基于廣義Hoek-Brown模型的破碎高邊坡穩(wěn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)集團有限責(zé)任公司，福建 福州 350001；2.福建建工集團有限責(zé)任公司，福建 福州 350001；3.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；4.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進，越來越多的山區(qū)建設(shè)項目日益增多。進而人工開挖導(dǎo)致不同破碎程度的山體陡坡頻頻出現(xiàn)，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(jié)構(gòu)面更容易導(dǎo)致滑坡、崩塌和剝落等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著公路的安全生產(chǎn)建設(shè)。因此對高陡破碎巖質(zhì)邊坡進行有針對性穩(wěn)定性預(yù)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(xué)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(qū)域進行數(shù)值模擬穩(wěn)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(qū)域局部失穩(wěn)變?yōu)檎w失穩(wěn)；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(zhì)構(gòu)造，通過錨固鉆孔發(fā)現(xiàn)局部邊坡受卸荷及地質(zhì)構(gòu)造影響，坡體產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(shù)和力學(xué)參數(shù)對邊坡破壞模式及穩(wěn)定性的影響，得出斷層的幾何參數(shù)對邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性有較大的影響，并且影響程度大于其力學(xué)參數(shù)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(jié)果表明增強型降雨對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響最大，在總降雨量相同時，停雨間隔時間縮減對邊坡穩(wěn)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(wěn)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(chǎn)生阻礙，進而孔壓曲線發(fā)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(nèi)浸潤深度與坡面孔壓的增量逐步減少。

但是，上述的大多數(shù)研究成果主要考慮邊坡坡面上個別優(yōu)勢節(jié)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(chǔ)上，以現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬和理論分析方法相結(jié)合，研究降雨入滲對破碎巖質(zhì)高邊坡的影響，此方法克服了傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析只考慮優(yōu)勢節(jié)理組方法搜索效率低、工作量大、準(zhǔn)確性差等諸多問題，為高效而精準(zhǔn)地進行高陡破碎巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析提供了技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于福建省福州市永泰縣境內(nèi)，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(qū)內(nèi)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(zhì)黏土，下部為碎塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r和中風(fēng)化凝灰?guī)r。碎塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r有淺黃、灰黃色，巖石風(fēng)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(fēng)化凝灰?guī)r有淺黃、淺灰色，厚層狀，裂隙較發(fā)育，巖土等級為Ⅴ級次堅巖。坡面巖體呈碎裂狀或薄層狀，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，如圖1所示。

圖1 碎裂狀或薄層狀結(jié)構(gòu)面Fig.1 The rock mass on the slope is in cataclastic structure

1.2 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計

對邊坡結(jié)構(gòu)面進行統(tǒng)計是分析邊坡破碎程度的基礎(chǔ)工作（何云勇等，2022）。開挖后邊坡坡面結(jié)構(gòu)面露頭明顯，節(jié)理面呈張開狀態(tài)且張開距離具有差異性，據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)構(gòu)面張開距離為4～15 mm，且?guī)r體在早期構(gòu)造應(yīng)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(zhì)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(zhì)有著實質(zhì)性的影響，控制著整體邊坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)野外測量數(shù)據(jù)，對36組結(jié)構(gòu)面的數(shù)據(jù)進行了詳細的統(tǒng)計分析（蔣水華等，2021）。結(jié)構(gòu)面的張開度、延續(xù)性、結(jié)合度和間距是描述結(jié)構(gòu)面的必要條件，本次統(tǒng)計主要在實測統(tǒng)計基礎(chǔ)上，針對上述36組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面采用K均值聚類法統(tǒng)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(xù)性統(tǒng)計圖2-b、坡面巖體結(jié)合度統(tǒng)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(shù)。由圖2-b可以得到跡長延續(xù)性很低占15.34%，低延續(xù)性占25.56%，中等延續(xù)性占43.27%，高延續(xù)性占17.83%，可見低—中等延續(xù)性裂隙占優(yōu)。由圖2-c可以得到結(jié)合度好占5.12%，結(jié)合度一般占14.36%，結(jié)合度差占60.68%，結(jié)合度很差19.84%，由此可知結(jié)合度差裂隙占優(yōu)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(shù)量占優(yōu)。

圖2 破碎巖體結(jié)構(gòu)描述統(tǒng)計圖Fig.2 Description and statistics of broken rock mass structure

2 廣義Ho e k-Bro w n強度準(zhǔn)則

Hoek-Brown強度準(zhǔn)則（李良權(quán)等，2018）最初只是一個推導(dǎo)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(dǎo)而來，廣義的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則表示為

