岩石边坡工程课程---工程岩体分类(C5)

1 引言

工程岩体分类[Engineering Rock Mass Classification]本质上是一种经验设计方法, 尽管最近10年研究者们试图开发新的分析技术和建模工具(例如合成岩体SRM), 以取代使用经验性的工程岩体分类系统来评估断裂岩体的力学特性, 解决在大型露天矿和地下块体崩落法开采中遇到的岩石稳定性问题, 但迄今为止, 在实践的岩石工程中, 仍然代替不了工程岩体分类系统. 这节课简要总结了世界范围内广泛使用的工程岩体分类系统. 

2 目的

在详细讨论各种工程岩体分类系统之前, 首先思考一下工程岩体分类的目的. 总的来说, 工程岩体分类为了达到以下目的:

(1) 为工程地质学家和工程师建立一个相互通讯的桥梁. 任何工程岩体分类系统都是建立在详细的工程地质调查基础之上的, 工程师的设计极大地依赖于工程地质学家提供的地质资料.

(2) 确定岩体稳定性最重要的影响因素. 在一个工程项目中, 不同区域的岩体性质表现各异, 通过工程岩体分类, 可以确定出影响岩体稳定性的关键因素.

(3) 把岩体划分为相似的组, 工程师针对不同的组进行设计.

(4) 工程类比. 工程岩体分类的一个直接目的是进行工程类比, 岩体分类提供了一种可以客观评价的甚至可以借鉴的通用标准.

(5) 使用工程岩体分类进行经验设计, 决定顶板的自稳时间以及决定是否需要支护.

(6) 为工程设计和数值分析推导定量的岩体参数, 例如岩体强度和变形模量, 我们将在C6的课程中详细介绍.

3 发展历史

工程岩体分类最早是由Terzaghi提出，他于 1946 年在隧道钢结构的支护设计时 , 最早提出了岩石载荷分类系统 (rock load classification system). 尽管这个系统是描述性的, 不像后来发展的RMR和Q-System是数值化的, 但为后来工程岩体分类的发展提出了方向性的思路.  真正第一个定量评价工程岩体的分类指标是RQD. 在此基础上, 过去50年许多岩石工程研究者相继发展出许多不同的分类系统, 这些分类方法大都是基于地下采矿和隧道工程的支护设计.

4 主要的分类系统

总的来说, 无论是已经发展出来的分类系统还是计划开发的新分类系统, 一个好的分类系统应该至少考虑以下这些因素: (1) 原岩强度和原岩应力; (2) 节理性质; (3) 地下水. 鉴于时间关系和流行程度, 本次课程只讨论四种工程岩体分类方法：RQD，RMR, Q-System和GSI.

4.1 RQD

Deere’s RQD (Rock Quality Designation)是现代工程岩体分类的基石, 尽管后来在此基础上发展了Q-System, RMR, GSI等先进的岩体分类方法，但RQD方法仍然在实践中被广泛使用，特别在北美的岩石工程界。RQD对20世纪岩石力学的发展产生了决定性的影响。 

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Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part I)

Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part II)

估算RQD的算法和规则

4.2 RMR

Bieniawski的RMR考虑了完整岩石强度, RQD, 节理间距, 节理状态,地下水以及节理方向, 是1970年代到1990年代之间最广泛使用的工程岩体分类方法, 本次课程主要强调了这种分类. 

4.3 Q-System

Barton的Q分类方法主要应用于地下开挖, 本次课程没有作为重点, 仅提及而已[Q-System岩石块体尺寸的估算(RQD/Jn)]. 不过近年来, Barton等人也发展了使用于边坡工程的Q系统,参看[边坡工程岩体分类系统Q-slope]. 

4.4 GSI

Hoek的GSI是目前最广泛使用的工程岩体分类系统. 参看下面的链接:

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IMASS---FLAC3D和3DEC新的本构模型(3)

岩体变形模量的估算---Python实现

Hoek的岩体变形模量经验估计---Is it reliable ?

5 分类方法之间的关系

Bieniawski 建立了RMR与Q之间的关系, 如下图所示.  

而Hoek 则建立了RMR, Q和GSI之间的关系用来表示岩体质量指标与岩体强度及变形模量之间的定量关系，参看[工程岩体分类的简要回顾]。

6 结束语

事实上, 还有许多优秀的工程岩体分类系统, 例如在自然崩落法中广泛应用的MRMR分类系统和空场采矿法中广泛应用的Mathew方法, 以及RMS系统[工程岩体分类RMS(Rock Mass Strength)]和RMi系统[岩体强度计算: RMi---Rock Mass index], 限于时间关系, 不再赘述. 此外, SSGeotech数据集目前共有65,000篇论文, 主要集中在采矿岩石力学和岩石边坡稳定性领域.