基于Hoek-Brown准则确定岩体参数的边坡稳定性分析

高凤怀，尚 敏，张领帅

（1．中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程公司，山东青岛 266071;2．三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002;3．深圳市工勘岩土工程有限公司，广东深圳 518026）

工程中常常遇到大量节理裂隙发育的岩质边坡，岩体力学参数的合理选取是边坡工程理论分析的基础工作，也是边坡设计计算成败的关键．岩体的抗剪强度指标是由完整岩石和不连续面确定的综合抗剪强度指标．然而考虑到岩体边坡含有大量的不同结构、构造、产状和特性的不连续结构面，如断层破碎带、软弱夹层、节理裂隙等，使得岩体抗剪强度参数的合理确定既困难又复杂．

以某岩质高边坡为例，笔者应用Hoek-Brown经验准则并结合现场地质条件确定岩体抗剪强度参数，分别采用极限平衡法和FLAC－2D程序对该边坡的稳定性进行分析与对比，通过现场监测对边坡加固效果进行验证，可为边坡工程设计提供参考．

1 边坡岩体参数确定

1．1 工程概况

某液化天然气项目，共建造3座大型液化天然气储气罐库，库区内山体开挖形成人工挖方岩质高边坡，坡高56 m，长度200 m，库区距边坡坡脚18 m处有一10万m3的储气罐，坡体一旦失稳将直接影响到罐体安全，边坡安全等级为一级．

边坡由于受区域地质构造的影响，岩体破碎、节理裂隙发育、同时发育有泥化夹层，坡体地质条件较复杂．考虑到工程的重要性，对边坡稳定性进行计算分析，并依据分析结果制定可行的加固方案．

1．2 Hoek-Brown 经验准则

Hoek-Brown进行了大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的数理统计，研究了大量岩石的抛物线型破坏包络线，利用抛物线来拟合破坏状态时的实测数据，基于地质强度指标法（Geological Strength Index，GSI）［1］，Hoek-Brown 提出了确定岩石强度的经验准则公式，即

式中：σ'1为破坏时最大有效主应力;σ'3为最小有效主应力;σci为完整岩石单轴抗压强度;mb为岩体材料参数，与岩石性质有关;S和a为与岩体结构特征有关的材料参数．

在确定地质强度指标GSI的基础上，岩体参数mb，S和a由下式确定．

式中：mi为完整岩石的材料参数，取值范围为0～35（严重破碎岩体取0，坚硬完整岩体取35）;GSI为地质强度指标，由岩体不连续结构面性质和岩体构造确定，取值范围为0～100;D为岩体开挖扰动系数，受爆破及应力松弛的扰动影响，取值范围为0～1（0表示岩体未受到扰动影响，1表示岩体受到最大程度影响）．

当σ'1=σ'3=σt时，由式（1）得岩体抗拉强度当σ'3=0时，由式（1）得岩体抗压强度

1．3 岩体参数的确定

根据Hoek-Brown经验准则，通过现场边坡坡体调查确定岩石材料常数mi，地质强度指标GSI和岩体扰动参数D等参数［2］，由试验确定现场岩样的单轴抗压强度σci．边坡各岩体地质参数的取值见表1．

表1 Hoek-Brown经验准则岩体参数

利用表1中各岩体参数，结合工程现场边坡岩体的岩性、岩体结构面类型及结构面之间的充填情况、胶结程度等，采用Rock Lab软件进行计算和分析，得到坡体各岩土体的抗剪强度参数见表2．

表2 边坡岩体抗剪强度参数

2 边坡稳定性分析

2．1 边坡计算模型

该岩质边坡高56 m，一级坡高10 m，坡比5∶1;二级坡高10 m，坡比5∶1;三级坡高36 m，坡比1∶1．一、二级坡体采用锚杆格构梁加固，三级坡体采用锚索格构梁加固．锚索长30 m（锚固段20 m），锚固力900 kN;锚杆长8 m，锚固力80 kN．边坡典型剖面如图1所示．

图1 边坡典型剖面

2．2 极限平衡法

目前常用的极限平衡方法有瑞典圆弧法、费伦纽斯法、简化的毕肖普法、简布法（Janbu）、摩根斯坦－普拉斯法、斯宾塞法、滑楔法等，Janbu法能够同时满足条块之间的力、力矩平衡及整体力矩平衡，其基本原理与条分法基本相同．

边坡岩体从上到下分别为残坡积土、全风化岩体、中风化岩体，岩体节理裂隙发育，坡体可能发生圆弧、非圆弧等滑动破坏．Janbu法适合于任意形状的滑动面，其边坡稳定性计算结果与坡体实际破坏情况较接近［3］．根据表2参数，采用Janbu法分为3种工况对边坡进行稳定性计算，结果见表3．

表3 边坡稳定性计算结果 mm

2．3 FLAC－2D数值分析

根据工程需要，模型简化为平面应变问题，采用Morh-Coulomb屈服准则，同时利用极限平衡法分析所确定的边坡滑裂面位置及以Hoek-Brown经验准则所确定的坡体各岩土体的抗剪强度指标，计算滑体的稳定性安全系数［4］．采用FLAC－2D计算所得的剪应变速率分布图反映坡体的滑动破坏面，零剪应变等值线所包含的区域即为坡体发生了拉伸破坏的区域，如图2与图3所示．

图2 坡体（加固前）塑性区

图3 坡体（加固后）塑性区

由图2和图3可以看出，加固后的坡体塑性区明显发生后移，说明边坡加固后潜在的滑动面后移，也就是坡体的稳定性得到增强．边坡安全系数由加固前的0．95增大到加固后的1．39．

2．4 边坡监测

根据现场情况，在坡顶布置了3个水平位移和沉降变形监测点，监测结果如图4所示．

监测结果表明，边坡放坡期间变形较大，在加固期间边坡变形有一定收敛，坡体加固完成后变形量很小，说明加固后的边坡基本上趋于稳定．

图4 边坡监测结果

3 结语

1）针对岩质边坡，采用Hoek-Brown经验准则所确定的岩体力学参数，能够真实地反映岩体所处的应力状态．

2）应用极限平衡法——Janbu法和FLAC－2D有限差分程序对边坡进行稳定性分析，两种方法计算的结果较接近，为制定边坡加固设计方案提供了可靠依据．

3）现场边坡监测数据表明，边坡理论分析与实际情况比较相符．

［1］陈祖熠，汪小刚，杨健，等．岩质边坡稳定分析——原理·方法·程序［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．

［2］宋建波，张倬元．岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用［M］．北京：地质出版社，2002．

［3］夏元友，李梅．边坡稳定性评价方法研究及发展趋势［J］．岩石力学与工程学报，2002，21（7）：1087 －1091．

［4］桂蕾，殷坤龙，翟月．基于FLAC3D模拟和强度折减法的滑坡稳定性计算［J］．安全与环境工程，2011，6（18）：9－14．