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岩体完整性的含义及测量技术
1 引言
岩体基本质量是岩体所固有的，影响工程岩体稳定性的最基本属性。因此岩体基本质量评价与分级一直是勘察、设计、施工及科研人员共同关注的重要课题。而岩体基本质量的优劣取决于构成岩体结构特性的内在因素，而岩体完整性是起控制性作用的因素之一。
岩体完整性是指岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育限度，是岩体结构的综合反映，取决于结构面切割限度、结构体大小以及块体间结合状态等因素，是岩体工程中采用的概括性指标。因此，如何既科学又方便地评价工程岩体的完整性对岩石工程建设意义十分重大。
2 岩体完整限度评价
岩体的完整性， 即岩体在遭受构造运动和浅表生改造后的完整限度。岩体的完整性有两层含义: 第1 层含义是几何(宏观形态) 完整性， 即从结构面发育限度出发来衡量的、肉眼可以看到的岩体完整限度， 表征的指标有裂隙间距D、岩体体积节理数Jv 、岩石质量指标RQD； 第2 层含义是力学(工程) 完整性(似完整性) ， 即撇开肉眼的完整性判断， 从岩体满足工程荷载的力学需求的角度来评价的岩体完整性， 表征的指标重要有岩体体积节理数Jv 、岩体完整性系数Kv 等。岩体完整限度采用定性划分和定量指标两种方法拟定。
2.1定性评价
定性评价标准就是根据岩体的几何宏观形态，从结构面发育限度出发来衡量岩体的完整性。根据国标GB50218-94及其条文说明按照表1对岩体整体性进行定性划分。
表1　　岩体完整限度定性划分
名称
结构面发育限度
重要结构面的结合限度
重要结构面类型
相应结构类型
组数
平均间距（m）
完整
1～2
>1.0
结合好或结合一般
节理、裂隙、层面
整体状或巨厚层状结构
较完整
1～2
>1.0
结合差、结合好或结合一般
节理、裂隙、层面
块状或层状结构
2～3
1.0～0.4
块状结构
较破碎
2～3
1.0～0.4
结合差
节理、裂隙、层面、小断层
裂隙块状或中厚状结构
≥3
0.4～0.2
结合好
镶嵌碎裂结构
结合一般
中、薄层状结构
破碎
≥3
0.4～0.2
结合差
各种类型结构面
裂隙块状结构
≤0.2
结合一般或结合差
碎裂状结构
极破碎

结合很差

散体状结构
注：平均间距指重要结构面（1～2组）间距的平均值。
2.2定量评价
目前国内外用以表征岩体完整性的指标较多，获取这些指标的方法重要有3 类；①弹性波测试法，基于此法的评价指标有岩体完整性指数Kv 等；②岩芯钻探法，基于该法的评价指标有岩石质量指标RQD、单位岩芯裂隙数等；③结构面记录法，基于此法的评价指标有岩体体积节理数Jv、平均节理间距dp 等。这些评价方法各有优缺，且多数评价指标仅是从某一侧面反映了岩体的完整限度。
现就针对当前国内外重要使用的岩体整体性测量方法（涉及岩体完整性指数Kv法、岩体体积节理数Jv法和岩体质量指标RQD法）来进行介绍分析。
为了研究Kv法、Jv法、RQD法，一方面应明确岩体完整性的指标，由于这是评价方法的契合点，也是评价方法优劣的标志。根据国标GB50218-94及其条文说明，对岩体完整性指标归纳简化如表2。
表2　岩体完整性指标
岩体结构类型及级别
节理间距（岩块块度）/m
Jv （条/m）
Kv
完整性（大块体）岩体（Ⅰ）
≥1.0
＜3
＞0.75
较完整（块体）岩体（Ⅱ）
1.0～0.4
3～10
0.75～0.55
较破碎（碎块状）岩体（Ⅲ）
0.4～0.2
10～20
0.55～0.35
破碎性（碎石状）岩体（Ⅳ）
≤0.2
20～35
0.35～0.15
极破碎　岩体（Ⅴ）

