基于广义Hoek-Brown模型的破碎高边坡稳定性研究

黄 锋，于孙相，谢秉忠，王周望，廖言丰，马希磊，王冬明，查文华

（1.福建建工基础设施建设集团有限责任公司，福建 福州 350001；2.福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350001；3.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000；4.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013）

随着我国基础建设的不断推进，越来越多的山区建设项目日益增多。进而人工开挖导致不同破碎程度的山体陡坡频频出现，加之降雨、地震和人工扰动等外部因素的影响，此类人工削坡揭露的结构面更容易导致滑坡、崩塌和剥落等地质灾害的发生，严重威胁着公路的安全生产建设。因此对高陡破碎岩质边坡进行有针对性稳定性预测分析非常重要（樊赟赟等，2022）。陈庆峰等（2021）建立滑移-弯曲式倾倒变形力学模型，采用Rhino 6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模方法对断层破碎带区域进行数值模拟稳定性分析，得出随着采场开拓逐渐加深，边坡高度亦不断增加，采场坝帮受断层破碎带的影响，区域局部失稳变为整体失稳；刘永波等（2016）针对长河坝水电站进水口边坡岩体破碎的地质构造，通过锚固钻孔发现局部边坡受卸荷及地质构造影响，坡体产生滑移拉裂破坏，表部形成直径0.5～5.0 m大小不等的空腔，浅表部岩体具架空结构，松动岩带厚5.0～10.0 m等特征；和大钊等（2018）通过研究断层破碎岩土体几何参数和力学参数对边坡破坏模式及稳定性的影响，得出断层的几何参数对边坡的破坏模式和稳定性有较大的影响，并且影响程度大于其力学参数的影响；巫辅宇等（2022）分别分析降雨类型、停雨间隔时间和降雨强度对边坡孔隙水压力的影响，结果表明增强型降雨对边坡稳定性系数影响最大，在总降雨量相同时，停雨间隔时间缩减对边坡稳定性往往不利；刘杨等（2022）为探究降雨对含缓倾软弱夹层矿山高边坡稳定性的影响，运用强度折减法计算得出降雨会对降雨渗流通道产生阻碍，进而孔压曲线发生畸变，边坡竖直截面上的孔压增长率自上而下呈减小趋势，因此在相同时间段内浸润深度与坡面孔压的增量逐步减少。

但是，上述的大多数研究成果主要考虑边坡坡面上个别优势节理，无法考虑整体边坡坡面破碎程度。本文在已有研究成果基础上，以现场结构面实测数据与数值模拟和理论分析方法相结合，研究降雨入渗对破碎岩质高边坡的影响，此方法克服了传统边坡稳定性分析只考虑优势节理组方法搜索效率低、工作量大、准确性差等诸多问题，为高效而精准地进行高陡破碎岩质边坡稳定性分析提供了技术参考。

1 研究区概况

1.1 地形地貌与地质构造

研究区位于福建省福州市永泰县境内，穿越的地貌单元有河流阶地、山间谷地、丘陵坡地等。山体陡峭地形起伏大，山地自然坡度25～35°，局部陡壁坡度可达65°。区内边坡最高达30 m，为高边坡，边坡钻孔资料揭示，该边坡上部为坡积粉质黏土，下部为碎块状强风化凝灰岩和中风化凝灰岩。碎块状强风化凝灰岩有浅黄、灰黄色，岩石风化呈碎石块夹土状，碎块手可折断，岩土等级为Ⅳ级软岩；中风化凝灰岩有浅黄、浅灰色，厚层状，裂隙较发育，岩土等级为Ⅴ级次坚岩。坡面岩体呈碎裂状或薄层状，结构面很发育，如图1所示。

图1 碎裂状或薄层状结构面Fig.1 The rock mass on the slope is in cataclastic structure

1.2 结构面统计

对边坡结构面进行统计是分析边坡破碎程度的基础工作（何云勇等，2022）。开挖后边坡坡面结构面露头明显，节理面呈张开状态且张开距离具有差异性，据现场测量结构面张开距离为4～15 mm，且岩体在早期构造应力、岩体自身重力、降雨入渗等因素作用及边坡开挖卸荷作用下，岩体张开加快，使岩块、岩屑、岩粉夹泥质等充填物大量存在于裂隙岩块中（王建明等，2022）。因此，此类裂隙块体对整体岩体性质有着实质性的影响，控制着整体边坡的稳定性。

