基于廣義Hoek-Brown模型的破碎高邊坡穩定性研究

黃 鋒，于孫相，謝秉忠，王周望，廖言豐，馬希磊，王冬明，查文華

（1.福建建工基礎設施建設集團有限責任公司，福建 福州 350001；2.福建建工集團有限責任公司，福建 福州 350001；3.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；4.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013）

隨著我國基礎建設的不斷推進，越來越多的山區建設項目日益增多。進而人工開挖導致不同破碎程度的山體陡坡頻頻出現，加之降雨、地震和人工擾動等外部因素的影響，此類人工削坡揭露的結構面更容易導致滑坡、崩塌和剝落等地質災害的發生，嚴重威脅著公路的安全生產建設。因此對高陡破碎巖質邊坡進行有針對性穩定性預測分析非常重要（樊赟赟等，2022）。陳慶峰等（2021）建立滑移-彎曲式傾倒變形力學模型，采用Rhino 6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模方法對斷層破碎帶區域進行數值模擬穩定性分析，得出隨著采場開拓逐漸加深，邊坡高度亦不斷增加，采場壩幫受斷層破碎帶的影響，區域局部失穩變為整體失穩；劉永波等（2016）針對長河壩水電站進水口邊坡巖體破碎的地質構造，通過錨固鉆孔發現局部邊坡受卸荷及地質構造影響，坡體產生滑移拉裂破壞，表部形成直徑0.5～5.0 m大小不等的空腔，淺表部巖體具架空結構，松動巖帶厚5.0～10.0 m等特征；和大釗等（2018）通過研究斷層破碎巖土體幾何參數和力學參數對邊坡破壞模式及穩定性的影響，得出斷層的幾何參數對邊坡的破壞模式和穩定性有較大的影響，并且影響程度大于其力學參數的影響；巫輔宇等（2022）分別分析降雨類型、停雨間隔時間和降雨強度對邊坡孔隙水壓力的影響，結果表明增強型降雨對邊坡穩定性系數影響最大，在總降雨量相同時，停雨間隔時間縮減對邊坡穩定性往往不利；劉楊等（2022）為探究降雨對含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡穩定性的影響，運用強度折減法計算得出降雨會對降雨滲流通道產生阻礙，進而孔壓曲線發生畸變，邊坡豎直截面上的孔壓增長率自上而下呈減小趨勢，因此在相同時間段內浸潤深度與坡面孔壓的增量逐步減少。

但是，上述的大多數研究成果主要考慮邊坡坡面上個別優勢節理，無法考慮整體邊坡坡面破碎程度。本文在已有研究成果基礎上，以現場結構面實測數據與數值模擬和理論分析方法相結合，研究降雨入滲對破碎巖質高邊坡的影響，此方法克服了傳統邊坡穩定性分析只考慮優勢節理組方法搜索效率低、工作量大、準確性差等諸多問題，為高效而精準地進行高陡破碎巖質邊坡穩定性分析提供了技術參考。

1 研究區概況

1.1 地形地貌與地質構造

研究區位于福建省福州市永泰縣境內，穿越的地貌單元有河流階地、山間谷地、丘陵坡地等。山體陡峭地形起伏大，山地自然坡度25～35°，局部陡壁坡度可達65°。區內邊坡最高達30 m，為高邊坡，邊坡鉆孔資料揭示，該邊坡上部為坡積粉質黏土，下部為碎塊狀強風化凝灰巖和中風化凝灰巖。碎塊狀強風化凝灰巖有淺黃、灰黃色，巖石風化呈碎石塊夾土狀，碎塊手可折斷，巖土等級為Ⅳ級軟巖；中風化凝灰巖有淺黃、淺灰色，厚層狀，裂隙較發育，巖土等級為Ⅴ級次堅巖。坡面巖體呈碎裂狀或薄層狀，結構面很發育，如圖1所示。

圖1 碎裂狀或薄層狀結構面Fig.1 The rock mass on the slope is in cataclastic structure

1.2 結構面統計

對邊坡結構面進行統計是分析邊坡破碎程度的基礎工作（何云勇等，2022）。開挖后邊坡坡面結構面露頭明顯，節理面呈張開狀態且張開距離具有差異性，據現場測量結構面張開距離為4～15 mm，且巖體在早期構造應力、巖體自身重力、降雨入滲等因素作用及邊坡開挖卸荷作用下，巖體張開加快，使巖塊、巖屑、巖粉夾泥質等充填物大量存在于裂隙巖塊中（王建明等，2022）。因此，此類裂隙塊體對整體巖體性質有著實質性的影響，控制著整體邊坡的穩定性。

