沙 鵬 趙逸文 高書宇 趙 文

(①紹興文理學(xué)院，土木工程學(xué)院，紹興 312000，中國)(②浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，紹興 312000，中國)(③中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043，中國)

0 引 言

在可預(yù)見的未來，隧道工程建設(shè)仍將保持飛速的發(fā)展，長大深埋隧道也將成為地下工程中的常態(tài)，同時面臨的地質(zhì)問題也將越來越復(fù)雜(李天斌等，2019)。在地下工程建設(shè)中，巖體質(zhì)量評價是地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，因此選取合適的方式評價圍巖質(zhì)量在地下工程中具有重要的意義?！豆こ處r體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50128-2014)(簡稱《國標(biāo)》)(2014)是各種類型巖石工程的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，建筑、公路及鐵路等行業(yè)在修訂其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，都采取了與之接軌的做法。

《國標(biāo)》工程巖體分級(BQ法)從巖石堅(jiān)硬程度和完整性入手，結(jié)合不同工程地質(zhì)條件下影響因素綜合對巖體評價，具有較好的科學(xué)性和實(shí)用性，因此在國內(nèi)不同類型的巖石工程中有著廣泛的應(yīng)用(鄔愛清等，2014; 陳理想等，2017; 韓振華等，2019)。由于適用于各種類型的巖體工程，BQ法往往在復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖體工程應(yīng)用中出現(xiàn)一定的偏差，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計(jì)失效而出現(xiàn)各類工程問題(沙鵬等，2015)。因此不少學(xué)者在具體工程案例分析的基礎(chǔ)上，從不同方面對BQ法做了進(jìn)一步修正?；贐Q分級方法，李蒼松等(2006)引入巖溶發(fā)育程度系數(shù)建立了適用于巖溶條件下的巖體質(zhì)量分級改進(jìn)KBQ。李術(shù)才等(2018)綜合考慮BQ分級各項(xiàng)指標(biāo)，把可靠概率評價的思想引入BQ法中，并利用Monte Carlo法就各等級評價的可靠概率進(jìn)行計(jì)算，提出來圍巖分級的可靠度分析方法。另一方面，雖然目前的BQ法對高地應(yīng)力等特殊條件作了補(bǔ)充要求，但以此為依據(jù)確定的圍巖支護(hù)方法并不完善。趙其華等(2008)借助高地應(yīng)力巖體工程建立了高地應(yīng)力下的BQ分級方法KQ分類方法。王廣德等(2006)根據(jù)高地應(yīng)力下巖爆烈度的不同將巖體分為4級并給出了對應(yīng)的BQ法。牛文林等(2015)針對硬巖高地應(yīng)力隧道，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正與地應(yīng)力狀態(tài)修正改進(jìn)BQ法，使其更好地應(yīng)用于巖爆隧道中。

近年來，西部高地應(yīng)力區(qū)的鐵路隧道建設(shè)常穿越頁巖、千枚巖等層狀巖體地層(李磊等，2017；陳子全等，2018)。層狀巖體的力學(xué)特性具有顯著的各向異性特征，具體表現(xiàn)為強(qiáng)度隨產(chǎn)狀變化顯著(Tien，2006; 陳一等，2018)。因此，BQ法采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度確定層狀巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)存在局限性。另一方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明圍壓的存在會使層狀巖石的力學(xué)性質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)為各向同性(陳天宇，2016)，因此高地應(yīng)力會抑制層狀圍巖的各向異性。但在實(shí)際工程中，工程開挖實(shí)質(zhì)是一種巖體的卸荷力學(xué)行為。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果并不能準(zhǔn)確地展現(xiàn)實(shí)際工程中圍壓對于工程巖體質(zhì)量的影響。

綜上可知，BQ分級系統(tǒng)在高應(yīng)力層狀巖體中的工程應(yīng)用還需要進(jìn)行針對性修正。本文分別開展了不同層理角度下層狀巖石的單軸壓縮與三軸卸載實(shí)驗(yàn)，分析層理傾角、圍壓卸載對巖石強(qiáng)度各向異性的影響。在此基礎(chǔ)上，作者結(jié)合Jaeger-Donath準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則提出層狀隧道巖體的BQ分級修正系數(shù)的計(jì)算公式。