根据野外测量数据，对36组结构面的数据进行了详细的统计分析（蒋水华等，2021）。结构面的张开度、延续性、结合度和间距是描述结构面的必要条件，本次统计主要在实测统计基础上，针对上述36组优势结构面采用K均值聚类法统计，分别得到了坡面岩体张开度分级图2-a、坡面岩体迹长延续性统计图2-b、坡面岩体结合度统计图2-c以及坡面岩体间距分级图2-d。

由图2-a可以得到局部张开的占6.83%，张开的占10.27%，中等宽度的占67.25%，很宽的占15.65%。因此，中等宽度—很宽裂隙的占多数。由图2-b可以得到迹长延续性很低占15.34%，低延续性占25.56%，中等延续性占43.27%，高延续性占17.83%，可见低—中等延续性裂隙占优。由图2-c可以得到结合度好占5.12%，结合度一般占14.36%，结合度差占60.68%，结合度很差19.84%，由此可知结合度差裂隙占优势。由图2-d可以得到中等间距占76.83%，宽间距占23.17%，故中等间距裂隙的数量占优。

图2 破碎岩体结构描述统计图Fig.2 Description and statistics of broken rock mass structure

2 广义Ho e k-Bro w n强度准则

Hoek-Brown强度准则（李良权等，2018）最初只是一个推导公式，理论逐渐完善后E.Hoek指出其不足，并进行改良与修正，从1936年的混凝土强度理论推导而来，广义的Hoek-Brown强度准则表示为

式中：σ1、σ3分别为最大和最小有效主应力，且压为正；σci为完整岩块的单轴抗压强度，可由室内试验确定；mb、s和a与岩体GSI指标和岩体开挖扰动指标D有关，可按下式进行取值：

式中：mi为与完整岩块的矿物成分和结晶结构有关的参数，反映岩石的软硬程度，取值范围0.001～25.0；mb为与岩体的节理化程度以及开挖扰动有关的参数；GSI为岩体质量指标，根据现场观察岩石露头及钻孔岩心的岩石特性进行取值，有插值法和间接法2种便捷取值方法，取值为0～100；a和s为模型参数，a范围取值为0.5～0.65，当岩体为完整岩体时，a=0.5和s=1；D为现场开挖扰动指标（占绍祥等，2020），开挖爆破的边坡深部岩体将会产生松动，使岩体强度弱化与损伤，范围取值为0～1，对于开挖未扰动岩体，D=0。

以广义的Hoek-Brown强度准则为理论基础，对高陡破碎岩质边坡进行交叉稳定性分析，得出边坡在不同工况下的安全系数、应力应变分布规律以及位移变化情况等多个方面对破碎岩质边坡进行综合分析，确定该强度准则对此类高陡破碎岩质边坡稳定性分析计算是切实可行的。

3 边坡稳定性分析

3.1 计算模型与参数

本文以广义Hoek-Brown模型（邓小钊等，2014）为本构模型，利用广义的Hoek-Brown强度准则判断节理岩体的强度和变形，至少需要估计岩体3种性质：1）完整岩石的单轴抗压强度σci；2）完整岩石的Hoek-Brown常数m；3）岩体的地质强度指标GSI。

依据公式（1）、公式（2）以及研究区边坡现场勘探工程地质条件，完整岩石Hoek-Brown常数m（彭俊等，2013）按与片理面垂直的方向试验所得，通过结构条件以及表面质量得到地质强度指标GSI（卢书强等，2009），岩石的单轴抗压强度σci（彭坤等，2017）通过单轴抗压实验仪测得，数值模拟采用的岩土体变形参数见表1。

表1 岩土体变形参数表Tab.1 Deformation parameters of rock and soil mass

3.2 设置工况

计算工况分别为：工况Ⅰ，考虑坡面破碎旱季边坡稳定性，路基开挖后的自重（天然状态）；工况Ⅱ，考虑坡面破碎雨季边坡稳定性，路基开挖后的自重+暴雨（饱和状态）。工程边坡剖面见图3。

图3 工程边坡剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of project slope profile

