The Study of the Properties and Classifications of Rock Masses in Enshi District, Hubei Province, China

论文摘要

本文主要对中国鄂西恩施地区岩体的特性及其工程分类进行系统研究。工作区地理坐标处北纬29°50′至30°39′，东经为109°04′至109°58′，包括恩施市，建始县，鹤峰县，咸丰县，来凤县和宣恩县，共计面积6500 km2。湖北省鄂西恩施地区地处鄂西南褶皱山地，属云贵高原的东延部分，是滑坡灾害频发地区，给人民生命财产安全带来了巨大的损失。研究区按照高程可分为三个带：东北部和西南部地势较高（1550m），西北部和东南部地势稍低（800-1300m），中部为河流盆地（500m）。后者区带是影响当地居民生命财产安全的滑坡区。研究区交通较便利，有即将建成的穿越崇山峻岭的沪蓉西高速公路和宜昌—万州铁路与外界连接，也可从武汉乘飞机到达（大约45分钟）。本项研究包括野外工作和室内试验两部分。野外工作包括工程地质调查、岩石类别鉴别、岩体节理测量与调查、施密特锤试验、滑坡体的主滑方向判定、现场点荷载试验和岩体取样（24处）等。室内试验分别在天然和饱和两种条件下开展，主要包括，岩石切片及岩矿鉴定；比重试验；含水率试验；点荷载试验；直剪试验；单轴抗压试验；三轴抗压试验和声波测试。根据现场勘测调查揭示的结果，研究区的主要岩性为砂岩、灰岩、粉砂岩、白云岩、泥岩、页岩和硅质砂岩等沉积岩。有少量变质岩，包括大理岩和石英岩。从地质构造上而言，研究区有褶皱、断层、节理和破碎带等。正是基于上述原因，形成了不同形态和产状类型的地层。在野外调查中进行了节理测量、风化程度、岩组分界等方面的研究。岩体中的裂隙主要有闭合，张开，泥质充填类型，也有在岩体破碎处形成空洞。节理间距描述的涵盖范围从紧密（＜0．02 m）到张开（＞6 m）。研究区的岩体节理连续性主要以低至中等连续性为主，高连续性者很少。低至中等连续性节理的岩体主要受到滑移运动的影响。节理面的方位可以用赤平投影方法绘图来确定。从结构上而言，研究区根据立体投影可以分为两类：一类是多数地层中存在的两组结构面；另一类是相对独立的两至三组结构面。在岩体开挖工程中，前一类形成了平衡态的块体，而后者导致了不同的块体类型。根据岩体质量指标（RQD），其数值为77．79-98．41％范围内的岩体质量为好至极好类别。在描述岩体块径质量（BSQ）时，将岩体质量指标RQD和节理组数（RQD／Jn）作为分类指标，其中绝大部分块体为中等至好的块径。根据单体岩体体积内的节理（结构面）数目的计算和建议的岩体块径指标，大部分块径（16个样品）属于中等块径，其他属于小块径类型。在根据单位体积结构面数目（Jv）和节理间距的计算，结果与实际情况较一致。根据岩石切片的岩矿鉴定结果表明研究区的大部分测试样品主要为灰岩、白云质灰岩、混合粉砂岩、夹页岩砂岩和石英砂岩。根据点荷载试验的结果，岩石变形可以分为以下几类：有五个岩组（包括巴东组）划分为较差的类别；薄层灰岩和嘉陵江组灰岩划分为中等的类别；奥陶系灰岩划分为较好的类别；最后，侏罗系灰岩划分为极好的类别。实际上，绝大多数岩体已受暴雨和原先存在的软弱面影响而强度降低。密度试验的结果表明超过80％的测试岩体样本的密度均大于工程规范中规定的临界值2．5g/cm3。因为研究区有线路工程建设，所以这些岩体材料可以用作建筑材料。含水率试验结果表明完整岩块呈现低含水率的特点（0．001～0．025％），反映出只有岩石表面会受到暴雨作用的影响。在目前的研究中，单轴抗压强度的结果可以从以下两种途径获取：基于UCS(σci)的岩石强度分类和基于模量比Et／σci的岩石工程分类。应用UCS(σci)的岩石强度分类时，分别在天然和饱和状态下进行试验，其结果差异明显。分类级别越低，其数值越低，同时不同岩组类别的测试结果也有差异。因此，在降雨过程中，岩体的稳定性系数会降低，而发生滑坡的可能性会增加。对于基于模量比Et／σci的岩石工程分类，基本上与上述结果相同。类似地，基于中国标准的饱和岩石UCS分类方法表明大多数岩石很坚硬（有8个岩组）；一般坚硬和软弱的岩组有3个；只有白垩系岩组非常软弱（砂岩）。三轴试验的结果表明天然状态和饱和状态下岩石样本间的差别主要存在于最大主应力，拉应力和抗剪强度（C和φ）等力学指标。完整的灰岩具有高强度的特征，故可以作为良好的基础持力层和建材粗骨料。采用动力分析方法来确定岩石的杨氏模量，其测试值高于静态测试方法。但是该方法可以与静态测试方法联合使用。不同岩组类别的岩石抗剪强度试验的结果表明：天然状态下岩石抗剪强度的粘聚力C值从大到小依次为：龙马溪组，罗惹坪组，纱帽组，大冶组，嘉陵江组，巴东组；饱和状态下岩石抗剪强度的粘聚力C值从大到小依次为：纱帽组，龙马溪组，罗惹坪组，巴东组。至于内摩擦角φ，除了嘉陵江组（其φ值高于其他组别）外其变化规律与C类似。天然状态下的嘉陵江组岩石和饱和状态下的巴东组岩石具有高法向应变。法向应变对于峰值剪应力具有显著的影响，法向应变越高，抗剪强度越高。纱帽组的砂岩和巴东组的灰岩的试验结果比较稳定。在干燥和饱和状态条件下灰岩密度的比值高达0．9703，表明灰岩只能吸收少量的水分。此外，这意味着灰岩只有在常时间暴雨的条件下才会风化。UCS试验中干燥和天然状态之间的关系用R2来表示二者之间的相关性，结果表明完整灰岩的性质在短期地下水的作用下只是受到轻微影响。根据研究区大量砂岩和灰岩样品的P波测试和UCS试验的结果，在天然状态和饱和状态下可以建立良好的相关性关系。