降雨作用下考虑结构面劣化的边坡块体 稳定性评价 高丙丽韦兆恒任建喜张路青”蔡智云李铎 1.西安科技大学，陕西西 摘要：降雨是诱发边坡失稳，发生崩塌、落石、滑坡的一个主要诱因，降雨作用下结构面强度会 安710054 发生劣化，导致边坡块体失稳塌落，引起地质灾害，对人民生命财产构成严重威胁.
基于离散元 2.中国科学院地质与地球物 数值分析方法，考虑降雨作用对结构面抗剪强度的影响，分析结构面强度参数劣化及孔踪水压力 理研完所，北京100029 变化规律，建立抗剪强度劣化模型；结合坐标投影原理提出考虑降雨作用下结构面强度劣化效应 3.中国电建集图西北勒测设 计研究院有限公司，陕西西 的块体稳定性系数计算方法；基于有限元分析方法研究降雨强度与降雨历时对岩质边坡块体稳定 安 710065 性的影响，并进一步分析稳定性系数与降雨强度及降雨历时的关系，提出降雨作用下考虑结构面 4.中国地质大学（武汉），湖 劣化的边坡块体稳定性评价方法.
研究表明，不同含水率作用下结构面的抗剪强度劣化不仅受黏 北武汉 430074 聚力和内摩擦角影响，还与孔原水压力有关，针对单滑面和双滑面型块体构建了考虑结构面降雨 劣化的稳定性分析数学模型，提出的以降雨时长、降雨强度和块体稳定性关系曲线的共同评价体 系可为边坡块体稳定性评价提供科学依据，并推动边坡地质灾害防治和工程建设发展.
关键词：降雨作用；含水率；结构面劣化；坐标投影法；数值分析；块体稳定性评价 中图分类号：TU457文献标识码：A文章编号：1000-131X（2024)10-0095-13 DOI : 10. 15951/j. tmgesb. 23050416 Stability evaluation of slope block considering structural surface deteriorationunderrainfall Gno Bingli?Wei Zhaohemg'Ren Jianzi’Zhang LIaqing² Cai Zhiyun’Li Duo* 1. Xi' an Uniesity ef Srieee Abstract; Rainfall is a major cause of slope instability collapse rockfall and anf Tecknology Xi* ax 710054 landslide The deterioration of stuctural surface strength under the action of rainfall resul- Chine 2. lntinar of Gnsiay asd ting in unstable collapse of slope blocks can cause geological disasters and pose a serious Gnphsio Chisse Ardy f threat to people ′ s lives and property. Based on the diserete element mumerical analysis Srimes Bejing I0009 Chine method considering the influence of rainfall on the shear strength of the structural surface 3. Norlaet Engineering Corpo thPe deterioration of the strength parameters of the structural surface and the change law of ration Limited Xi*ax 710065 pore water presure are analyzed and the shear strength deterioration model is estab- Chisa lished. Combined with the prineiple of coordinate projection a calculation method of block 4. Chis Lasresty ef Gnncix (WFafm) Waon 43004 Chis stability coefficient considering the efect of strength deterioration of structural surface under rainfall is proposed. Based on the finite element analysis method the influence of rainfall intensity and rainfall duration on the stability of rock slope blocks was studied and the rela- tionship between stability coeficient and rainfall intensity and rainfall duration was further analyzed then a block stability evaluation method is proposed. The results show that the de- terioration of the shear strength of the structural surface under diferent moisture content is not only affected by the cohesion and interal friction angle bt also related to the pore water 基金项目：国家重点研发项目(2019YFC1509703）、陕西省重点研发计划(2021ZDLGY07-08) 作者简介：高丙丽，博士，副教授收稿日期：2023-05-29 中国网思下光成物体稳定性评价 2004年10月第57者第10期=4学报1095
pressure. the stability analysis mathematical model considering the rainfall deterioration of the structural surface is construted for the single-slip surface and double-slip surface type block. The proposed mon evaluation system based on the relationship curve of rainfall duration rainfall intensity and block stability can provide scientific basis for the stability e- valuation of slope block and promote the prevention and development of slope geological disaster prevention and engineering construction. Keywords; rainfall effeet; water content; deterioration of structural plane; cordinate pro- jection method ; numerical analysis ; block stability evaluation E-mail: gbl8001@ xust. edu. cn 作用下结构面劣化方面研究中仅仅考虑了内摩擦角 引言 和黏聚力的劣化，并没有考虑岩体结构面内部孔隙 水压力变化对抗剪强度的影响.
边坡块体失稳崩塌是对基础设施建设和安全运 目前众多国内外学者对降雨条件下边坡的分析 营形成重大威胁的主要地质灾害之一.
