岩体完整性系数的测量与确定

路杙　魏金魁

摘 要：岩体的完整性系数KV直接反映了岩体相对于岩石的破坏程度，是确定岩体质量的重要指标，也是我国目前工程岩体分级标准的重要参数，广泛应用于工民建、水利、公路、铁路等行业。但是，由于岩体条件往往很复杂，变化很快，对工程整体而言，岩体完整性系数的取值，直接关系到施工设计、投资成本及安全问题，如何合理的确定岩体的完整性系数是岩土工程勘察需解决的一个难题。本文结合工程实例，介绍了岩体完整性系数的测量原理、测量方法及完整性系數科学合理的确定方法，对岩体完整性系数的确定具有一定的参考价值。

关键词： 岩体完整性系数；岩体波速；岩块波速；算术平均；加权平均

1 概述

目前国内的围岩分级标准中，常采用岩体的完整性系数KV来衡量岩体的完整性。岩体完整性是指岩体内以裂隙为主的各类结构面的发育程度，取决于结构面切割程度、结构体大小以及块体间结合状态等因素，是岩体结构的综合反映。因此，在岩体结构的地下工程建设中，岩体的完整性对工程建设具有十分重要的意义。

岩体的完整性系数KV值的大小直接反映了岩体相对于岩石的破坏程度，即表征岩体相对于岩石的完整和破坏程度，是围岩稳定性评价的一项非常重要的指标，越来越受到工程界的青睐，广泛应用于工民建、水利、公路、铁路等行业。

由于岩体是非均质体，岩体每一个部位的完整性系数都不同，对某一具体工程而言，如何取一个合理的完整性系数，对围岩的评价有着重要的影响，甚至直接影响到工程的安全稳定和投资。因此，在岩土工程勘察中，合理地确定岩体的完整性系数是一个值得研究的课题。

2 岩体完整性系数定义

3 岩体波速、岩块波速的测量

3.1 准备工作

3.1.1 地质资料的收集和整理

波速试验主要收集整理钻孔资料及区域地质资料，包括地层岩性、地质构造、岩体的工程地质特性、物理力学指标等。由于岩体的波速测量在钻孔内进行，因此，钻孔完成后，要先对钻孔资料进行整理，完成“钻孔柱状图”编制，在“钻孔柱状图”中要依据地层岩性和岩石质量指标RQD值进行分层，每一层的岩性、结构面及裂隙的分布特征都要进行详细描述，对岩体的波速有一个初步的估计值，为测量中数据是否异常提供初步判断依据。

3.1.2 钻孔处理

一是进行堵漏，孔内岩体波速测量一般采用水作耦合剂，因此在钻进过程中要对漏水部位进行堵漏处理，确保冲洗液不被漏失。二是进行护壁，在地层破碎段，容易产生塌孔和掉块，损坏换能器，对于这样的部位均要提前采取处理措施。

3.1.3 声波仪和换能器的检校

按照要求，每次测量前均需要对声波仪和换能器进行检校，目前声波仪和换能器没有专门的检校机构，需要各单位自行检校，最简便的方法是各单位准备几组已知波速的模具（如钢管、硬塑材料管等），建立模具波速数据库，试验前，先测量模具的波速，看测量值是否异常，误差是否在允许范围内，若误差超出允许范围，要查找原因，进行修正，对于原因不明确或无法进行修正的声波和换能器不能使用。

3.2 岩体波速的测量方法

孔内岩体波速的测量方法按测量类型可分为单孔法和跨孔法，按激发方式可分为仪器自发自收和人工激发等。对测试岩体完整性系数而言，常采用单孔法、自发自收的测量方式，既方便，数据又比较可靠，这里作简单介绍。

如图1所示，换能器由一个发射端F和两个接收端S1、S2组成，F到S1的距离为300mm，S1到S2的距离为200mm。

其测量原理是：波从F发射，经过耦合剂传播到岩体，沿岩体滑行，再经过耦合剂传播到接收端S1和S2，设波从F传播到S1的时间为t1，到S2的时间为t2，则t2-t1即为声波在测量段岩体中传播的时间（单位um），根据距离关系可得出岩体的波速为：