1 室內(nèi)試驗(yàn)與結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所采用的層狀巖石樣品分別為四川自貢的黑色頁巖與內(nèi)江的黃砂巖。為盡可能保證試件的穩(wěn)定性，相應(yīng)試件均取自同一巖層的塊體，并加工成φ50imm×100imm的圓柱體。試驗(yàn)設(shè)備采用紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院的MTS 815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。采用黑色頁巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，將層面傾角α定義為層理面與水平面的夾角，分別制備0°、15°、30°、60°、75°、90° 6組試件(圖2a)，每組3個。加載方式采用應(yīng)力控制，加載速率為0.5iMP·s-1。

圖1 MTS 815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 層狀巖石樣品制備

采用層狀砂巖進(jìn)行常規(guī)三軸卸載試驗(yàn)，層理傾角設(shè)置為0°、60°共兩種(圖2b)，開展了圍壓為0iMPa、10iMPa、20iMPa 3種工況的6組試驗(yàn)?；谌S壓縮試驗(yàn)結(jié)果，10iMPa、20iMPa圍壓條件下軸壓分別設(shè)定為95iMPa、115iMPa。參考前人實(shí)驗(yàn)成果(黃潤秋等，2008; 趙國彥等，2015; 溫韜，2019)設(shè)定卸載應(yīng)力路徑，首先同時加載軸壓、圍壓至指定圍壓工況，隨后繼續(xù)加載軸壓至指定軸壓并保持不變，最后以0.01iMP·s-1的速率進(jìn)行圍壓卸載直至試件破壞。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

圖3匯總了不同層理傾角頁巖的單軸壓縮強(qiáng)度。隨著層理傾角的變化，頁巖的強(qiáng)度呈現(xiàn)出典型各向異性巖體具有的 U 型變化規(guī)律。當(dāng)加載方向與層理方向垂直時強(qiáng)度最大，當(dāng)α=60°時強(qiáng)度最小。對比前人的層狀巖石單軸試驗(yàn)結(jié)果(鄭蕾，2013; 衡帥，2015；侯振坤等，2015; 黃春等，2016)，不同種類的層狀巖體，其最大單軸抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)在α=0°或α=90°，最小單軸抗壓強(qiáng)度在較大的層理傾角范圍變化，往往出現(xiàn)在α=30°～60°方向。總體而言，層狀巖體強(qiáng)度受層理傾角控制明顯，且變化趨勢基本相同，但最大值與最小值的層理傾角并不一致，因此層狀巖體質(zhì)量分級需要根據(jù)具體層理傾角計(jì)算修正系數(shù)。

圖3 不同層理傾角與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

1.2.2 三軸卸載試驗(yàn)

表1統(tǒng)計(jì)了兩種層理傾角下，不同應(yīng)力水平的黃砂巖試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)。隨著圍壓的增大，試件峰值強(qiáng)度和卸載圍壓強(qiáng)度均逐漸增大。同時不同層理傾角的試件，其峰值強(qiáng)度和卸載圍壓強(qiáng)度基本保持一致。此時可以認(rèn)為，試件在10iMPa、20iMPa圍壓條件下強(qiáng)度的各向異性特征消失。

表1 試件卸載破壞圍壓與峰值強(qiáng)度

圖4為不同圍壓工況下卸載過程中軸線應(yīng)力與體應(yīng)變關(guān)系圖。當(dāng)試件處于單軸壓縮狀態(tài)時，不同層理傾角破壞強(qiáng)度，變化速率有較大的不同。當(dāng)圍壓增加至10iMPa時，不同層理傾角曲線近乎重合。當(dāng)圍壓增加至20iMPa時，破壞強(qiáng)度相同，但破壞曲線有較大的不同?？梢哉J(rèn)為在圍壓水平達(dá)到一定程度以后，不同層理傾角不再影響破壞強(qiáng)度，僅對巖體的變形程度即巖體剛度產(chǎn)生影響。

圖4 三軸卸載試驗(yàn)體應(yīng)變-軸向應(yīng)力圖

層狀巖體單軸試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管不同巖性層狀巖體峰值強(qiáng)度不同，但不同層理傾角的強(qiáng)度連線均近似于“U”型，這一規(guī)律是非常顯著的。相較當(dāng)前BQ分級中給出的3種工況劃分，一個含有層理傾角系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以更為準(zhǔn)確地表達(dá)層理傾角對巖體的影響。三軸卸載試驗(yàn)結(jié)果表明，圍壓的存在不僅影響巖體的強(qiáng)度，同時對結(jié)構(gòu)面也有抑制作用，高圍壓下不同層理傾角對巖體強(qiáng)度的影響消失。因此，在層狀巖體的BQ分級中，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)K2與地應(yīng)力修正系數(shù)K3兩者應(yīng)當(dāng)綜合考慮。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，下面擬對BQ分級中的修正系數(shù)K2和K3進(jìn)行公式改進(jìn)。

