钻探岩芯分级Hoek-Brown准则GSI在边坡工程中的应用

高和斌

(中国铁道科学研究院，北京100081)

钻探岩芯分级Hoek-Brown准则GSI在边坡工程中的应用

高和斌

(中国铁道科学研究院，北京100081)

在广义Hoek-Brown强度准则中，地质强度指标(GSI)是一个重要的参数，其主要是根据岩体结构特征，查表取得。在工程应用时，该参数缺乏定量化依据，其取值主观性较强，误差较大。本文基于高速公路边坡工程钻探岩芯的定量化指标对边坡岩体结构类型进行了分级，并提出边坡岩体结构类型的线性定量化指标——岩体结构率，通过建立边坡钻探岩芯与岩体结构率之间的关系，即可通过查表获取GSI的值。该量化方法可以直接利用工程钻探的岩芯数据通过广义Hoek-Brown强度准则计算出边坡工程的岩体强度参数，并可有效地对边坡工程进行数值化分析。

Hoek-Brown强度准则;岩体结构类型;地质强度指标;岩芯量化分级;边坡工程稳定性分析

在岩质边坡工程稳定性分析中，岩体强度参数是数值分析的依据和关键。影响岩体强度的因素很多，广义Hoek-Brown强度准则正是从研究岩体结构特点等因素出发［1-3］，通过总结大量的工程实践和相关试验成果，以经验公式的形式建立岩体强度准则及其强度参数评估与确定方法，对于岩质边坡稳定分析与计算具有重要的理论意义和实用价值。

广义Hoek-Brown强度准则的主要控制性参数为地质强度指标(Geological Strength Index，GSI)、岩体抗压强度指标σci、岩体材料常数mi。地质强度指标的确定，主要依据岩体结构和岩体结构面情况，对比Hoek提供的评值表格确定。从其评值情况看，确定GSI时人为性较强，缺乏定量计算标准，增加了岩体强度评估的误差。为此Sonmez等［4-5］、韩凤山［6］针对岩体质量评价主观性较强的缺点，提出了GSI的修正方法，由单位体积的岩体节理数Jv(节理数/m3)来判断对应的GSI。

对于边坡工程，在岩体勘察阶段，很难确定单位体积内节理条数，且坡体开挖后揭露为平面空间，对于立体空间内节理数的确定，仍需要谨慎处理。目前，钻探是我国高速公路路堑边坡工程勘察的主要手段。本文基于对钻探岩芯的定量化分析，建立了适用于路堑边坡的GSI定量化表格以满足公路工程的建设需要。

1 广义Hoek-Brown强度准则理论

Hoek分析了地下工程的开挖过程，在总结和修正的Griffith理论基础上，提出岩石经验破坏准则，即Hoek-Brown强度准则。考虑岩体质量评价系统的局限性，重新提出了GSI的评价方法，并在2002年提出广义强度准则公式［7］。

2 GSI的定量化研究

2.1 岩体块度指数

岩石质量指标(Rock Quality Designation，RQD)是用来表示岩体良好度的一种方法。在此基础上，胡卸文等［8］借鉴刘克远等提出的岩体块度系数概念，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287—99)［9］中对岩体结构的分类标准，提出了岩体块度指数(Rockmass Block Index，RBI)的定义，即在平硐或钻孔中将实测岩芯长度按3～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～100 cm和＞100 cm的岩芯获得率作为权值，与各相应系数乘积的累计值，即

式中:Cr3，Cr10，Cr30，Cr50，Cr100分别为岩芯长度3～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～100 cm和＞100 cm的岩芯获得率，以百分数表示，视为权值;3，10，30，50，100为常数。

岩体块度指数RBI可以作为岩体块度大小及其结构类型的综合指标，能反映组成岩体的块度(尺寸)大小及其相互组合关系，RBI能很好地作为RQD的改进和补充，见表1。

表1 岩石结构类型及其岩体块度指数RBI

2.2 岩体结构率

根据岩体块度指数(RBI)分类，将岩体分为散体结构、破碎结构、镶嵌结构、冰块状结构、块状结构和整体状结构。其各结构类型的分类方法与Hoek关于岩体结构分类相同(Hoek分为层状结构、散体结构、破碎结构、镶嵌结构、块状结构和整体结构)。据此，将二者建立联系，以Hoek分类为准，即在RBI分类中将冰块状结构与块状结构合并为块状结构(由于层状结构其分类与RBI分类不同，故在确定GSI时单独考虑)。

采用RBI评价指标定量化确定其岩体类型见表2。

表2 RBI取值

在GSI取值表中，为便于评价结构类型，本文定义岩体结构率(Rock-mass Structure Rating，RSR)，其取值范围为0～100，线性分布。即散体结构下限为0，整体状结构为100，均分其值。结合Sonmez等人的研究成果，均分5类岩体结构的RSR取值见表3。

