GSI值的确定和局限性

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GSI值的确定和局限性

1.GSI的产生背景

在工程岩体早期的发展过程中，利用RMR和Q分级系统来来解决开挖和支护的实际施工过程，并且这些评价系统已很好的服务与工程岩体的建设。但随着施工环境的不断复杂，对工程的要求不断提高，能够更加精确分析工程岩体特性的方法急需被提出。在这种背景下，加上数值分析方法的不断发展，利用数值分析来判断和研究工程岩体特性成为很好的突破口和研究方向。近些年由Hoek和Brown所提出的hoek-brown准则便是这样的一种研究思路，在hoek-brown准则初期被提出，Hoek在尝试寻找一种新的岩体工程分类系统失败之后，选择RMR分类系统，将岩体的强度准则与工程的构造观察建立起联系。但很快RMR分类系统的不能表征更全岩体的特性的弊端使得Hoek选择GSI系统，并将其做了进一步发展。

2.GSI的定义以及完善过程

GSI（geological strength index）反映了各种地质条件对岩体强度的削弱程度，用来细致地描述岩体的特性。GSI是一个确切的数值，变化范围从0至100，数值的确定通过岩体的GSI图表中的结构特征和节理表面状态两个方面来确定。这其中岩体结构特征包括节理数量分布、块体形状和地质扰动程度，节理表面状态则是由节理粗糙度、节理风化程度和充填情况来确定。由GSI这六个影响因素分量可以看出GSI值从一个比较全面的角度去描述岩体特性，同时又保证这些影响因素由岩体工程师方便观察确定，这也是符合Hoek当时之所以选择GSI值的原因，同时也完全贴切工程岩体的施工特点。

Hoek自己就在2002年hoek-brown进一步完善的基础上将GSI值做了进一步完善，具体体现在将GSI图表中的结构特征由原来的4个级别扩展到6个级别。但值得注意Hoek的GSI值确定方法均是通过观察者将实地岩体和GSI图表上的各种级别进行比对，以此大致得到一个估计值。但Sonmez在这之前就对Hoek的第一种GSI值确定方法作出完善，将上面所述的影响GSI的两大方面量化。而后Cai等人针对02年版本的GSI图表作出改进，提出根据块体体积大小和节理状态两个定量指标来评价GSI值。再之后就是Russo提出了与以上两种思路完全不同的方法，利用JP和RMi（一种分类系统）来反解GSI，可见这种方法更加依靠数值分析计算。经过这样四次比较大的完善，变的越来越完善，越来越贴合实际工程应用。

3.GSI的应用范围和局限性

确定GSI值的岩体分类系统建立的依据是岩体包含足够多的，随机各个方向的结构面，即岩体表现出各向同性的特性，换句话说，岩体的表现与受荷载的方向是独立的，不受其影响。这同时意味着对于各向异性的岩体，由一个、两个或者三个主要结构面控制的岩体，GSI值的确定是不适用的。

但同时也应注意到，各向异性和由结构面控制其破坏的岩体在工程岩体施工过程中并不少见，于此则体现出GSI值应用的局限性。但同时某些具有各向异性的岩体，仍可以利用GSI值来确定其岩体特性，只要这种岩体的破坏不受各向异性控制。另外对于岩石和结构面的强度差不多相当的岩体，即


便是各向异性，也是可以应用GSI值。上面两个特例表明GSI值应用的灵活和不具体的特性，需根据具体实际岩体特性来判断。从根本上，反映出工程岩体的不确定性，复杂性，再一次提醒我们，对待工程岩体问题，追求精确是没有必要，在很长工程岩体发展过程中是无法实现的。

上面提到过，GSI值的确定由两大分量，六个小分量确定，一方面体现出此种确定方法分析全面，但同时也局限了GSI值的应用。所要考虑的因素太多就导致GSI在很多方面失去其应用型，或者在某些方面又必须作出调整以得到一个适合值。具体哪些细节因素会影响GSI值的确定，这些主要是通过多年的工程实地经验总结出。在工程实际施工中，遇到实际问题，分析反思，以此来确定其因素对GSI值的影响。Hoek在其对GSI应用的建议的论述中给出了很多实际情况。

其中包括以下几个方面：如何利用岩体的露头、开挖边坡和隧道表面以及钻芯来确定GSI值、结构面的宽度、存在填充物质的结构面、水的影响、受风化的岩石、非均质的、富有多种岩性的沉积岩等。

4.GSI和RMR以及Q分类系统的区别

通过GSI图表，能够反映所含物质、结构和构造地质历史等，用来表征岩体的特性。而RMR和Q分类系统是一种工程岩体分类系统，三者在侧重点、所能描述的岩体范围，目的均是不同的，在这三个方面，GSI和另外两个分类系统有很大差别。

GSI通过可靠的、全面的、定量的分析来表现岩体特性，然后通过带入hoek-brown准则，便可以求出岩体的强度和变形参数，更好的应用与实际。GSI相比较于RMR和Q分类系统，是没有岩体加固和设计的能力，只是单纯的评价岩体特性，以此得到相关参数。而相反的RMR和Q则是具有评价岩体加固和支撑的能力，虽然包含一些参数，但这些参数并不是用来评价岩体特性的，并且对于质地较弱的岩体和非均质岩体，没有意义。由此可得知三者之间侧重点不同，不会出现GSI会代替RMR和Q分类系统的现象。

5.GSI的发展，以及反观整个岩体学科的发展

GSI的产生和发展总是依赖于hoek-brown准则的，因此看GSI的发展还是要看hoek-brown准则的发展。由于hoek-brown准则是近些年提出的，在这之前工程岩体的强度准则应用的是mohr-coulomb准则。虽然hoek-brown准则要优于后者，但在后者已广泛应用工程岩体的状况下，怎样能够将hoek-brown准则推广出来，是个很重要的问题。因此，Hoek完善了他的hoek-brown准则体系，提出了等效mohr-coulomb抗剪强度参数的拟合方法。这样将反应hoek-brown准则特性的等效参数代入到现在广泛应用的mohr-coulomb公式中，既提高了准则的适用性，更推广了hoek-brown准则。但是，是否能单独的作为一个独立公式应用到工程中去，还需具体工程经验的不断积累和完善。

前面提到GSI不适用于大部分各向异性的岩体，那么对于这样的岩体，能否通过在GSI图表上再增加相应的类别，以此来考虑这种岩体，是个要研究的问题。即便根据工程岩体的特性，岩体具有不确定性，复杂性，难以测量的性质，不要求对GSI值取精确值，只以一个范围值来代替。但能不能在影响GSI值的因素上下功夫，以此提高精度。


对于现在摄影测量技术的不断提高，利用此种设备去判断岩体内部节理特征的实际工程已有很多。那么将利用设备测量，包括声波、红外技术，和GSI图表联系起来，也会在某种程度上增加GSI值确定的精度。

通过GSI的产生、发展，以及对其应用范围和局限性的分析，来反观整个工程岩体的发展是很有必要的。工程岩体的发展是更加专注于工程实践的，利用实践中遇到的实际问题，对现有的方法，理论进行反思，完善旧方法，寻找新方法，以此更好的服务于工程岩体施工，形成一个良好的循环。另外，工程岩体不是一个独立的学科，它需要与其他各种学科交融，以此彼此促进，共同发展。最后，工程岩体是个以经验为主的学科，至少以目前状况而言，要求人们注重理论本质，数值上无需精确，从宏观和微观两个方面看待问题、探讨问题。

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