＞35
＜0.15
2.2.1岩体完整性指数法
岩体完整性系数Kv 的物理含义是岩体相对于岩石的完整限度，是岩体纵波波速与岩石纵波波速比值的平方， 通常用其来判断岩体的完整限度。因此在介绍Kv法之前，应先了解岩体纵波波速与岩石纵波波速的含义。
岩体纵波速度是指一定空间范围内弹性波在岩体中传播的纵波速度， 一般是通过地震法或孔内声波测试等方法获得的。它的大小不仅与岩性相关，并且与岩体结构类型、岩体结构面发育状况、岩体的风化限度、地应力状态及岩体渗透性等有关。
岩石纵波速度是指完整岩石试件的纵波速度(所谓完整就是指用于声波波速实验的岩石试件中无节理裂隙、孔隙、溶洞等现象的存在， 其值的大小重要与岩石的岩性、风化限度、耐水性等有关。通常使用超声波波速测试实验获得岩石试件的纵波速度， 测试过程中应保证试件为无界体， 即应使岩石试件规格与换能器频率相匹配。
Kv法就是一种运用岩层和岩石波速变化差异， 来研究地下岩体完整性的方法； 超声波、地震波等在完整性不同的岩体内有着不同传播速度， 而对于同一种岩性的岩体、岩石自身的传播波速， 基本不受块体大小或完整性的影响， 所以， 可以用来判测岩体完整性。
岩体完整性指数Kv可由下式求出：

式中: Kv为岩体完整性指数；
Vp1为岩体纵波速度；
Vp2 为室内岩石( 块) 纵波速度。
在运用Kv法来鉴定岩体完整性时，Kv应为实测值。针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的点、段，测定岩体弹性纵波速度，并应在同一岩体取样测定岩石弹性纵波速度。
该方法适合对地下岩体的风化限度或破碎情况进行鉴定， 但在含可溶性矿物较多的岩体内，该方法不合用， 可溶性矿物较多的岩体的完整性， 影响因素较多， 波速变化不是唯一主导的因素。
Kv值的大小反映了岩体相对于岩石的破坏限度．因此，Kv的物理意义就是表征岩体相对于岩石的完整和破碎限度，是一个与岩体质量和强度有关的参数．在工程实践中，人们常用Kv和其他参数一起来评价岩体的稳定性，对工程岩体进行围岩分类等。
2.2.2 Jv法
岩体体积节理数( Jv )是指单位体积岩体中节理的条数，它是衡量岩体完整性的重要指标之一，国际岩石力学委员会推荐用它来定量评价岩体的完整性。JV 法是选择有代表性的露头或开挖面进行节理记录的方法，其表达式为：
（2）
式中：Jv为岩体体积节理数(条/m3)；
Sn为第n组节理每米长测线上的条数；
Sk为每立方米岩体非成组节理条数。
根据JV 值的大小划分岩体的质量分级，归纳起来， Jv 测量方法大体可分为两类，一类是现场实测法，重要有直接测量法、间距法、条数法等，第二类是记录模拟分析法，其基本原理是基于现场测量信息，采用记录模拟分析方法再现岩体中的节理分布，并基于该分布记录分析岩体体积节理数等岩体结构信息。
（1）　直接测量法
直接测量法是直接数出单位体积岩体中的节理数，简称直接法。严格的直接测量法是逐条数出单位体积岩体中的节理条数，这在工程中是难以实现的。实际采用直接测量法时，总是依据结构面发育分布规律，合理选择、运用开挖壁面(临空面)作为测量面，数出单位体积岩体中的裂隙条数。
合理的测量面有如下3种情况:
有3个或以上的近于正交的临空面，至少有一个临空面长度在2m以上，这样，可基本看清单位体积岩体中的绝大多数裂隙。但这样好的临空条件比较少见；
有两个正交的临空面，且有足够的测量范围，则临空面可框住各种产状的结构面。当结构面与临空面斜交时，测量单位体积内的节理条数，必须将测读范围扩展到单位面积之外，最大测量范围取决于待测节理组与测量面之间的夹角大小；
对于单临空面，规定其应与岩体中各组结构面都相交，且夹角越大越好，这样，可在临空面上见到测量体内的所有裂隙。测量时，除了计数单位面积内的所有节理外，对于每一组节理，其扩展测量范围也取决于待测节理组与测量面之间的夹角大小。
（2）　间距法
间距法是指通过测量岩体中各组结构面的间距，并以其平均值来计算单位体积岩体中裂隙的条数。国标中的Jv 计算式事实上就是间距法计算公式（2） :

