程地质协会工程地质制图委员会(IAEC,1981)的五带法,即全风化带(包括残积土)、强风化带、中等风化带、微风化带、未风化带(新鲜岩石);

(2)国际岩石力学协会实验室和现场标准委员会(ISRM,1979)的六分法(残积土、全风化带、强风化带、中等风化带、微风化带、未风化带),英国《场地勘察实施规范》(BS5930,1981)和澳大利亚《场地勘察勘察标准》(AS1726,1981)等皆采纳这一方法。

我国的岩石风化程度划分,早期采用三分法。

《建筑地基基础设计规范》(GB7-89)根据坚固性将岩石分为硬质与软质,根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。划分依据主要是外观特性与裂隙间距这量化数据,并与将中、微风化岩石地基承载力设计值与风化程度和岩石抗压强度挂钩(微风化岩折减系宜为0.2-0.33、中等风化0.17-0.25)。这一标准在老一辈土木工作者记忆深远。记得长沙九龙仓项目在国家超限委员会评审中,有专家一再强调软质岩石的承载力不应超过2000kPa。

《岩土工程勘察规范》(GB50021-94)可以说是我国推行岩土工程体制的里程碑之一,它不仅拓宽了“勘察”的内容和深度,更明确了岩土工程服务于建设的全过程这是思想。在岩石风化程度的划分上,更是与国际接轨,采用五分法。首先按岩石强度分类,即以新鲜岩块的饱和抗压强度为软质岩石与硬质岩石的分界标准,将岩石分为极硬、次硬、次软和极软四个档次。然后再进行风化程度分类,按硬质岩石与软质岩石分别提出了压缩波速度、波速比和风化系数3个风化程度参数指标范围值。有经验的地区亦可以使用点载荷试验资料划分岩石的风化程度。花岗岩区采用标准贯入试验成果。值得说明的是,波速和风化系数的都是参考和借鉴了水电系统的经验与成果。

GB50021-2001仍采用五分法,考虑到新鲜岩石在现场很难获取,执行困难。将岩石风化程度分类表(表A.0.3)进行了概化,取消了岩石的坚硬强度分类、取消了压缩波速度范围值,且风化系数与波速比全部采用GB50021-94标准中硬质岩石的范围,按风化程度分类为全风化、强风化、中等风化、微风化、未风化,对应的风化程度参数指标波速比 Kv为0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0;对应的风化系数Kf为<0.4、0.4~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0。至于为什么这样修改,规范及条文并未说明。

至此,《岩土工程勘察规范》GB50021-2001在下一版(2009年版)也未对风化程度划分内容进行大的修订,并几乎作为国内其它行业同类标准的蓝本,如《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011)、《水运工程岩土工程勘察规范》(JTS133-2013)在岩石风化程度划分上完全移值了该标准。

当然,也有不尽然者,如:

(1)《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)主要依据野外特征,其测试参数则采用风化岩与新鲜岩的纵波速比作参考。特别地,对碳酸盐岩溶蚀风化分带作了独立的规定。

(2)《港口岩土工程勘察规范》(JTS133-1-2010)分别按硬质岩石与软质岩石,采用纵波速度与波速风化折减系数、点荷载强度指数与点荷载风化折减系数、确定岩体风化程度。

(3)《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)在对岩体基本质量划分时,并未把风化程度作为独立的分级因素,只是在岩石坚硬程度划分时作为某一代表性岩石之参考,且仅依据“风化特征”。其理由是风化程度对工程岩体特性的影响,一方面使岩石疏松甚至松散,物理力学性质变坏,另一方面使岩体裂隙增多,这些都已分别在岩石坚硬程度和完整程度中得到反映。

(四)

对比上述几本标准,对风化程度划分在野外特征(风化特征)这一定性标准上基本一致,依赖于对岩石结构/构造、矿物成分、色泽、节理裂隙等的观测与描述。其定量指标则各大有侧重,包括压缩波速度、波速比、风化系数、点荷载强度指数、标准贯入试验等。

