自贡地区运用量化指标划分风化带问题的探讨

郭新元， 罗 杰, 叶 勇, 孙 銮

(成都华阳建筑股份有限公司，四川成都 610213)

在工程建设过程中，岩体风化问题的研究是岩土专业工作者多年来一直进行探讨的工程地质问题之一。岩体的风化是一个渐近、连续的变化过程，即从表部的全、强风化至深部的弱风化、微风化、新鲜岩体。岩体风化表现为岩石的松弛、裂隙的增多，岩体风化程度的变化可以表征岩石物理力学性质的变化、岩体中裂隙发育程度的变化(浅表生裂隙造成)、岩体结构的变化、岩体力学参数的变化，因此，对岩体进行风化分带具有重要的理论和工程意义。

本文根据目前国内外岩体风化问题的研究成果和自贡地区实际工程资料，简要分析了目前国内外岩体风化问题的研究现状，基于自贡某在建工地实际勘查结果，探讨应用定量指标划分岩体风化带的问题，这为岩体风化定量化评价提供了实际参考，具有显著的实际应用意义。

1 岩体风化带划分研究现状

国内外按风化程度对风化岩的分带一般划分为4～6个带，一般依据行业标准及建筑类型、规模的不同而不同。国际岩石力学协会实验室和现场标准委员会(ISRM，1979)和我国的GB50021-2001《岩土工程勘察规范(2009年版)》将风化岩分为残积土带及全、强、中等、微、未风化6个带。

就岩体风化带划分方法来看，早期以定性判断为主，在20世纪60年代之前，主要以岩石的颜色、矿物的光泽、岩石结构的变化及破碎情况、锤击声、开挖方法的难易程度、手捏强度等加以判断。不难看出，定性划分容易造成岩体风化带划分的不确定性和人为性，很难反映岩体风化的本质，随着工程规模变大，这种定性评价难以适应大型建设项目的需要[1-4]。

20世纪60年代以来，随着研究的深入，在岩体风化分带中，逐渐引入了一些定量指标如纵波速度、波速比、风化系数等来对岩体进行定性与定量相结合的分带，如《工程地质手册》(第五版，2018)在原有的考虑岩石组织结构、矿物成分变化程度、坚硬程度以及可控掘性或可钻性等的基础上，同时给出了波速比、风化系数等定量指标对岩体进行风化分带。

近些年来，基于风化作用对表生岩体的改造作用，很多学者提出利用岩石变形强度指标(变形模量、点荷载强度、单轴抗压强度、回弹值等)、岩体结构指标(结构面间距、体积节理数)等对风化带划分的方法[5-7]，这些对实际工程风化带划分更具有实际参考意义。

2 风化带划分量化指标选取

岩体由岩石、结构面及其赋存环境组成，与此相对应，表征岩体风化程度的指标可大致分为三种。

(1)表征岩石风化程度的指标，风化指数WI、空隙度n与岩石密度ρ等。

(2)表征结构面风化程度的指标，风化裂隙与卸荷裂隙的条数、迹长、宽度(或开度)、间距，结构面充填胶结状况以及夹泥成因等。

(3)既表征岩石风化程度、又表征结构面风化程度及岩体赋存环境。如地应力场、渗流场、温度场的综合指标、弹性波的传播速度(纵波Vp、横波Vs)、岩体模量(动、静弹模、变模)、岩体完整性系数Kv等。

经验表明，表征岩体风化程度的各个指标之间总是存在着一定的对应关系或者相互关联。因为对于同一地区同一岩性相同级别风化程度的岩体而言，其物理力学性能及强度、变形性能总是相互接近或者趋于一致，也即表征岩体风化程度的任何一个单一指标应当处在某个有限的变化区间之内，在风化程度相近的条件下，经过大量的统计工作，考察、对比、分析这些单个指标之间存在的内在联系，就会发现它们彼此之间并非孤立存在，而是息息相关。

岩石质量指标(RQD)与完整性系数(Kv)间的关系岩石质量指标与完整性系数间的关系，前人作了较多的研究。Dearman，A.H.Merritt等指出了不同风化岩带与RQD的对应关系。聂德新等[8]根据大量的实测资料，进一步研究了玄武岩Kv和RQD的关系，获得较好的相关性:

Kv=0.0036+0.0111×RQD-0.0001×

(RQD)2+0.000001×(RQD)3，r=0.9978

式中：Kv为岩体的完整性系数；RQD为岩石质量指标；r为相关系数。

根据自贡地区岩石风化特点及工程实际情况，选取岩石质量指标(RQD)、完整性系数(Kv)、纵波波速(Vp)作为代表性特征指标。

之所以选择纵波速Vp，原因有:

(1)国内外多以波速比Kv或纵波速度Vp作为岩体不同风化带划分的定量指标。

(2)紧扣国家颁布的GB50021-2001(2009年版)《岩土工程勘察规范》，该规范关于岩体风化一节中明确规定波速比为不同风化带的量化指标。

(3)纵波速度Vp可综合揭示岩体因风化作用而引起的不完整、不均一、不连续性以及岩石本身的力学性质变化。

(4)自贡地区某场地通过试验获取了大量详实的弹性波速。

3 自贡地区岩体风化带划分

通过详细地质勘察，根据钻孔数据，将场地表土层下岩石层分为2-1砂质泥岩、2-2砂质泥岩、3-1砂岩三层，此三层岩石在研究场地内广泛分布。

3.1 用RQD指标确定划分岩体风化带

岩石质量指标RQD在一定程度上反映了岩体的完整程度，也是在实际工程中比较容易获得的指标，是数据比较可靠的指标之一，在实际中也应用较多。通过对自贡地区的岩体参数的研究，结合前人研究成果[9-12]，获得的岩体风化程度与岩石质量指标RQD值的对应关系如表1所示。

表1 岩体风化程度与岩石质量指标RQD对应关系

3.2 用波速比Kv指标划分岩体风化带

波速比的划分标准按照规范GB50021-2001 (2009年版)《岩土工程勘察规范》附录A.0.3要求确定，具体要求如表2所示。

3.3 岩体纵波波速(Vp)

自20世纪70年代以来，对岩体的风化评价引入了较多岩石测试指标。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W.R.Dearman用RQD、地震波速对岩体进行风化分级。这些都使岩体纵波波速(Vp)、波速比作为定量指标划分岩体风化带的研究大大向前迈进了一步[9]。岩体的纵波波速反映了岩体介质的密度、岩体的破碎程度和紧密性。笔者对研究区域区的勘探钻孔的声波测井资料，按不同风化程度进行分类整理，其结果如表3所示。

3.4 其他辅助判别参数

本场地在详细地勘过程中，做了大量岩石力学试验，得到岩体模量(动、静弹模、变形模量)、单轴抗压强度等试验数据，根据分层划分将数据分类如表4[13]。

表2 岩体风化程度与波速比Kv对应关系

表3 研究场地波速测试结果

表4 岩体力学性能

4 综合划分结果

根据前文描述，依据GB50021-2001(2009年版)《岩土工程勘察规范》、前文的量化指标、钻孔情况及试验数据，将场地内主要三个岩层风化程度确定如表5所示。

砂质泥岩层在本场地中主要的岩土层之一。在前期地勘过程中，根据地勘钻孔描述，场地内砂质泥岩宏观上呈现自上而下风化程度逐渐减弱的趋势，并且局部地段各风化带还呈互层情况。

在实际基坑开挖过程中发现，各风化带的划分只是相对的，各风化带之间风化程度往往呈逐渐过渡，实际并无明确的分界线，上文风化带的划分符合岩土层实际风化情况，且在基坑东部出现风化带互层情况，与上文划分情况一致。风化带的准确划分对于实际施工机械调动安排提供了准确信息，提前安排相应施工工艺及机械，对于提高施工效率产生了积极影响。

5 结论

(1)本文从现场勘察及资料分析，结合本工程场地的特点，着重研究了其岩体的声学特性(纵波波速、波速比)、岩体的质量指标RQD和岩石力学性质。通过现场实际统计资料以及较深入的研究、分析，综合确定了岩体风化分带界线的量化指标，从而方便、准确地划分了工程场区岩体的风化程度，同时表征了岩体的结构、质量优劣等特征。

表5 研究区域风化带划分结果

(2)选择了RQD值、纵波波速、波速比3个指标作为岩体风化界限划分的量化指标。这三者沿钻孔深度的变化具有很好的一致性，可以作为风化分带的量化指标，且操作方便。通过此3个量化指标对研究场地的风化界限进行了划分，结果与现场有经验的岩土工程师定性划分基本一致，此3个指标作为自贡地区风化分带的量化指标具有实用价值。

(3)同时岩体模量(动、静弹模、变形模量)、单轴抗压强度试验结果也验证了此划分的正确性，由于这些指标有很好的相关性和对应性，在现场可以用多个指标对岩体风化进行综合分带。若不能同时取得多个指标，仅取得1～2项指标，结合实际调查，也能较正确地划分出岩体的风化带。

(4)风化带的定量划分为实际施工提供了正确信息，有助于提高施工作业效率，经济效益也得到提高，对实际施工产生了积极影响。