3.3 边坡稳定性计算分析

了解降雨对于此类特殊边坡稳定和变形的影响，采用有限元分析软件Midas GTS NX（黄宇，2015；张莹，2017）对破碎边坡降雨过程进行了仿真分析，其中该软件中的Hoek-Brown模型可以充分考虑坡面岩体破碎性。计算模型采用2D模型，坡面岩体本构模型采用广义Hoek-Brown模型，计算域内模拟了地质剖面图中所有的岩层与破碎岩石，属性为2D单元平面应变。计算域两侧及底部约束为自动-区域约束。岩体的初始应力场按自重应力场考虑，采用强度折减法（SRM）进行施工阶段的边坡稳定性分析，计算网格模型见图4。

图4 边坡网格划分Fig.4 Grid division of slope

3.3.1 位移特征分析

图5-a、图5-b为破碎岩质边坡的水平方向位移云图，图中数值为正，代表边坡向临空面方向进行位移，由图例及位移云图分布直观展现出边坡受力变形时内部位移状态。从图5可知，无论是工况Ⅰ还是工况Ⅱ边坡，水平位移主要集中在坡脚。工况Ⅰ最大位移量为4.144 mm，边坡整体稳定；工况Ⅱ最大位移量为27.47 mm，之所以出现明显差异，是因为破碎岩石在降雨冲刷作用下产生明显滑动，说明破碎坡面处于欠稳定状态。

图5 水平方向位移云图Fig.5 Horizontal displacement cloud diagram

图6-a、图6-b为破碎岩质边坡的竖直位移图，图中负号代表沉降，由图例及竖直位移云图分布直观展现出边坡受力变形时内部位移状态。从图6可知，无论是工况Ⅰ还是工况Ⅱ边坡，竖直方向位移主要集中在坡脚。工况Ⅰ最大位移量为20.15 mm，边坡整体稳定；工况Ⅱ最大位移量为28.33 mm，出现明显差异的原因，是由于破碎岩石在降雨冲刷作用下产生明显沉降，说明破碎坡面处于欠稳定状态。

图6 竖直方向位移云图Fig.6 Vertical displacement cloud diagram

3.3.2 最大剪应力特征分析

图7为最大剪应力云图。边坡在工况Ⅰ、工况Ⅱ条件下应力无明显区别，自然工况下最大剪应力为400.8 kN·m-2，降雨工况下最大剪应力为406.7 kN·m-2。从图7中能够看出最大剪应力在坡顶较小，随埋深的增加，最大剪应变增量明显，应力向边坡内部呈线性增长，且最大剪应力由上而下分布均匀，未出现应力集中现象，表明边坡体垂直方向主要受自身重力影响。

图7 最大剪应力云图Fig.7 Cloud diagram of maximum shear stress

3.3.3 等效塑性应变特征分析

图8为等效塑性应变云图。其展现出边坡潜在滑动带位置，工况Ⅰ下的岩质台阶坡面位有少量塑性区，无明显滑动带，安全系数为1.82，边坡处于稳定状态；工况Ⅱ下的岩质台阶贯通区明显，坡体内形成圆弧状滑动带，边坡稳定性系数为1.19，处于不稳定状态—欠稳定状态。因此，该段边坡开挖后在暴雨或连续降雨的情况下可能发生工程滑坡。

图8 等效塑性应变云图Fig.8 Cloud Chart of Equivalent Plastic Strain

4 结论及建议

1）研究区边坡岩体结构主要为破碎镶嵌状结构，风化程度较高，受降雨冲刷侵蚀严重，易产生小型的崩塌、掉块。

2）在降雨工况作用下，其稳定性显著降低，边坡整体的潜在破坏面形成，内部发生以剪切为主的破坏。边坡坡面沿弱层位移较大，边坡中部移动不明显，边坡水平位移表现为沿边坡坡脚与弱层顺层剪出，边坡竖向位移主要表现为坡顶沉降，坡脚因受坡顶及坡面岩体挤压、拉裂作用，大范围隆起，在碎石土弱层下发生较大移动量区域较小。

3）对于破碎岩质高边坡，在进行稳定性分析计算时，往往忽略边坡坡面的不连续性，通过结构面统计分析及广义Hoek-Brown模型进行稳定性计算具有一定实际参考价值。

4）对破碎岩质边坡进行治理时，建议着重注意边坡坡脚的加固，利用截排水沟、设急流槽、平台侧沟、路堑边沟等排水设施组成综合地表排水系统，以消除降雨对破碎高边坡稳定性的不利影响。