有必要对这些参数进行解读:

(1)风化系数法kf:风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比;

(2)波速比KV:风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比;

(3)点荷载试验: 点荷载试验测得的指标 ( I s50 )反映岩石的抗拉强度,它与抗压强度等指标有很好的对应关系;

(4) 标准贯入试验: 标准贯入击数说明土体的阻抗能力,与土的粒度、软硬、松密、胶结情况有密切关系;

(5)弹性波法: 弹性波的传播速度随介质密度的减小而降低,利用弹性波在岩体中传播速度的变化,可判别岩体的风化程度,定量划分风化分带。常用波的试验方法有反射波法、折射波法和瑞雷波法 (面波法 );

(6) 回弹值:回弹能力是弹性的一种表现,与岩体的强度有一定关系。利用回弹仪对岩体进行测试的读数变化,可初步估计岩体的抗压强度,定量划分岩体风化带。

 但是,一个问题在大多规范中并未解决,那就是“新鲜岩石”的获取。GB50021-2001 规范意识到这一点,但又力不能逮,只好大家都心照不宣地选择性失明。

“新鲜岩石”即未风化岩石,定义好说,“岩质新鲜,岩石结构构造未变,偶见风化痕迹”。但要采用“波速比”、“风化系数”、“点荷载风化折减系数”等参数,无一例外都需要一个背景值,即“新鲜岩石”的纵波速度、“新鲜岩石”的饱和单轴抗压强度、“新鲜岩石”的点荷载强度指数,得不到“新鲜岩石”,其它参数便成无本之木、无源之水,其结果的可对比性与参照性便大打折扣。


(五)

一直以来,人们并未停止对岩石/体风化程度的研究。

研究者们不仅关注到岩石/颜色、结构、矿物蚀变程度、敲击岩石声音等的变化,也注意到岩体裂隙发育程度、岩体完整性变化,同时将岩体风化程度差异与岩体力学性质统一起来,赋予了岩体风化分带以新的内容。

笔者(2000)曾采用综合风化系数法对长沙红层的风化分带进行过尝试;李日运(2004)等提出根据岩石中矿物蚀变程度的熟化度指标来定量判别岩石风化度。肖桂荣(2006)利用模糊数学理论来综合评判岩石的风化度。也有研究者利用地质雷达的波形与频谱特征进行风化分带,有利用钻进过程中的系统监测建立金刚石的能量与地层风化程度的关系等,应该说,对某一类岩石或某一项目都具有很好的效果与指导意义。

但是,话说回来,作为国家或行业标准,如何体现它的普适性,如何让岩土这门艺术把复杂的问题简单化,不仅需要我们从业者要“把勘察当学问做”(张在明院士语),还需要从理念上、从手段上、从思路上更新。个人认为,既然“新鲜岩石”在实际工作中可遇不可求,是否可另辟蹊径?

借重于工程物探技术,重视原位试验,应该是其中的出发点之一。

至于是否一定要把岩体/石的风化程度与岩体相关设计参数取值等同起来,仁者见仁,愿诸君细思之。

                                                                                                                  2018年11月20日

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我有话说

全部评论(3)

  • huanghanbing发表于 12月03日 16:50祝地质行业越来越好
  • 难为正邪定分界,人类社会所谓的好人坏人(二分法),有严格的界线么?风化程度,不管几分法,都是人为的,自然界有分界线么? 作为一个老地质的基层工作人员,不管在哪个论坛,一见拿勘察报告说事,心里便宜有无尽的悲哀。。。
点评:
  • budehui发表于 11月22日 09:40这家伙很懒,没有个性签名!
  • 怎么获取新鲜岩石这个的确存在操作困难
点评:
  • leopardhai发表于 11月21日 09:25这家伙很懒,没有个性签名!
  • 受教了
点评:

彭柏兴

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博士高工注册岩土工程师
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