块体是由多 研究主要针对土质边坡、公路边坡、堤坝等边坡的 组不连续结构面切割而成，其失稳崩場是边坡稳定 整体失稳，侧重于分析降雨对边坡的稳定性影响的 性问题的重要组成部分.
块体失稳的实质是主控结 过程分析.
然面，对于岩质边坡稳定性研究中的典 构面的劣化问题，而结构面劣化是其力学性能随着 型失稳问题一块体稳定性，相关分析研究较少， 时间逐渐降低的过程.
引起结构面发生劣化的因素 尤其是考虑降雨作用结构面劣化效应影响下块体失 很多，如地震作用、降雨作用、风化作用等，也 稳的边坡稳定性地质灾害研究更鲜有涉及.
张卓[] 极其复杂.
在降雨作用下，块体结构面常受到雨水 等基于极限平衡理论，分析了岩质边坡在降雨作用 浸泡及冲刷作用，使岩体结构面力学特性发生劣化， 下的稳定性.
李焕强对边坡进行了降雨物理模型 最终导致主控结构面发育软化及贯通而失稳破坏.
试验，总结出边坡变形与降雨历时之间的关系.
宁 因此，研究降雨作用下结构面劣化及块体稳定性具 少庆“利用UDEC软件分析了不同降雨强度和降雨 有重要意义.
历时条件下的岩坡稳定性变化；陈有亮等对降雨 降雨作用对岩质块体稳定性具有深刻的影响， 作用下岩体强度变化进行了研究，系统地分析了雨 目前降雨对块体的作用形式分为两类：一是结构面 水对边坡稳定性的影响：史绪鑫运用强度折减法， 研究了降雨条件下岩体参数的变化及其对边坡稳定 裂隙中静水压力及渗透压力对岩体结构面的力学作 用.
Hoek等结合传统水力学理论，提出了不透水 性的影响.
在降雨作用下，结构面劣化致使边坡块 体抗剪强度特性逐渐下降，进面造成块体失稳，然 岩质边坡结构面上的静水压力分布假设，张悼元、 何满朝等沿用了这一假设.
刘才华等”，舒继森 面目前在研究块体稳定性时考虑降雨作用下结构面 劣化效应的理论研究并不多.
因此，如何定量描述 等，李伟等等研究者在原有假设基础上改进静 结构面劣化效应并能够在块体稳定性分析中进行应 水压力分布假设、动水压力分布假设及得出后缘张 用，是研究的关键科学问题.
拉裂隙临界冲水高度和临界降雨强度的计算公式.
综上所述，本文基于前人的研究成果，开展不 二是随着雨水人渗至边坡岩体导致结构面强度劣化.
同含水率条件下结构面剪切数值试验，研究结构面 唐林等通过室内直剪试验，得到了不同含水率下 的劣化效应，建立结构面劣化数学模型，并提出一 结构面黏聚力c和内摩擦角变化规律并且推出考虑 种考虑降雨作用下结构面劣化的块体稳定性分析方 含水率的结构面抗剪强度公式；李克钢等"通过室 法，探讨块体稳定性与降雨强度、降雨历时的关系， 内压剪试验研究了结构面抗剪强度随含水率的变化 提出一种考虑结构面劣化的边坡块体稳定性评价方 规律；武尚等通过室内剪切试验，发现水与结构 法，具有重要的理论价值和工程实践意义.
面耦合作用会使结构面的黏聚力和内摩擦角降低， 并且对黏聚力的影响更大；前者主要是造成块体下 1降雨作用下结构面强度劣化特征研究 滑力增加，面后者直接影响岩体内部结构面强度参 数致使块体抗滑力下降.
然而目前已有的对受降雨 在降雨作用下，由于块体内部结构面含水率变 中国h.004
化，使得结构面的强度降低，最终导致块体的稳定 降雨历时发生变化，在不同时间段内，结构面内部 性逐渐下降.
为了更全面分析降雨作用下结构面强 的含水率也大不相同，为了更好表现出降雨作用下 度的劣化效应，本节基于结构面强度劣化效应及孔 岩体参数的变化，因此本文采用PFC数值模拟方法， 隙水压力变化规律，对岩体结构面的强度劣化特征 对不同含水率下的砂岩岩体结构面进行直剪模拟试 深入研究.
验.
为了确保模拟结果的准确可靠，合理选择试样 1.1岩体结构面有效抗剪强度理论 尺寸，生成100mmx100mmm的试样，并且通过控制浮 1776年库伦通过直剪试验得出土样在受剪作用 力大小来模拟不同含水状态的试样.
该模型由三部 下的破坏现象和影响因素，提出抗剪强度公式7=c 分组成，分别为上部岩石、下部岩石和中间结构面， lan，其中，r为剪切破裂面上的剪应力及抗剪强 如图1所示.
度，c为黏聚力，a为总应力，为内摩擦角.