从以上的测量原理可以看出，波在岩体中的走时为两个接收换能器的走时差，消除了声波在耦合剂中产生的走时误差，保证了测量的精度。

测量时，先将换能器放到孔底，记录好S2所在位置，然后从“孔底”向“孔口”逐次测量，每次移动200mm，直到测量完成。这种测量方式保证了全孔岩体连续测量。

测量过程中，稳定而良好的耦合剂，是测量准确可靠的保证，因此必须满足耦合剂的一致性，耦合条件一旦稍有改变，就可能导致波形失真和数值产生误差。测量时，还要将测量数据与地层条件结合起来分析，若发现波形有异常，应在同一个测量段进行多次测量，确保测量精度。

3.3 岩块波速的测量方法

3.3.1 取样

应区别于一般勘察的取样标准，根据地层情况取典型性的岩芯进行波速试验。应依据钻孔柱状图分层取芯做岩块波速实验，原则上同一岩性的岩芯不能少于6组，如果条件允许的情况下，尽量按每米取1～2组进行试验，因为，即便是同一种岩性，在不同的孔段，由于受到风化程度及应力状态的不同，有时波速差异也比较大。

3.3.2 岩块波速测量

岩块波速测量参照《工程岩体试验方法标准》GB/T 50266-99的相关条文执行。

4 测量数据处理及完整性系数KV的确定

4.1 岩体波速数据处理

依据声波仪采集到的数据，按表一的形式进行统计整理。波速分层平均是指岩体波速按照“钻孔柱状图”的地层分层进行算术平均（由于是等距连续测量，此时算术平均等于加权平均）。

根据表一的数据，以孔深为横坐标、波速为纵坐标，绘制孔深——波速分布曲线，并根据曲线的分布情况初步判断岩体质量，看是否与钻孔取芯情况一致。图2为某工程“孔深～波速分布曲线”，从曲线的分布来看，该钻孔10.6～11.6m，15.4～22m，27～32m段岩体比较破碎，27～32米段，曲线呈大的锯齿状，说明该段裂隙发育，且裂隙张开宽度较大，但不密集，导致波速起伏较大，35米后岩性发生变化，与钻孔取芯情况对照基本一致。

4.2 岩块波速数据处理

岩块波速按照表二的格式进行处理。波速分层平均是指岩块波速按照“钻孔柱状图”的地层分层进行算术平均。

4.3 数据统计及完整性系数KV确定

依据表一和表二的数据，按照钻孔柱状图对岩体的分层，将岩体波速、岩块波速按表三的格式进行统计。

上式中，表示第i层岩体的平均波速，表示第i层岩块的平均波速，表示第i层岩体的厚度。

从以上四个平均数可以看出，由于各地层的厚度不同，按照直接平均和加权平均求得的波速值也不尽相同。

可以看出按两种方法求出的完整性系数有一定的差异，根据统计结果发现，如果地层比较均匀时，差异较小；如果地层不均匀，差异就比较大。

由于加权平均考虑了各段地层所占的权重，因此，用加权平均计算的完整性系数相对比较合理。笔者做过大量的统计，岩体波速测量中有如下规律：间隔0.2米连续测量情况下，用加权平均求出的波速与用“岩体总长度∕声波在岩体中传播的总时间”求出的波速基本一致，说明用加权平均法求岩体的波速是比较科学的，用此波速计算出的完整性系数也是可靠的。

5 结论与建议

本文结合工程实际对岩体完整性系数的测量及确定方法进行了介绍，在确定岩体的完整性系数中，要注意以下几点：

（1）测量要以地质为基础，以岩体结构为核心。在进行波速测量前，应当对测量段地层岩性、地质结构进行全面分析；

（2）测量过程中，要认真分析测量数据，查看波形是否与掌握的地层情况一致，若出现较大异常时，应查清原因；

（3）取样做岩块波速时，样品要具有代表性；

（4）计算完整性系数时，岩体、岩块的波速建议采用厚度加权平均，充分考虑不同地层所占的权重；

（5）在利用完整性系数对围岩类别进行整体分级时，建议将岩体的单轴饱和抗压强度也进行加权平均，这样对围岩的整体分级更为合理。

判断岩体的性质是一个复杂的过程，应以多种方法互相印证，才能尽量做到准确，因为每种方法都有它的优点和局限性，只有多重考虑，对围岩的评价才能够更加科学、合理。

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