岩体风化卸荷数值判别

李 雷，王贵军，张 一，王冠霖

黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003

0 引言

风化作用会导致岩石强度和岩体承载力降低、变形模量减小、透水性增强，使岩质边坡的稳定性变差，加速滑坡、崩塌等不良地质现象的形成和发展。岩体风化程度不同，其破碎程度和物理力学性质也不同[1]。为了确定岩体风化对工程建筑的影响，必须查明风化规律和特征，对岩体进行风化程度分级。

岩体卸荷是由于河谷侵蚀下切或人工开挖形成新的临空面，使岩体因应力释放而向临空面方向发生回弹、松弛的现象。其工程地质特征主要表现在卸荷裂隙的产生、岩体结构的松弛，以及由此而产生的物理力学性质的变化。岩体卸荷直接关系到坝肩稳定、边坡稳定、建筑物地基变形和洞室围岩稳定等。岸坡卸荷是岸坡岩体变形破坏和地质灾害发生发展的基础[2]。卸荷带的划分是水利水电工程坝址选址、建基面选择、边坡和地面工程开挖设计的主要依据。

岩体发生风化作用、卸荷作用给水利水电工程建设带来了复杂的地质问题；在深山峡谷、新构造运动强烈、高地应力等地质环境中，这种问题更为突出。因此，判别岩体的风化与卸荷及其等级划分就显得非常重要。

不少学者和部门从岩体的一些特征指标来研究岩体的风化分带。如Deere[3]用岩石质量指标(rock quality designation, RQD)、岩石渗透性对岩浆岩和变质岩风化进行分带；Deere[4]、Merritt[5]用RQD、地震波速对花岗岩体风化进行分级。聂德新等[6]结合国内外有关岩体风化划分中的RQD量值和现场研究获得的不同风化带岩体裂隙间距的指标界线，以及裂隙间距、岩体完整性系数与岩体结构类型的关系，提出了用于岩体风化程度并内含岩体结构的综合分带指标，并对主要代表性指标间的关系作了系统分析和归纳总结。

国内外对岩体卸荷带的形成机制[7-8]、定量划分[9]以及卸荷岩体的工程特征[10]、破坏特征[11]做了大量的研究。如卫宏等[12]运用卸荷岩体的氡异常确定卸荷界线，并为工程实际所采用；任光明等[13]综合考虑国内外卸荷岩体大量实测资料及其特征指标，并结合黄河拉西瓦工程实践，以裂隙开度、裂隙条数、纵波速度、透水系数等指标来探讨岩体卸荷带定量划分问题。

目前，岩体风化、卸荷的判别方法及风化带、卸荷带的划分方法存在以下缺陷：第一，判断岩体发生风化作用还是卸荷作用，主要是通过野外现场人为定性进行，辅以裂隙张开宽度及波速比等简单的定量指标。定性判别会因勘察人员的经验及对评价标准掌握情况的差异得出不同的分带量级，不可避免地存在评价的任意性。第二，在岩体风化带、卸荷带的定量划分方法中，对风化带、卸荷带的界面关系研究较少，未见到定量确定界线的研究。

本文根据岩体风化与卸荷的本质，以岩体的完整性和岩石强度两项参数为基本指标，定量判别岩体风化与卸荷，并定量划分风化带、卸荷带。

1 岩体风化卸荷特征

1.1 风化岩体特征

岩体风化后，颜色会发生不同深度、不同程度的变化，结构发生不同程度的破坏，矿物成分发生不同程度的变化，岩石强度降低，岩体完整性变差。根据岩体的主要地质特征，将风化带分为五级，即全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜。

岩体全风化带主要地质特征为全部变色，光泽消失；岩石的结构完全破坏，已崩解或分解成松散的土状或砂状，有很大的体积变化，但未移动，仍残留原始结构痕迹；除石英颗粒外，其余矿物大部分风化蚀变为次生矿物；锤击有松软感，出现凹坑，矿物手可捏碎，用锹可以挖动。岩体强风化带主要地质特征为大部分变色，只有局部岩块保持原有颜色；岩石的结构大部分已破坏，小部分岩石已分解或崩解成土，大部分岩石呈不连续的骨架或心石，风化裂隙发育，有时含大量次生夹泥；除石英外，长石、云母和铁镁矿物已风化蚀变；锤击哑声，岩石大部分变酥，易碎，用镐撬可以挖动，坚硬部分需爆破。岩体弱风化带分为上带和下带：上带主要地质特征为岩石表面或裂隙面大部分变色，断口色泽较新鲜；岩石原始结构清楚完整，但大多数裂隙已风化，裂隙壁风化剧烈，宽一般5～10 cm，大者可达数十厘米；沿裂隙铁镁矿物氧化锈蚀，长石变得浑浊、模糊不清；锤击哑声，用镐难挖，需用爆破。下带主要地质特征为岩石表面或裂隙面大部分变色，断口色泽新鲜；岩石原始结构清楚完整，沿部分裂隙风化，裂隙壁风化较剧烈，宽一般1～3 cm；沿裂隙铁镁矿物氧化锈蚀，长石变得浑浊、模糊不清；锤击发音较清脆，开挖需用爆破。微风化带主要地质特征为岩石表面或裂隙面有轻微褪色；岩石结构无变化，保持原始完整结构；大部分裂隙闭合或为钙质薄膜充填，仅沿大裂隙有风化蚀变现象，或有锈膜浸染；锤击发音清脆，开挖需用爆破。新鲜带主要地质特征为保持新鲜色泽，仅大的裂隙面偶见褪色；裂隙面紧密，完整或焊接状充填，仅个别裂隙面有锈膜浸染或轻微蚀变；锤击发音清脆，开挖需用爆破。