研究区的岩体分类基于岩石质量指标（RQD），岩体地质力学分类系统（RMR），地质强度指标分类法（GSI）。根据RMR方法分类，研究区可以将岩体分为两类，质量好和质量一般两类，但绝大多数为质量好的类别，然而如果用巴顿岩体质量体系（Q）分类方法可以分为四类：极好，好（占大多数），一般，差。如果按照地质强度指标分类法（GSI）分类，岩体分为极好至中等一差。对比这三种分类体系（Q体系法，RMR法和GSI法），其分类结果较为一致。至于Q体系法和RMR法的相关性可以在后续研究中开展。根据本文的研究结果，GSI分类方法在初步评价和Hoek-Brown准则应用中非常有用。基于Hoek-Brown屈服准则开发的RockLab软件，在确定岩体强度参数方面的应用效果比较好。根据RockLab软件计算的17个岩组的结果，包括Hoek-Brown准则（mb，s，a），Mohr-Coulomb强度准则（粘聚力和内摩擦角）和岩体特性（拉应力，UCS和变形模量），可以根据不同参数建立相关关系。本项研究的主要结论为，研究区大多数岩体具有多节理、褶皱和断层的特征，暴雨是导致岩体滑动的主要因素之一，完整的灰岩可以作为粗骨料建材和建筑石材。在本文研究工作的基础上，可以根据天壤状态下和饱和状态下的单轴抗压强度和P波测试的结果建立相关关系式。在下一步的研究中，建议从岩相和化学分析研究方面重点研究岩体受暴雨的影响。研究成果将为今后研究岩体变形和地质力学特性奠定基础。对于建筑材料，对于缺乏天然建材的地区，一些试验结果可以为完整岩石的工程应用和性能提供依据。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• CHAPTER ONE:INTRODUCTION
• §1.1 Introduction
• §1.2 Literature review
• §1.3 Statement of the problem
• §1.4 Objectives and innovations
• §1.5 Methods of the study
• 1.5.1 Field work
• 1.5.2 Laboratory tests
• CHAPTER TWO:LOCATION AND GEOLOGY
• §2.1 Introduction
• §2.2 Location and physiography
• 2.2.1 Location and accessibility
• 2.2.2 Population
• 2.2.3 Topography
• 2.2.4 Climate, hydrology and vegetation
• §2.3 The geological setting in the study area
• 2.3.1 Cenozoic
• 2.3.2 Mesozoic
• 2.3.3 Upper Paleozoic（Ancient Health Care）
• 2.3.4 Palaeozoic deposits
• §2.4 Geological structure
• §2.5 Hydrogeological characteristics
• §2.6 The current situation of the geologic hazard
• §2.7 Summary
• CHAPTER THREE:THE EXISTING ROCK MASS CLASSIFICATION SYSTEMS
• §3.1 Introduction
• §3.2 Engineering rock mass classification
• 3.2.1 Terzaghi rock mass classification
• 3.2.2 Stand-up time classification
• 3.2.3 Rock quality designation（RQD）
• 3.2.4 Rock structure rating（RSR）
• §3.3 Numerical classification systems
• 3.3.1 Rock mass rating system（RMR）
• 3.3.2 Q-system
• §3.4 Chinese rock mass classification
• §3.5 The NATM
• §3.6 Summary
• CHAPTER FOUR:FIELD OBSERVATIONS
• §4.1 Introduction
• §4.2 Localities descriptions
• 1J）'>4.2.1.Locality 1 （T₁J）
• 2b¹）'>4.2.2.Locality 2 （T₂b¹）
• 4.2.3.Locality 3 （KE）
• 4.2.4.Locality 4 （J）
• 2b³）'>4.2.5.Locality 5 （T₂b³）
• 2lr）'>4.2.6.Locality 6 （S₂lr）
• 3S）'>4.2.7.Locality 7 （S₃S）
• 4.2.8.Locality 8 （T2b4）
• 4.2.9.Locality 9 （D）
• 1ln）'>4.2.10.Locality 10 and 11 （S₁ln）
• 2）'>4.2.11.Locality 12 （P₂）
• 4.2.12.Locality 13 （E）