表3 RSR取值

RSR由RBI计算得到，统计分析表2与表3的函数关系为

该函数的一致性指标为0.992。

统计关系曲线如图1所示。

图1 RBI-RSR统计关系曲线

2.3 结构面条件率

采用Hoek-Brown强度准则，GSI取值由2种条件确定，即岩体结构类型和结构面条件。对结构面条件，本文借鉴Sonmez等［4］1999年研究成果，定义结构面条件率(Surface Condition Rating，SCR)，由下面参数确定

式中:Rr，Rw，Rf分别指结构面的粗糙率、地下水影响率和裂隙填充率。取值采用评分标准，如表4所示。

表4 SCR取值

2.4 地质强度指标(GSI)定量化

综合RSR与SCR评价，定量化计算GSI，取值参考图2。对比Hoek-Brown强度准则参数GSI评价表格，不考虑层状岩体参数评价。

图2节理岩体地质强度指标定量化GSI取值

图2 为量化后GSI取值表格，横轴为结构面条件率SCR，取值为0～18。纵轴为岩体结构面率RSR，取值为0～100。

3 工程应用研究

3.1 工程概况

以福建省泉三高速公路YK201+830—YK201+ 980右侧路堑高边坡为典型工程实例，利用Hoek-Brown强度准则，对该岩质路堑边坡各阶段所处的稳定状态进行评价［10-12］。

该边坡地形属低山丘陵地貌类型，边坡走向与原自然斜坡走向基本垂直(边坡线路走向339°)。山上植被发育，自然斜坡体稳定。边坡地层为上覆坡残积黏性土:主体为二迭系翠屏山组强风化粉砂岩，组织结构基本破坏，原生矿物均已风化呈砂土状，雨水易软化、崩解。碎块状强风化层:节理裂隙发育，层理不清，锤击易碎，矿物成分风化明显。下伏为弱风化粉砂岩:岩质较新鲜，中厚层状，裂隙较发育。

3.2 岩芯定量化分析

坡体稳定性评价选择坡体中部K201+950断面上2个钻孔对RBI进行确定。选取2个钻孔分别位于坡顶(CK1)及坡体中部(CK2)。根据钻孔揭露情况，利用RBI确定岩体强度指标GSI。

图3为CK1钻孔岩芯样本，孔深32 m，根据钻孔岩芯显示:0～1.2 m段为坡残积黏性土，岩芯松散破碎，手捏即碎;1.2～10 m段为砂土状强风化粉砂岩，岩性部分呈柱状，敲击易碎，夹碎石，岩芯中间含泥质夹层;10～32 m段为碎块状强风化粉砂岩，碎块状，中部岩芯呈红褐色，下部呈灰白色，地质锤敲击岩芯碎裂。

图3 CK1钻孔岩芯样本

依据RBI要求对CK1岩芯进行量测，由于坡体岩性破碎，且无＞30 cm的岩芯，将其分为＜3 cm，3～10 cm，10～30 cm 3个层次进行统计。数据详见表5。

表5 CK1钻孔岩芯评价RBI及RSR

图4为CK2钻孔岩芯样本，孔深24 m，钻孔位于坡体中部。根据钻孔岩芯显示:0～4.1 m段为砂土状强风化粉砂岩，岩体呈黄色，岩芯破碎，含少量柱状岩芯，手捏即碎;4.1～13 m段为碎块状强风化粉砂岩，呈灰白色，岩芯破碎，含少量柱状岩性，敲击碎裂;13～24 m段为弱风化粉砂岩，呈黑色，岩性呈柱状，地质锤敲击可碎裂。

图4 CK2钻孔岩芯样本

依据RBI确定标准对CK2岩芯进行量测，详细数据见表6。

表6 CK2钻孔岩芯评价RBI及RSR值

3.3 岩体参数选择及稳定性评价

综合钻孔CK1，CK2计算出的2组数据，取其平均值进行坡体稳定性分析。砂土状强风化粉砂岩RSR为14，碎块状强风化粉砂岩RSR为23.5;依据岩芯揭露结构面情况，综合钻孔CK1和CK2结构面状态，砂土状强风化粉砂岩风化严重为软岩，裂隙＞5 mm，结构面光滑，岩芯中等潮湿，故SCR约为3，查图2对应GSI为17;碎块状强风化粉砂岩岩体风化为软岩，裂隙＜5 mm，结构面较粗超，岩芯交潮湿，SCR约为5，查图2对应GSI为25。

根据岩芯及岩体试验，砂土状粉砂岩参数σci取为5 MPa，由于粉砂岩岩体风化严重，mi取为6，边坡岩体质量较差，坡体开挖扰动系数D取0.3;碎块状强风化粉砂岩试样参数σci取为10 MPa，风化相对较好，mi取为7，岩体扰动系数D取0.5;弱风化粉砂岩参数σci取为25 MPa，弱风化粉砂岩mi取为9，开挖层未至该层，其扰动由回弹松弛影响，D取0.5。