2 BQ分級結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正

2.1 Jaeger-Donath強(qiáng)度準(zhǔn)則

Jaeger(1960)利用單結(jié)構(gòu)面準(zhǔn)則對含一組結(jié)構(gòu)面的巖體破壞強(qiáng)度給予了解釋。Donath(1964)修正給出了Jaeger-Donath強(qiáng)度準(zhǔn)則，與Jaeger單結(jié)構(gòu)面準(zhǔn)則相比，Jaeger-Donath經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則不需要獲得結(jié)構(gòu)面黏聚力和內(nèi)摩擦角，對碳質(zhì)千枚巖、云母千枚巖、片麻巖等層狀巖體具有較好的適用性(Saroglou et al.，2008)。

單結(jié)構(gòu)面破壞準(zhǔn)則中，Jaeger將巖體的破壞分為巖體破壞和沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移破壞兩種類型。由莫爾應(yīng)力圓，單軸壓縮條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)面剪切滑移時的抗壓強(qiáng)度公式：

(1)

在此基礎(chǔ)上，Jaeger又給出了單軸抗壓強(qiáng)度估算公式，后經(jīng)Donath修正得：

σcβ=A-Bcos2(βmin-β)

(2)

式中：σcβ為不同層理傾角的試件單軸抗壓強(qiáng)度；β為結(jié)構(gòu)面層理傾角；βmin為單軸抗壓強(qiáng)度最小時對應(yīng)的層理傾角；A、B為常數(shù)，其數(shù)值確定一般需要β=0°、30°、90° 3組不同層理傾角的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，層狀巖體單軸抗壓強(qiáng)度受兩方面決定；一方面由巖體本身的性質(zhì)決定一個基本值A(chǔ)，另一方面由巖體傾角決定一個附加值。

圖5匯總了層狀巖體不同層理傾角的強(qiáng)度數(shù)據(jù)與對應(yīng)的Jaeger-Donath強(qiáng)度準(zhǔn)則曲線?？梢钥闯?，Jaeger-Donath強(qiáng)度準(zhǔn)則對于巖體計(jì)算偏差均在工程允許范圍內(nèi)，較為清楚地表達(dá)了層狀巖體強(qiáng)度的“U”型變化特征。因此在對層狀巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響進(jìn)行修正時，除傾角對巖體的影響外，巖體強(qiáng)度隨傾角變化的幅度也是需要考慮的一個重要指標(biāo)。

圖5 不同巖性層狀巖體Jaeger-Donath準(zhǔn)則曲線

2.2 層狀巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正

對于層狀巖體，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巖體單軸抗壓強(qiáng)度的影響顯著。同時，巖石本身的巖性導(dǎo)致不同層狀巖體的堅(jiān)硬程度對結(jié)構(gòu)面的“敏感性”不同，結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀對巖石堅(jiān)硬程度的影響也不同，反應(yīng)在數(shù)值上即為各向異性系數(shù)的不同。因此引入各向異性系數(shù)作為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)的取值范圍依據(jù)，按《國標(biāo)》將結(jié)構(gòu)面修正系數(shù)取值范圍定為0～0.6。參考Ramamurthy et al.(1993)的劃分方法的各向異性指數(shù)，將結(jié)構(gòu)面修正系數(shù)K2取值范圍對應(yīng)地劃分為5檔，具體如表2。

表2 結(jié)構(gòu)面修正系數(shù)K2取值范圍

利用Jaeger-Donath準(zhǔn)則(式2)對層狀巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并將修正分為已知多角度(3種及以上)巖體單軸抗壓條件下和常規(guī)工程地質(zhì)勘察條件下兩種情況：

(1)當(dāng)工程地質(zhì)勘察中獲取多角度巖體單軸抗壓強(qiáng)度時，可根據(jù)公式3算出當(dāng)前層狀巖體傾角下的巖體單軸抗壓強(qiáng)度，將此數(shù)據(jù)代入算出BQ值，不再對此BQ值進(jìn)行結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正。

(2)如無法獲取多角度巖體單軸抗壓強(qiáng)度時，本文做如下推斷：根據(jù)庫倫準(zhǔn)則，巖石在壓剪破壞下的剪破角為π/4+φj/2，這就意味著在常規(guī)壓剪破壞情況中，在π/4+φj/2處更容易形成應(yīng)力集中，相較其他狀況更容易發(fā)生破壞，此時可認(rèn)為π/4+φj/2為單軸抗壓強(qiáng)度最小值所在層理面。即層狀傾角為π/4+φj/2時修正系數(shù)取最大值。