岩体发生风化作用，岩石强度降低，岩体完整性变差。一般情况下，越靠近地表的岩体风化程度越深，向地下深部风化程度逐渐减弱，直至过渡到未受风化的新鲜岩体。

1.2 卸荷岩体特征

岩体发生卸荷作用，其工程地质特征主要表现为卸荷裂隙的产生、岩体结构的松弛，以及由此而产生的物理力学性质变化。根据岩体发生正常卸荷的松弛情况，可分为强卸荷带和弱卸荷带。强卸荷带的主要地质特征为近岩体浅表部卸荷裂隙发育；裂隙密度较大、贯通性好，呈明显张开，宽度在几厘米至几十厘米之间，充填岩屑、碎块石、植物根须，并可见条带状、团块状次生夹泥，规模较大的卸荷裂隙内部多呈架空状，可见明显的松动或变位错落，裂隙面普遍锈染；雨季沿裂隙多有线状流水或成串滴水；岩体整体松弛。弱卸荷带的主要地质特征为卸荷裂隙较为发育；裂隙张开，其宽度为几毫米，并具有较好的连通性，裂隙内可见岩屑、细脉状或膜状次生夹泥充填，裂隙面轻微锈染；雨季沿裂隙可见串珠状滴水或较强渗水；岩体部分松弛。岩体发生卸荷作用，岩石强度未发生变化，岩体完整性变差。一般情况下，越靠近地表的岩体卸荷程度越深，向岩体深部卸荷程度逐渐减弱，直至过渡到未发生卸荷岩体。

2 岩体风化与卸荷数值判别

声波测试的是线，回弹仪测试的是点。根据岩体风化与卸荷不同的本质，以及岩体不同的风化程度、卸荷程度，测试声波在岩体中的传播速度和岩石的回弹值，对这两项指标进行数值计算分析，进而对岩体风化与卸荷进行数值判别，并进一步定量划分岩体风化带和卸荷带。

2.1 岩体风化与卸荷的判别

2.1.1 纵波速度与回弹值测试

根据野外工程地质勘察环境，利用地质勘察开挖的平硐，由硐口向硐底，即选择岩体由表及里，亦即岩体风化、卸荷由强变弱的方向，在探硐硐壁腰线上每2 m布置一个纵波速度测试点，每0.5 m布置一个回弹值测试区(图1)。

图1 探硐岩体声波回弹测试布置图Fig.1 Plan of P-wave and rebound test in adit rock body

按照布置的纵波速度测试点，用声波仪依次测试纵波在岩体中的传播时间，每两测点之间测读两次，取其平均值计算声波纵波速度：

(1)

式中：vP为声波纵波速度；tP为声波纵波传播时间；l为发射点到接收点的距离。

按照布置的回弹值测试区，使用回弹仪依次对每个测试区测试岩石的回弹值。每个测试区内布置16个回弹值测试点，对于其测得的16个回弹值，舍去3个最大值和3个最小值，然后计算余下回弹值的平均回弹值：

(2)

式中：N为测试区平均回弹值；Ni为测试区内第i个测点的回弹值。

对于所测得的纵波速度和回弹值，分别按照各自数值之间的距离及其相关系数的亲疏程度，将最相近的数值结合在一起，以逐次聚合的方式对纵波速度和回弹值进行分级，并分别绘制硐深与纵波速度和回弹值的关系曲线图。

在岩体纵波速度测试中，有时不可避免地会遇到断层、节理密集带或岩体破碎带，波速会明显降低。因此，不能将这种低波速区简单地判断为风化带或卸荷带。若存在这种低波速区与两侧岩体波速存在显著差异，需要根据纵波速度的变化趋势，对这种异常数据进行特殊对待。

2.1.2 岩体风化与卸荷判别

岩体发生风化作用，岩性相同，风化程度不同，则岩体声波波速不同，岩石回弹值也不同。岩体发生卸荷作用，岩性相同，卸荷程度不同，岩体的声波波速不同，但岩石回弹值相同。

对测得的岩体纵波速度和岩石回弹值进行对比分析，则可以判断岩体是风化还是卸荷。如果在探硐中测出来岩体的纵波速度和回弹值均有等级差，曲线为明显阶梯状，则岩体发生风化作用。如果测出来岩体的纵波速度有等级差，其曲线为明显阶梯状，而回弹值没有等级差，其曲线不存在阶梯状，则岩体发生卸荷作用。