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

式中：mi為與完整巖塊的礦物成分和結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，反映巖石的軟硬程度，取值范圍0.001～25.0；mb為與巖體的節(jié)理化程度以及開挖擾動有關(guān)的參數(shù)；GSI為巖體質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)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(shù)，a范圍取值為0.5～0.65，當(dāng)巖體為完整巖體時，a=0.5和s=1；D為現(xiàn)場開挖擾動指標(biāo)（占紹祥等，2020），開挖爆破的邊坡深部巖體將會產(chǎn)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(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)，對高陡破碎巖質(zhì)邊坡進行交叉穩(wěn)定性分析，得出邊坡在不同工況下的安全系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律以及位移變化情況等多個方面對破碎巖質(zhì)邊坡進行綜合分析，確定該強度準(zhǔn)則對此類高陡破碎巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析計算是切實可行的。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算模型與參數(shù)

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

依據(jù)公式（1）、公式（2）以及研究區(qū)邊坡現(xiàn)場勘探工程地質(zhì)條件，完整巖石Hoek-Brown常數(shù)m（彭俊等，2013）按與片理面垂直的方向試驗所得，通過結(jié)構(gòu)條件以及表面質(zhì)量得到地質(zhì)強度指標(biāo)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(shù)值模擬采用的巖土體變形參數(shù)見表1。

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

3.2 設(shè)置工況

計算工況分別為：工況Ⅰ，考慮坡面破碎旱季邊坡穩(wěn)定性，路基開挖后的自重（天然狀態(tài)）；工況Ⅱ，考慮坡面破碎雨季邊坡穩(wěn)定性，路基開挖后的自重+暴雨（飽和狀態(tài)）。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(wěn)定性計算分析

了解降雨對于此類特殊邊坡穩(wěn)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(gòu)模型采用廣義Hoek-Brown模型，計算域內(nèi)模擬了地質(zhì)剖面圖中所有的巖層與破碎巖石，屬性為2D單元平面應(yīng)變。計算域兩側(cè)及底部約束為自動-區(qū)域約束。巖體的初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，采用強度折減法（SRM）進行施工階段的邊坡穩(wěn)定性分析，計算網(wǎng)格模型見圖4。

圖4 邊坡網(wǎng)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(zhì)邊坡的水平方向位移云圖，圖中數(shù)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(xiàn)出邊坡受力變形時內(nèi)部位移狀態(tài)。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(wěn)定；工況Ⅱ最大位移量為27.47 mm，之所以出現(xiàn)明顯差異，是因為破碎巖石在降雨沖刷作用下產(chǎn)生明顯滑動，說明破碎坡面處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

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(zhì)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(xiàn)出邊坡受力變形時內(nèi)部位移狀態(tài)。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(wěn)定；工況Ⅱ最大位移量為28.33 mm，出現(xiàn)明顯差異的原因，是由于破碎巖石在降雨沖刷作用下產(chǎn)生明顯沉降，說明破碎坡面處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

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

3.3.2 最大剪應(yīng)力特征分析

圖7為最大剪應(yīng)力云圖。邊坡在工況Ⅰ、工況Ⅱ條件下應(yīng)力無明顯區(qū)別，自然工況下最大剪應(yīng)力為400.8 kN·m-2，降雨工況下最大剪應(yīng)力為406.7 kN·m-2。從圖7中能夠看出最大剪應(yīng)力在坡頂較小，隨埋深的增加，最大剪應(yīng)變增量明顯，應(yīng)力向邊坡內(nèi)部呈線性增長，且最大剪應(yīng)力由上而下分布均勻，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)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(yīng)力云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum shear stress

3.3.3 等效塑性應(yīng)變特征分析

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

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

4 結(jié)論及建議

1）研究區(qū)邊坡巖體結(jié)構(gòu)主要為破碎鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化程度較高，受降雨沖刷侵蝕嚴(yán)重，易產(chǎn)生小型的崩塌、掉塊。

2）在降雨工況作用下，其穩(wěn)定性顯著降低，邊坡整體的潛在破壞面形成，內(nèi)部發(fā)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(xiàn)為沿邊坡坡腳與弱層順層剪出，邊坡豎向位移主要表現(xiàn)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(fā)生較大移動量區(qū)域較小。

3）對于破碎巖質(zhì)高邊坡，在進行穩(wěn)定性分析計算時，往往忽略邊坡坡面的不連續(xù)性，通過結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析及廣義Hoek-Brown模型進行穩(wěn)定性計算具有一定實際參考價值。

4）對破碎巖質(zhì)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(shè)急流槽、平臺側(cè)溝、路塹邊溝等排水設(shè)施組成綜合地表排水系統(tǒng)，以消除降雨對破碎高邊坡穩(wěn)定性的不利影響。