依此在本文提出的改進(jìn)系數(shù)中，按表2所示選取各向異性比Ra，設(shè)層理傾角為β，具體公式修正如下

(3)

3 BQ分級初始應(yīng)力狀態(tài)修正

3.1 Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則

巖體工程的開挖過程是一個卸荷過程，研究表明卸荷條件下巖體的本構(gòu)理論、變形機(jī)理等均與傳統(tǒng)的加載力學(xué)不同(吳剛，2001)。Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則是傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則在卸荷力學(xué)中的應(yīng)用。張黎明等(2001)通過對5種強(qiáng)度準(zhǔn)則在卸載條件下的對比，得出Mogi-Coulomb準(zhǔn)則強(qiáng)度的回歸效果最佳，其回歸系數(shù)在0.99左右，因此，本文引入Mogi-Coulomb準(zhǔn)則對初始應(yīng)力修正系數(shù)K3進(jìn)行改進(jìn)。Mogi-Coulomb準(zhǔn)則可用最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力表示：

(4)

式中：

(5)

(6)

使用Mogi-Coulomb公式對所研究砂巖試樣進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 砂巖試樣強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

較低的圍壓條件下，試驗(yàn)結(jié)果與理論值的誤差均在1%以內(nèi)，考慮到試驗(yàn)本身存在的系統(tǒng)誤差如試件尺寸的測量誤差、試驗(yàn)前期加載圍壓時試件體積的變化等，可以認(rèn)為在較低的圍壓條件下，式(4)計(jì)算巖體卸荷強(qiáng)度可認(rèn)為是準(zhǔn)確的。當(dāng)試件處于高圍壓狀態(tài)時，0°層理傾角仍符合理論值，60°層理傾角下強(qiáng)度理論值大于實(shí)測值。卸荷破壞過程實(shí)質(zhì)是強(qiáng)烈的擴(kuò)容導(dǎo)致巖石破壞，60°層理傾角試件由于弱結(jié)構(gòu)面的存在，試件會沿弱結(jié)構(gòu)面快速變形，因此試件的測試強(qiáng)度小于預(yù)測強(qiáng)度。因此在應(yīng)用Mogi-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)修正時，應(yīng)規(guī)定相應(yīng)初始地應(yīng)力邊界。

3.2 初始應(yīng)力狀態(tài)修正

BQ分級方法考慮到工程巖體處在高初始地應(yīng)力時，對于巖體將會發(fā)生不同程度的塑性擠壓。流動變形，再加上洞室周邊應(yīng)力集中，對巖體自穩(wěn)能力極為不利，使用初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)K3來表述這個修正，在砂巖三軸卸荷試驗(yàn)中，Mogi-Coulomb準(zhǔn)則已經(jīng)證明能夠很好地計(jì)算出圍壓對試件抗壓強(qiáng)度的影響，理論上由該準(zhǔn)則可以計(jì)算出不同巖性、不同圍壓作用下巖體的強(qiáng)度提升值，但此時σ3為卸荷過程中發(fā)生破壞時的值，無法由現(xiàn)場直接測試獲取。

由于Mogi-Coulomb準(zhǔn)則在確定了巖石相關(guān)參數(shù)后為線性準(zhǔn)則，利用該準(zhǔn)則結(jié)果進(jìn)行比值運(yùn)算時不影響結(jié)果的一致性。由此本文在進(jìn)行地應(yīng)力修正系數(shù)改進(jìn)時將相應(yīng)的高地應(yīng)力計(jì)算轉(zhuǎn)化成巖體強(qiáng)度抗壓值的計(jì)算，即根據(jù)國標(biāo)有關(guān)定義與巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力值取值數(shù)據(jù)，計(jì)算出高地應(yīng)力條件下巖體抗壓強(qiáng)度值的取值范圍，同時K3取值范圍不變?nèi)詾?.5～1.5。

使用《國標(biāo)》中關(guān)于高地應(yīng)力的部分的定義，同時參考內(nèi)摩擦角和黏聚力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將σ3=σ1/4，σ3=σ1/7取做環(huán)向應(yīng)力邊界。當(dāng)σ3=σ1/4時，根據(jù)內(nèi)摩擦角和黏聚力取值范圍，取c，φ為較大值，當(dāng)σ3=σ1/7時、取c，φ為較小值，計(jì)算的K3取值邊界值[9σ1/7+8，3σ1+15]。地應(yīng)力修正系數(shù)K3當(dāng)計(jì)算出的σ1大于(3σ1+15)時取1.5，小于(9σ1/7+8)時取0.5。當(dāng)K3計(jì)算出的值落在取值區(qū)間時，地應(yīng)力修正系數(shù)K3計(jì)算公式為:

(7)

式中：σmax為垂直洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力；σc為單軸抗壓強(qiáng)度。此外，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在巖石單軸壓縮試驗(yàn)中，層狀巖體表現(xiàn)出明顯的各向異性，但在三軸卸載試驗(yàn)中，圍壓卸載導(dǎo)致各向異性特征消失。因此，在地應(yīng)力修正系數(shù)中，需要考慮到對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)的影響。

在巖石單軸力學(xué)試驗(yàn)中，由于層理面的存在，試件會在結(jié)構(gòu)弱面處發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件最終破壞形態(tài)為層理面發(fā)生剪切滑移，由此，在式(1)中β取π/4+φj/2，結(jié)果若大于等于σc，判定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀不影響巖體穩(wěn)定性，判斷式為：

(8)

當(dāng)上式成立時，在對巖體進(jìn)行修正不考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)。

4 工程應(yīng)用

木寨嶺鐵路隧道為新建蘭—渝鐵路的一條長大深埋隧道，隧道起止里程從DK173+350至DK192+375，全長19i025im，隧道最大埋深約為600im，為雙洞單線分離式特長隧道。隧道圍巖以板巖及碳質(zhì)板巖為主，偶見砂巖互層。掌子面開挖揭示板巖為層狀至薄層狀結(jié)構(gòu)，層厚1～6icm，層理傾向約70°，受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重(圖6)。根據(jù)BQ分級法以及本文提出的改進(jìn)BQ法分別對掌子面圍巖進(jìn)行分級如下。

圖6 木寨嶺隧道掌子面圍巖情況

采用國標(biāo)BQ法進(jìn)行巖體質(zhì)量分級時。首先通過計(jì)算巖體基本質(zhì)量BQ初步定級，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值按下式計(jì)算：

BQ=100+3Rc+250Kv

(9)

使用式(9)計(jì)算時，應(yīng)符合以下規(guī)定：

(1)當(dāng)Rc>90KV+30時，應(yīng)當(dāng)以Rc=90KV+30和KV帶入計(jì)算BQ值；

(2)當(dāng)KV>0.04Rc時，應(yīng)以KV=0.04Rc+0.4和Rc帶入計(jì)算BQ值。

在獲得巖體基本質(zhì)量指標(biāo)之后，結(jié)合不同類型工程的特點(diǎn)，根據(jù)地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)以及工程走向線與主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的組合關(guān)系等修正因素確定各類工程巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]對工程進(jìn)行詳細(xì)定級，其中地下工程巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]值計(jì)算方法如下：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(10)

式中：BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；K1、K2、K3分別為地下水影響修正系數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)以及初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。

本文收集有關(guān)資料給出了木寨嶺隧道圍巖對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)(表4)，利用表4以及上述國標(biāo)BQ分級方法和改進(jìn)后的BQ分級方法對木寨嶺隧道圍巖進(jìn)行詳細(xì)定級。

表4 圍巖相關(guān)力學(xué)性質(zhì)

首先計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，表4給出實(shí)測Kv值為0.447～1.0，同時在巖體基本質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算中，Kv值應(yīng)該符合其與巖體完整程度對應(yīng)關(guān)系，較完整的巖體對應(yīng)Kv值為0.55，取Kv為0.55。此時90Kv+30=79.5，小于81.2，Rc值取為79.5，Kv值為0.55計(jì)算，由式(10)得：

BQ=100+3Rc+250Kv=476

獲得基本巖體基本質(zhì)量指標(biāo)后，由國標(biāo)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)中地下工程有關(guān)修正系數(shù)計(jì)算地下工程質(zhì)量指標(biāo)[BQ]值。根據(jù)式(10)可得此時地下工程質(zhì)量指標(biāo)[BQ]值為：

[BQ]=476-100(0.8～1.6)=396～316

根據(jù)國標(biāo)BQ分級方法得出巖體質(zhì)量級別在Ⅲ級(450～351)、Ⅳ級(350～251)之間。

采用改進(jìn)后的BQ分級修正系數(shù)對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分級；計(jì)算此時各向異性指數(shù)Ra=100.7/55.41=1.82，考慮到并未嚴(yán)格按不同層理得到單軸抗壓強(qiáng)度，各向異性度應(yīng)偏小，本文取強(qiáng)度各向異性指數(shù)為中等各向異性，K2范圍取為0.3，此時K2為：