• 4.2.13.Locality 14
• 4.2.14.Locality 15 （O）
• 1J）'>4.2.15.Locality 16 （T₁J）
• 4.2.16.Locality 17 （D）
• 1）'>4.2.17.Locality 18 （P₁）
• 1dy）'>4.2.18.Locality 19 （Daye T₁dy）
• 4.2.19.Locality 20
• 2b²）'>4.2.20.Locality 21 （T₂b²）
• 4.2.21.Locality 22, 23 and 24 （KE2）
• §4.3 Summary
• CHAPTER FIVE RESULTS AND DISCUSSION OF THE LABORATORY WORKS
• §5.1 Introduction
• §5.2 Petrography and mineralogical analysis
• 5.2.1 Petrographic result
• 5.2.2 Discussion of thin section result
• §5.3 Point load test
• 5.3.1 Procedure
• 5.3.2 Discussion of the point load result
• §5.4 Specific gravity and water absorption ratio
• §5.5 Uniaxial compression test
• 5.5.1 Procedure
• 5.5.2 Discussion of UCS results
• §5.6 Triaxial Compression Strength Test
• §5.7 Dynamic measurements of deformability properties
• §5.8 Direct shear strength of rocks
• 5.8.1 Introduction
• 5.8.2 Procedure
• 5.8.3 Shear test result and discussion
• §5.9 Correlations between parameters
• 5.9.1 Correlation between dry and saturated Specific gravity
• 5.9.2 Dry and saturated UCS
• 5.9.3 Correlation between P-wave and UCS
• §5.10 Summary
• CHAPTER SIX:PROPRTIE OF ROCK MASS DISCONTINUITIES
• §6.1 Introduction
• §6.2 Geometrical Characteristics of Rock Joints
• 6.2.1 Joint Sets and Length
• 6.2.2 Joint Orientation: Joint Plane Orientation and Representation
• 6.2.3 Joint condition: Joint Spacing, Frequency, RQD, and Block Size
• b）'>§6.3 Measurements of the block volume （V_b）
• v）'>§6.4 Measurements of the volumetric joint count（J_v）
• b and J_v'>§6.5 Correlation between V_b and J_v
• §6.6 Joint Surface and Opening: Roughness, Matching, Aperture and Filling
• 6.6.1 Joint Roughness
• 6.6.2 Matched and mismatched joint surface
• §6.7 Discussion and Summary
• CHAPTER SEVEN:ROCK MASS CLASSIFICATIONS
• §7.1 INTRODUCTION
• §7.2 Rock quality designation（RQD） in the area
• §7.3 Rock Mass Rating-RMR System in the area
• §7.4 Q-System in the area
• §7.5 Correlation between RMR and Q-system
• §7.6 Geological Strength Index（GSI） System
• §7.7 Summary of RMR, Q and GSI in the study area
• §7.8 Rock Mass Strength and Rock Mass Quality
• 7.8.1 Strength of Rock Mass
• 7.8.2 Hoek and Brown criterion for rock mass
• §7.9 Discussion and Summary
• CHAPTER EIGHT:CONCLUSION
• §8.1 Conclusion
• §8.2 Innovation
• §8.3 The further suggestion
• ACKNOWLEDGEMENTS
• REFERENCES