之后 太沙基提出有效应力原理，孔隙介质荷载产生的总 应力由介质骨架和孔隙中的水共同承担.
介质骨架 承担的应力称为有效应力a'，孔隙水承担的应力称 1M 9 为孔隙水压力u，总应力为o.
两者存在如下关系 o=g'a，其中，a为孔隙水压力作用面积系数.
44 由于孔隙水压力不能产生抗剪强度，所以从理论上 看，总应力法并不完全符合土的抗剪强度机理.
7A 由此人们认识到只有有效应力的变化才能真正 引起强度变化，将库伦公式与有效应力原理相结合， 得出有效抗剪强度公式： 图1节理岩石直剪试验模型示意图 =c'or′tanp′=c'(α-u) tanp' (1) Fig. 1 Schematic diagram of the direct shear 式中：a'为剪切破裂面上的有效法向应力；u为孔原 test model of jointed rock 水压力；c'为有效黏聚力；'为有效内摩擦角.
在PFC中模拟岩体介质时，通过设置不同的接 目前，岩土工程界普遍认为降雨诱发边坡失稳 触本构模型，以便于模拟出岩体材料的真实接触情 有以下的几个方面：①雨水人渗岩质边坡，岩体结 况.
本文通过设置平直节理模型（Flat-joint Model）来 构面被雨水浸泡软化，岩体物理参数劣化，导致抗 模拟数值结构面试样的岩石颗粒，以反映岩石材料 剪强度大幅降低：②大量雨水人渗岩土体起到了加 的破坏特征：设置光滑节理模型（Smooth-joint 载作用，增加了坡体质量，导致下滑力增加：③雨 Model），用以模拟结构面的力学行为.
水渗人岩体裂隙中，导致孔隙水压力增加，减少了 在进行数值模拟分析之前，为了使模拟所用的力 岩土体的有效应力.
其中，岩体参数劣化与孔水 学参数与物理试验标准试件的基本一致，通过单轴抗 压力变化对于岩体失稳起着关键作用.
对于孔水 压数值模拟试验，对干燥状态下的试样（含水率5%的 压力的研究，李天一等通过控制孔隙水压力的变 试样）进行参数标定，采用多次“试错”的方法，使 化揭露出结构面的强度与变形特征，但是未能解释 试验岩体结构面参数更加符合实际.
具体参数见表1.
在降雨作用下孔原水压力是如何变化，如下文所示， 通过数值模拟的方式进行孔隙水压力的劣化研究.
表1现场砂岩试件物理试验与数值模拟物理力学参数对比 Table 1 Comparison of physical and mechanical 1.2不同含水率下结构面抗剪强度研究 parameters of n-site sandstone specimens and 暴露在大气中的边坡，降雨作用下会经历人渗 numerical simulation 的过程，尤其是边坡块体裂隙处，雨水从裂隙上缘 物理力学参数 物理试验 数值模拟 渗入，通过裂隙人渗到岩体内部结构面，由于结构 密度p(g/cm²) 2.59 2.59 面的厚度较岩石相比较薄，由非饱和到饱和的时间 弹性模量 E(MPa) 19620 20850 短，因此更易导致结构面处抗剪强度降低.
雨水在 泊松比 0.20 0.21 裂隙中会形成孔隙水压力，在降雨作用下孔隙水压 单轴抗压强度 αr ( MPa) 14 15.3 力会发生变化，进而导致有效应力发生变化，影响 岩体结构面抗剪强度.
岩体结构面在降雨作用下会经历由干燥或天然 降雨作用下岩体内部含水率会随着降雨强度及 含水率到饱和的过程，故本文从中取4个不同时刻的 中国网作思下青虎热款华站塔体稳定性评价 2004年10月第57券第10期=4学报1097
含水率进行模拟，进行了2MPa、4MPa、6MPa和 8MPa四种法向应力的直接剪切试验，采用含水率 5%作为试样的干燥状态、80%含水率作为试样的饱 和状态，另选两组30%含水率、55%含水率作为中间 状态，得出不同阶段抗剪强度参数的变化.
详细试 验方案如下表.
表2直剪试验模拟方案 Table 2 Direct shear test simulation scheme 5%含水率 30%含水率 法向应力（MPs) 含水率（%） 结构面类型(工况) 55%含水率 2 80%含水率 试验 4 30 水平结构面 方案 (4×4=16 组) 7 位移(mm） 3 6 55 （c）法向应力6MPa 8 80 不同含水率条件下结构面的剪应力-剪切位移曲 线如图2所示：①ab段为剪切初始阶段，可以看出 剪应力增长速度很快，但剪切位移很小.
②hc段剪 应力继续增大，曲线斜率逐渐降低.
③经过一段变 形后进入cd段，剪应力达到峰值，然后进人整体滑 移阶段，剪应力随之趋于稳定.