式中，Jv -为岩体体积节理数(条/m3 ) ；
Sn -为第n组节理每米长测线上的条数，其值等于足够
长度(一般5m上)测线内同组节理平均真间距的倒数；
Sk -为每立方米岩体中非成组节理的条数。
分析公式(2)可见，其默认假定为各组节理的法向计算测线长度均为1m，这会使测量结果偏小。此外，应注意如下两个方面:
实际岩体中，节理分布很不均匀，这导致间距测量数据离散性明显。为防止Jv 计算值偏小，在平均间距计算时，应扣除个别异常大值。
当节理组与单位体表面斜交时，其计算测线长度大于1m (但小于1. 7m，即单位立方体的对角线) ，故按(2)式计算时， Jv 值偏小，应乘以1. 05～1. 1的修正系数。
(3)　条数法
条数法是指在单测量面内数出单位面积内的节理条数(样本) ，将其乘以修正经验系数以得到Jv值。通常是测量多个样本，用其平均值来计算Jv 值，则计算式如下:
(3)
式中：
ni 为第i个单位测量面积内的节理条数(样本) ；
N 为同级别岩体中的样本数，一般不少于10个。
条数法的修正经验系数，无法从理论上直接推导获得，完全来自工程经验。显然，同样结构的岩体，单位测量面的方位不同，其中的节理条数是有差别的，这必然导致修正系数的差异。所以，实际应用时，不能单独使用，最佳针对性地给出修正经验系数。此外，拟选测量面应与体内所有节理相交。
2.2.3 RQD 法
RQD 法是以钻孔的单位长度>10 cm 的岩芯所占的比例来拟定， 其表达式: RQD= ( >10 cm 的岩芯累计长度×100%) /钻孔深度， 根据RQD 指标来划分岩体的质量分级。
Deere 定义的RQD 实质上就是一维RQD ， 由于钻孔一般沿某一个方向钻进， 且工程勘察钻孔多为铅直孔。Farmer (1985) 根据工程实践， 建立了结构面线密度与RQD 之间的近似关系， 发展了RQD的结构面线密度估算方法。表3同时还给出了岩体龟裂因数与RQD 之间的关系用钻探方法得到的一维RQD 指标评价工程岩体完整性的可靠性具有很大的偶尔性， 重要与工程岩体的RQD 各向异性特性有关。
表3 结构面线密度于RQD之间的关系
质量分级
RQD
结构面密度/m
岩体龟裂系数
岩体指数
极差
5~25
≥15
0~0.2
0.2
差
25~50
15~8
0.2~0.4
0.2
中档
50~75
8~5
0.4~0.6
0.2~0.5
好
75~90
5~1
0.6~0.8
0.5~0.8
良好
90~100
1
0.8~1.0
0.8~1.0
3 结语
（1）Jv公式和RQD公式对岩体完整性评价是一个间接性半定量公式，有多解性，不符合数学逻辑，缺少科学代表性，不宜单独用来作为岩体完整性评价的标准，应与其他方法综合应用。
（2）岩体完整限度的划分要从满足工程需要的角度出发选择合理的指标。对于地下洞室工程， 重要应从围岩的结构完整性来考虑， 所以应选用重要用来反映岩体几何结构完整性的RQD、Jv 等指标； 对于力学规定较高的坝基岩体， 则可以选择反映力学完整性的Kv 等指标进行完整性划分。

参考文献
[1] 胡文寿，张显治.论工程岩体完整性的评价方法[J].西安工程学院学报.
[2] 马超峰，李晓等.工程岩体完整性评价的实用方法研究[J].岩土力学.
[3] GB50021-2023,岩土勘察规范[S].
[4] GB50218-1994,工程岩体分级标准[S].
[5] 林尤元，颜挚.Kv法在鉴定岩体完整性中的应用[J].华南地震
[6] 林锋，黄润秋等岩体体积节理数的现场测量方法评价[J].工程地质学报
[7] 杜时贵，许四法等.岩石质量指标RQD与工程岩体分类[J].工程地质学报