结合该评价结果确定边坡岩土体物理力学参数，并利用Phase2［9］模拟开挖过程并分析边坡稳定状态。计算中根据坡体实际平台数，每一级坡面为一步计算过程，共分5步(第1步计算自然边坡应力状态)，计算稳定系数为1.37，满足现行规范要求，可判定边坡当前处于安全状态。

4 结论

1)目前公路边坡工程的工程地质勘查主要以钻探为主要手段，利用岩芯分级的定量化分析能有效利用Hoek-Brown强度准则，为其在公路工程建设中提供了有效的方法。

2)利用Hoek-Brown强度评价岩体强度，其适用于节理较为发育的相对均质体岩体强度的评价，对岩质路堑边坡稳定性评价能满足工程要求。

3)根据现场地质评价指标，反算岩体强度参数与工程实际较为符合，现场评价指标能满足工程分析要求。

4)对岩石路堑边坡的稳定性评价，其破坏失稳往往由结构面等因素控制，采用常规计算手段缺乏合理考虑。Hoek-Browm评价岩体强度参数考虑岩体结构面的因素分析，通过参数评价处理结构面效应等问题，能满足边坡稳定状态分析。

5)本文GSI的分级不能满足层状岩体的工程地质条件，对于该类地层，可通过层状岩体的岩土参数，通过主控结构面的岩体强度对其进行稳定性分析。

6)主控结构面(或滑坡、已变形破坏的工程边坡)对路堑边坡稳定性的影响，可以利用节理单元或建立实体单元对顺倾向节理、层理或软弱夹层产生的不利影响进行模拟，能够得到较好的评价结果。

［1］HOEK E，BROWN E T．Underground Excavation in Rock［M］．London:Institution of Mining and Metallurgy，1980．

［2］HOEK E．Practical Rock Engineering［M］．Canada:Evert Hoek Consulting Engineer Inc．，2006．

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［4］HOEK E，CARRANZA-TORRES C，CORKUM B．Hoek-Brown Failure Criterion-2002 Edition［C］//Proceedings of the Fifth North American Rock Mechanics Symposium．Canada:Toronto，2002:1-8．

［5］SONMEZ H，ULUSAY R．Modifications to the Geological Strength Index(GSI)and Their Applicability to Stability of Slopes［J］．International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，1999，36(6):743-760．

［6］SONMEZ H，ULUSAY R．A Discussion on the Hoek-Brown Failure Criterion and Suggested Modifications to the Criterion Verified by Slope Stability Case Studies［J］．Bulletin of Earth Sciences Application and Research Centre of Hacettepe University，2002，26:77-99．

［7］韩凤山．大体积节理化岩体强度与力学参数［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(5):777-780．

［8］胡卸文，钟沛林，任志刚．岩体块度指数及其工程意义［J］．水利学报，2002(3):80-83．

［9］国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部．GB 50287—99水利水电工程地质勘察规范［S］．北京:中国计划出版社，1999．

［10］黄磊，罗书学，李龙起，等．高土质边坡稳定性主控因素研究［J］．铁道建筑，2014(7):99-102．

［11］刘克远．高坝地基岩体稳定性评价及可利用标准的研究［J］．水利发电，1991(9):63-67．

［12］张倬元，王士天，五兰生．工程地质分析原理［M］．北京:地质出版社，1994．

GSI(Geological Strength Index)Based on Hoek-Brown Criterion for Classification of Drilling Rock Core Applied to Rock Slope Engineering

GAO Hebin
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In GeneralizedHoek-Brownstrengthcriterion，geological strengthindex(GSI)is animportant parameter，which is generally obtained via tables based on the rock mass structural characteristics of the ground．Due to lack of quantitative analysis of GSI in engineering application，the error is significant when the parameter is assessed with strong subjective judgment．T he rock mass structure types of slope were classified based on quantitative index of drilling rock core of highway slope engineering．T he linear quantitative index rock mass structure rating of slope rock mass structure was proposed by establishing the relationship between drilling rock core and rock mass structure rating，GSI value could be derived directly from tables．Based on the quantitative method，drilling core data could be utilized directly to calculate rock mass strength parameter by applying generalized Hoke-Brown strength criterion，which could be used in the subsequent numerical analysis of slope engineering．

Hoek-Brownstrengthcriterion;Rockmassstructuretype;Geologicalstrengthindex;Core quantification and classification;Slope stability analysis

TU457

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．20

1003-1995(2016)12-0072-05

(责任审编赵其文)

2016-05-27;

2016-09-16

高和斌(1977—)，男，高级工程师，博士研究生。