圍巖泊松比為0.28，黏聚力為15.7iMPa，內(nèi)摩擦角為58.1°，根據(jù)式(8)計(jì)算出σ=276iMPa>σc，故修正時無需考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)。對初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

σmax=360>3×81.2+15

由式(7)可得K3取1.5，仍采用國標(biāo)BQ分級方法中的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值及計(jì)算方法獲得巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]：

[BQ]=476-100×(0.1～0.2+1.5)=316～326

此時巖體分級為Ⅳ級圍巖而國標(biāo)BQ分級方法中判別為Ⅲ、Ⅳ級交錯，需要做進(jìn)一步判斷。實(shí)際工程巖體質(zhì)量分級判定為Ⅲ級，但在開挖過程中掌子面出現(xiàn)較大的變形現(xiàn)象，后經(jīng)過分級變更修正重新判定為Ⅳ級圍巖。可以看出改進(jìn)后的層狀巖體BQ分級對比BQ分級不僅更為精確、也更易于工程現(xiàn)場判斷。

5 討 論

層狀巖體變形的各向異性弱化規(guī)律與其所處的狀態(tài)緊密相關(guān)，要綜合考慮巖塊力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征及其所處的應(yīng)力狀態(tài)等影響因素。實(shí)際上，對于層狀巖體，層厚對層狀巖體質(zhì)量與圍巖破壞形式也有顯著的影響，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面密度。

采用統(tǒng)計(jì)巖體力學(xué)理論獲得層狀巖體的等效彈性模量(伍法權(quán)等，2014)：

(11)

表5 層狀圍巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)(DK204mm，WK836)

圖7揭示了結(jié)構(gòu)特征對各向異性指數(shù)的影響規(guī)律。隨結(jié)構(gòu)面法向密度的增加，巖體變形的各向異性特征顯著提高。與弱化指數(shù)不同，層狀巖體的各向異性指數(shù)并不隨結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的改變發(fā)生變化，始終保持一個較大的數(shù)值。因此，層狀巖體的層厚特征對圍巖弱化影響顯著，國標(biāo)分級方法中的基本質(zhì)量分級BQ通過Kv或體積節(jié)理數(shù)Jv量化了這一特征。然而，層厚特征對圍巖變形的各向異性程度影響不大，這一規(guī)律與現(xiàn)場變形破壞特征是相吻合的，所以這一指標(biāo)不在本文的BQ分級改進(jìn)的考慮范圍內(nèi)。

圖7 層狀巖體各向異性指數(shù)隨幾何參數(shù)變化曲線

6 結(jié) 論

本文以BQ分級方法于層狀巖體中的應(yīng)用作為研究目標(biāo)，在BQ分級方法的基礎(chǔ)上，采用單軸壓縮試驗(yàn)與常規(guī)三軸卸載試驗(yàn)討論了巖石強(qiáng)度特征在不同層理傾角以及水平壓力下的特性。獲得以下結(jié)論：

(1)對產(chǎn)自四川某地頁巖試樣進(jìn)行不同層理傾角的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明層狀巖體單軸抗壓強(qiáng)度隨層理傾角變化明顯，不同層理傾角下同巖性試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度差距較大，試驗(yàn)顯示頁巖試樣最大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在層理傾角為0°時，最小抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在層理傾角60°；引入Jaeger-Donath準(zhǔn)則描述并印證了層理傾角對單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

(2)采用三軸卸載試驗(yàn)研究了具有明顯層理傾角的砂巖試樣在不同層理傾角、不同圍壓工況下的巖體強(qiáng)度特征，表明巖石的卸荷強(qiáng)度符合Mogi-Coulomb的預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，利用Jaeger-Donath強(qiáng)度準(zhǔn)則與Mogi-Coulomb準(zhǔn)則對BQ分級方法進(jìn)行改進(jìn)，給出了改進(jìn)后的層狀巖體BQ分級方法。

(3)利用木寨嶺隧道的工程實(shí)例對所提出的層狀巖體修正系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示當(dāng)層狀巖體隧道使用工程巖體分級規(guī)范分級出現(xiàn)分級模糊時，改進(jìn)后的層狀巖體修正系數(shù)能夠給出較為準(zhǔn)確的工程巖體分級，改進(jìn)后的BQ分級方法對實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。