根據野外測量數據，對36組結構面的數據進行了詳細的統計分析（蔣水華等，2021）。結構面的張開度、延續性、結合度和間距是描述結構面的必要條件，本次統計主要在實測統計基礎上，針對上述36組優勢結構面采用K均值聚類法統計，分別得到了坡面巖體張開度分級圖2-a、坡面巖體跡長延續性統計圖2-b、坡面巖體結合度統計圖2-c以及坡面巖體間距分級圖2-d。

由圖2-a可以得到局部張開的占6.83%，張開的占10.27%，中等寬度的占67.25%，很寬的占15.65%。因此，中等寬度—很寬裂隙的占多數。由圖2-b可以得到跡長延續性很低占15.34%，低延續性占25.56%，中等延續性占43.27%，高延續性占17.83%，可見低—中等延續性裂隙占優。由圖2-c可以得到結合度好占5.12%，結合度一般占14.36%，結合度差占60.68%，結合度很差19.84%，由此可知結合度差裂隙占優勢。由圖2-d可以得到中等間距占76.83%，寬間距占23.17%，故中等間距裂隙的數量占優。

圖2 破碎巖體結構描述統計圖Fig.2 Description and statistics of broken rock mass structure

2 廣義Ho e k-Bro w n強度準則

Hoek-Brown強度準則（李良權等，2018）最初只是一個推導公式，理論逐漸完善后E.Hoek指出其不足，并進行改良與修正，從1936年的混凝土強度理論推導而來，廣義的Hoek-Brown強度準則表示為

式中：σ1、σ3分別為最大和最小有效主應力，且壓為正；σci為完整巖塊的單軸抗壓強度，可由室內試驗確定；mb、s和a與巖體GSI指標和巖體開挖擾動指標D有關，可按下式進行取值：

式中：mi為與完整巖塊的礦物成分和結晶結構有關的參數，反映巖石的軟硬程度，取值范圍0.001～25.0；mb為與巖體的節理化程度以及開挖擾動有關的參數；GSI為巖體質量指標，根據現場觀察巖石露頭及鉆孔巖心的巖石特性進行取值，有插值法和間接法2種便捷取值方法，取值為0～100；a和s為模型參數，a范圍取值為0.5～0.65，當巖體為完整巖體時，a=0.5和s=1；D為現場開挖擾動指標（占紹祥等，2020），開挖爆破的邊坡深部巖體將會產生松動，使巖體強度弱化與損傷，范圍取值為0～1，對于開挖未擾動巖體，D=0。

以廣義的Hoek-Brown強度準則為理論基礎，對高陡破碎巖質邊坡進行交叉穩定性分析，得出邊坡在不同工況下的安全系數、應力應變分布規律以及位移變化情況等多個方面對破碎巖質邊坡進行綜合分析，確定該強度準則對此類高陡破碎巖質邊坡穩定性分析計算是切實可行的。

3 邊坡穩定性分析

3.1 計算模型與參數

本文以廣義Hoek-Brown模型（鄧小釗等，2014）為本構模型，利用廣義的Hoek-Brown強度準則判斷節理巖體的強度和變形，至少需要估計巖體3種性質：1）完整巖石的單軸抗壓強度σci；2）完整巖石的Hoek-Brown常數m；3）巖體的地質強度指標GSI。

依據公式（1）、公式（2）以及研究區邊坡現場勘探工程地質條件，完整巖石Hoek-Brown常數m（彭俊等，2013）按與片理面垂直的方向試驗所得，通過結構條件以及表面質量得到地質強度指標GSI（盧書強等，2009），巖石的單軸抗壓強度σci（彭坤等，2017）通過單軸抗壓實驗儀測得，數值模擬采用的巖土體變形參數見表1。

表1 巖土體變形參數表Tab.1 Deformation parameters of rock and soil mass

3.2 設置工況

計算工況分別為：工況Ⅰ，考慮坡面破碎旱季邊坡穩定性，路基開挖后的自重（天然狀態）；工況Ⅱ，考慮坡面破碎雨季邊坡穩定性，路基開挖后的自重+暴雨（飽和狀態）。工程邊坡剖面見圖3。

圖3 工程邊坡剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of project slope profile