30%含水率 *% 1.5 55%含水率 80%含水率 位移(mm) (4)法向应力8MPa 图2剪应力与剪切位移图 30%含水率 5%含水率 Fig 2 Shear stress and shear displacement diagram 55%含水率 80%含水率 从剪应力-剪切位移图还可以看出，含水率越大， 结构面的峰值剪切应力越小，四种法向应力状态下 4 饱和状态相比于干燥状态分别降低了18.2%、 位移(mm) (a）法向应力2MPa 15.2%、12.8%、10.8%，即含水率的增加会降低结 构面的抗剪能力.
2.5 根据试验结果计算结构面黏聚力及内摩擦角， 2.0 如表3所示，内摩擦角与黏聚力变化如图3所示.
表3结构面c、值 Table 3Structural surface c、 value 含水率 黏聚力c（MPa) 内摩擦角g（°） 1.0 5%含水率 5% 0.227 86°9 30%含水率 55%含水率 30% 0. 192 26.72 80%含水率 55% 0.124 6 位移(mm) 3 80% 0.019 25.36 (b)法向应力4MPa 中国网 /Rt Val. 57 No 10 0t. 2004
27. 内举擦角（） 黏聚力(MPa) 0.20 26.5 孔原水压力(MPa) 0.2 水压力MPa 25.5 25.0 0.05 8 08 20 含水率%） 40 20 40 60 0.00 含水率(%) 图3内摩擦角与黏聚力随含水率变化图 0.2 Fig. 3 Diagram of internal frietion angle and 图4孔隙水压力随含水率变化图 cohesion with moisture content Fig 4 Graph of pore water pressure as a 从试验数据及图表分析可得： funetion of moisture content （1）随含水率的增加，结构面黏聚力及内摩擦角 如图5所示，含水率相同时，法向应力越大，峰值抗 均降低，且降低速度前期缓慢，后期快； 剪强度也越大；法向应力相同时，含水率越大，峰 （2）含水率对黏聚力影响较内摩擦角大，当达到 值抗剪强度减小.
图3为结构面抗剪强度参数随不同 饱和时，结构面黏聚力下降了91.63%，而内摩擦角 含水率的变化过程，可以看出，内聚力和内摩擦角 下降了19.46%； 随着含水率的增大而减小，这意味着含水率对峰值 （3）黏聚力、内摩擦角均随含水率增加衰减，衰 抗剪强度大小的影响是通过内聚力和内摩擦角控制 减规律可采用二次函数拟合用下式表达： 的，对图5中峰值抗剪强度的变化原因进行了阐释.
c =Au²BoC （2） =D²EoF (3) 式中：@为试样含水率，参数A、B、C、D、E、F 含水率5% 4.0 含水率20% 均可通过试验确定；在本篇中A=-0.28，B=-0.04， 一含水率0% 含水率55% C=0. 229 D= -2. 68 E= 0. 16 F= 26. 96.
3.5 李天一等通过现场试验得出软弱结构面的抗剪 (rdN) 3.0 强度会随着高孔隙水压力的逐渐升高迅速降低，在 fEYF 2.5 10MPa应力条件下，4MPa孔隙水压力可使抗剪强度 降低30%以上[.
基于有效应力原理，分析得出孔 2.0 隙水压力的存在会不同程度的影响结构面的抗剪强 1.5 度，由于孔隙水压力在一般条件下较为难以测得， 因此笔者根据试验结果，得出数值试样孔隙水压力 4 p.随含水率变化如图4所示.
孔原水压力p随含水率 法向应力(MPa) 的变化规律采用下式表达： 图5法向应力与峰值抗剪强度的关系图 p = Gexp( /H) / (4) Fig. 5 Graph of relationship between normal 其中：@为试样含水率，参数G、H、I均可通过试 stress and peak shear strength 验确定；在本篇中G=-0.03，H=-0.29，1=0.32.
将前文所得到的式（2）、式（3）及式（4）代人式（1） 1.3抗剪强度劣化模型建立 中，获得抗剪强度与结构面含水率的关系，即 本文采用式（1）对不同含水率条件下结构面抗剪 =[a-Gexp（/H）/] an（D²EaF）(5) 强度的劣化进行闸释.
由公式的组成可知，内聚力c Aw²BoC 和内摩擦角及有效应力o'之间的相互作用共同决 式中：参数A、B、C、D、E、F及G、H、I分别为 定了结构面的抗剪强度，且内聚力c和内摩擦角又 内摩擦角、黏聚力及孔隙水压力的拟合函数关系式 受含水率影响.
根据式（1）对试验结果进行拟合， 的待定系数，均可通过试验确定.
中国商而想商药作格法体稳定性评价 2024年10月第57卷第10期本=4学报1099
