1 引言

工程巖體分類[Engineering Rock Mass Classification]本質上是一種經驗設計方法, 盡管最近10年研究者們試圖開發新的分析技術和建模工具(例如合成巖體SRM), 以取代使用經驗性的工程巖體分類系統來評估斷裂巖體的力學特性, 解決在大型露天礦和地下塊體崩落法開采中遇到的巖石穩定性問題, 但迄今為止, 在實踐的巖石工程中, 仍然代替不了工程巖體分類系統. 這節課簡要總結了世界范圍內廣泛使用的工程巖體分類系統. 

2 目的

在詳細討論各種工程巖體分類系統之前, 首先思考一下工程巖體分類的目的. 總的來說, 工程巖體分類為了達到以下目的:

(1) 為工程地質學家和工程師建立一個相互通訊的橋梁. 任何工程巖體分類系統都是建立在詳細的工程地質調查基礎之上的, 工程師的設計極大地依賴于工程地質學家提供的地質資料.

(2) 確定巖體穩定性最重要的影響因素. 在一個工程項目中, 不同區域的巖體性質表現各異, 通過工程巖體分類, 可以確定出影響巖體穩定性的關鍵因素.

(3) 把巖體劃分為相似的組, 工程師針對不同的組進行設計.

(4) 工程類比. 工程巖體分類的一個直接目的是進行工程類比, 巖體分類提供了一種可以客觀評價的甚至可以借鑒的通用標準.

(5) 使用工程巖體分類進行經驗設計, 決定頂板的自穩時間以及決定是否需要支護.

(6) 為工程設計和數值分析推導定量的巖體參數, 例如巖體強度和變形模量, 我們將在C6的課程中詳細介紹.

3 發展歷史

工程巖體分類最早是由Terzaghi提出，他于 1946 年在隧道鋼結構的支護設計時 , 最早提出了巖石載荷分類系統 (rock load classification system). 盡管這個系統是描述性的, 不像后來發展的RMR和Q-System是數值化的, 但為后來工程巖體分類的發展提出了方向性的思路.  真正第一個定量評價工程巖體的分類指標是RQD. 在此基礎上, 過去50年許多巖石工程研究者相繼發展出許多不同的分類系統, 這些分類方法大都是基于地下采礦和隧道工程的支護設計.

作者	名稱	時間
Terzaghi	定性描述	1946
Lauffer	隧道自立時間	1958
Deere	RQD	1967
Wickham	RSR	1972
Bieniawski	RMR	1973
Barton et al.	Q-System	1974
Laubscher	MRMR	1976
Hoek and Brown	GSI	1994
Palmstrom	RMi	1995

4 主要的分類系統

總的來說, 無論是已經發展出來的分類系統還是計劃開發的新分類系統, 一個好的分類系統應該至少考慮以下這些因素: (1) 原巖強度和原巖應力; (2) 節理性質; (3) 地下水. 鑒于時間關系和流行程度, 本次課程只討論四種工程巖體分類方法：RQD，RMR, Q-System和GSI.

4.1 RQD

Deere’s RQD (Rock Quality Designation)是現代工程巖體分類的基石, 盡管后來在此基礎上發展了Q-System, RMR, GSI等先進的巖體分類方法，但RQD方法仍然在實踐中被廣泛使用，特別在北美的巖石工程界。RQD對20世紀巖石力學的發展產生了決定性的影響。 

Deere's RQD---現代巖體工程分類方法的基石 (Part I)

Deere's RQD---現代巖體工程分類方法的基石 (Part II)

估算RQD的算法和規則

4.2 RMR

Bieniawski的RMR考慮了完整巖石強度, RQD, 節理間距, 節理狀態,地下水以及節理方向, 是1970年代到1990年代之間最廣泛使用的工程巖體分類方法, 本次課程主要強調了這種分類. 

4.3 Q-System

Barton的Q分類方法主要應用于地下開挖, 本次課程沒有作為重點, 僅提及而已[Q-System巖石塊體尺寸的估算(RQD/Jn)]. 不過近年來, Barton等人也發展了使用于邊坡工程的Q系統,參看[邊坡工程巖體分類系統Q-slope]. 

4.4 GSI

Hoek的GSI是目前最廣泛使用的工程巖體分類系統. 參看下面的鏈接:

IMASS---FLAC3D和3DEC新的本構模型(3)

巖體變形模量的估算---Python實現

Hoek的巖體變形模量經驗估計---Is it reliable ?

5 分類方法之間的關系

Bieniawski 建立了RMR與Q之間的關系, 如下圖所示.  

而Hoek 則建立了RMR, Q和GSI之間的關系用來表示巖體質量指標與巖體強度及變形模量之間的定量關系，參看[工程巖體分類的簡要回顧]。

6 結束語

事實上, 還有許多優秀的工程巖體分類系統, 例如在自然崩落法中廣泛應用的MRMR分類系統和空場采礦法中廣泛應用的Mathew方法, 以及RMS系統[工程巖體分類RMS(Rock Mass Strength)]和RMi系統[巖體強度計算: RMi---Rock Mass index], 限于時間關系, 不再贅述. 此外, SSGeotech數據集目前共有65,000篇論文, 主要集中在采礦巖石力學和巖石邊坡穩定性領域.