3.3 邊坡穩定性計算分析

了解降雨對于此類特殊邊坡穩定和變形的影響，采用有限元分析軟件Midas GTS NX（黃宇，2015；張瑩，2017）對破碎邊坡降雨過程進行了仿真分析，其中該軟件中的Hoek-Brown模型可以充分考慮坡面巖體破碎性。計算模型采用2D模型，坡面巖體本構模型采用廣義Hoek-Brown模型，計算域內模擬了地質剖面圖中所有的巖層與破碎巖石，屬性為2D單元平面應變。計算域兩側及底部約束為自動-區域約束。巖體的初始應力場按自重應力場考慮，采用強度折減法（SRM）進行施工階段的邊坡穩定性分析，計算網格模型見圖4。

圖4 邊坡網格劃分Fig.4 Grid division of slope

3.3.1 位移特征分析

圖5-a、圖5-b為破碎巖質邊坡的水平方向位移云圖，圖中數值為正，代表邊坡向臨空面方向進行位移，由圖例及位移云圖分布直觀展現出邊坡受力變形時內部位移狀態。從圖5可知，無論是工況Ⅰ還是工況Ⅱ邊坡，水平位移主要集中在坡腳。工況Ⅰ最大位移量為4.144 mm，邊坡整體穩定；工況Ⅱ最大位移量為27.47 mm，之所以出現明顯差異，是因為破碎巖石在降雨沖刷作用下產生明顯滑動，說明破碎坡面處于欠穩定狀態。

圖5 水平方向位移云圖Fig.5 Horizontal displacement cloud diagram

圖6-a、圖6-b為破碎巖質邊坡的豎直位移圖，圖中負號代表沉降，由圖例及豎直位移云圖分布直觀展現出邊坡受力變形時內部位移狀態。從圖6可知，無論是工況Ⅰ還是工況Ⅱ邊坡，豎直方向位移主要集中在坡腳。工況Ⅰ最大位移量為20.15 mm，邊坡整體穩定；工況Ⅱ最大位移量為28.33 mm，出現明顯差異的原因，是由于破碎巖石在降雨沖刷作用下產生明顯沉降，說明破碎坡面處于欠穩定狀態。

圖6 豎直方向位移云圖Fig.6 Vertical displacement cloud diagram

3.3.2 最大剪應力特征分析

圖7為最大剪應力云圖。邊坡在工況Ⅰ、工況Ⅱ條件下應力無明顯區別，自然工況下最大剪應力為400.8 kN·m-2，降雨工況下最大剪應力為406.7 kN·m-2。從圖7中能夠看出最大剪應力在坡頂較小，隨埋深的增加，最大剪應變增量明顯，應力向邊坡內部呈線性增長，且最大剪應力由上而下分布均勻，未出現應力集中現象，表明邊坡體垂直方向主要受自身重力影響。

圖7 最大剪應力云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum shear stress

3.3.3 等效塑性應變特征分析

圖8為等效塑性應變云圖。其展現出邊坡潛在滑動帶位置，工況Ⅰ下的巖質臺階坡面位有少量塑性區，無明顯滑動帶，安全系數為1.82，邊坡處于穩定狀態；工況Ⅱ下的巖質臺階貫通區明顯，坡體內形成圓弧狀滑動帶，邊坡穩定性系數為1.19，處于不穩定狀態—欠穩定狀態。因此，該段邊坡開挖后在暴雨或連續降雨的情況下可能發生工程滑坡。

圖8 等效塑性應變云圖Fig.8 Cloud Chart of Equivalent Plastic Strain

4 結論及建議

1）研究區邊坡巖體結構主要為破碎鑲嵌狀結構，風化程度較高，受降雨沖刷侵蝕嚴重，易產生小型的崩塌、掉塊。

2）在降雨工況作用下，其穩定性顯著降低，邊坡整體的潛在破壞面形成，內部發生以剪切為主的破壞。邊坡坡面沿弱層位移較大，邊坡中部移動不明顯，邊坡水平位移表現為沿邊坡坡腳與弱層順層剪出，邊坡豎向位移主要表現為坡頂沉降，坡腳因受坡頂及坡面巖體擠壓、拉裂作用，大范圍隆起，在碎石土弱層下發生較大移動量區域較小。

3）對于破碎巖質高邊坡，在進行穩定性分析計算時，往往忽略邊坡坡面的不連續性，通過結構面統計分析及廣義Hoek-Brown模型進行穩定性計算具有一定實際參考價值。

4）對破碎巖質邊坡進行治理時，建議著重注意邊坡坡腳的加固，利用截排水溝、設急流槽、平臺側溝、路塹邊溝等排水設施組成綜合地表排水系統，以消除降雨對破碎高邊坡穩定性的不利影響。