在遇到软岩时，其回弹值较小，不能误认为是风化岩。将其回弹值与大数据库中不同岩性新鲜岩石回弹值进行对比分析，检验两者是否存在显著性差异，据此判断岩体是软岩还是风化岩。

在判断出岩体为风化还是卸荷后，进一步划分岩体风化等级或卸荷等级。

2.2 岩体风化带与卸荷带的划分

分别对测得的一系列岩体的纵波速度和回弹值经过聚类分析分组后，利用玻尔兹曼函数模型进行数值拟合计算分析：

(3)

式中：A1为上一等级均值；A2为下一等级均值；dx为对x的微分；x0为界限值。分别求出回弹值和纵波速度各自每两级之间函数模型中的各参数值。

利用岩石回弹值进行风化带的划分。对于风化岩体，根据拟合回弹值的不同等级，参照拟合纵波速度的等级，从新鲜岩体开始，将岩体依次划分为新鲜、微风化、弱风化(上带、上带)、强风化、全风化。回弹值数值计算中求得x0的值即为各风化带之间的界线位置。

利用岩体纵波速度进行卸荷带的划分。对于卸荷岩体，根据拟合纵波速度的不同等级，将卸荷岩体划分为未卸荷带、弱卸荷带和强卸荷带。纵波速度数值计算求得的x0即为卸荷带之间的界线位置。

3 应用实例

某水电站工程，坝址区地层分布为下白垩统景星组下段K1j1-6、K1j1-7、K1j1-8。岩性主要为灰白色石英砂岩、青灰色钙质细砂岩和紫红色泥钙质粉砂岩。石英砂岩岩体的纵波速度和回弹值列于表1。

3.1 岩体风化与卸荷数值判别

经过聚类分析，纵波速度和回弹值均分为4组。利用玻尔兹曼函数模型式(3)，对纵波速度和回弹值进行数值拟合计算，拟合曲线见图2、图3。从图2和图3中可以明显地看出，岩体纵波速度和岩石回弹值都存在等级差；说明岩体发生了风化作用，而不是卸荷作用。

图2 硐深与岩体纵波速度关系曲线Fig.2 Relation curve between the depth of adit and the P-wave velocity of rock mass

3.2 岩体风化带划分

对于发生风化作用的岩体，根据图2和图3曲线可以看出岩体风化分为4等。从硐内向硐外方向，为新鲜—微风化、弱风化、强风化、全风化。利用玻尔兹曼函数模型拟合计算纵波速度和回弹值的参数见表2、表3。

岩石的回弹值是每0.5 m布置一个测试区，岩体的声波是每2 m布置一个测试点，二者比较，声波测试跨度较大，回弹测试跨度小；以回弹值的x0划分界线较为准确。因此，根据表3，全风化与强风化界线在1.65 m处，强风化与弱风化界线在10.49 m处，弱风化与微风化(新鲜)的界线在30.06 m处。

表1 某水电站工程石砂岩岩体纵波速度与回弹值

图3 硐深与岩石平均回弹值关系曲线Fig.3 Relation curve between the depth of adit and the average rebound value of rock

表2岩体纵波速度玻尔兹曼函数参数表

Table2TableofBoltzmannfunctionparameterforP-wavevelocityofrockmass

风化程度A1A2x0dx全风化与强风化701.001 139.673.890.08强风化与弱风化1 120.002 823.4411.820.08弱风化与微风化(新鲜)2 808.204 464.4431.850.07

表3岩石回弹值玻尔兹曼函数参数表

Table3TableofBoltzmannfunctionparameterforreboundvalueofrock

风化程度A1A2x0dx全风化与强风化7.7720.671.650.21强风化与弱风化20.5332.4110.490.01弱风化与微风化(新鲜)32.3346.8230.060.02

现场人为划分的结果为，全风化带底线在1.5 m处，强风化带底线在10 m处，弱风化带底线在30 m处。计算结果与人为划分结果基本一致。因此，本文提出的数值判别方法是可行的。

4 结论

1)利用声波在岩体中的传播速度及岩石的回弹值，定量判别岩体发生风化作用还是卸荷作用，可以避免定性判别所带来的人为差异性和随意性。

2)利用玻尔兹曼数学模型，可以客观有效地完成对风化岩体的分带和卸荷岩体的分带，定量评价工程地质问题。

3)利用岩体纵波速度和岩石的回弹值这两项指标，判别岩体风化与卸荷及其发育程度划分，影响因素少。

4)本文提出的岩体风化卸荷数值判别方法对工作环境条件要求不高，操作简易，可以在现场较快地获得工程建筑地区岩体的定量资料。