三维极限平衡法在岩石边坡稳定性分析中的应用实践

1 引言

随着计算技术的发展，三维极限平衡分析越来越受到岩土工程师的欢迎。目前，在工业界有三个备受关注的3D LEM分析软件：(1) SLIDE3---它是SLIDE2的三维版本，SLIDE3的专长是采矿岩石力学，因此对于分析岩石工程边坡，特别是采矿工程边坡SLIDE3是最好的选择; (2) Fracman---Fracman的专长是离散断裂网络，因此如果要分析岩体的随机断裂(包括岩桥破坏)和岩石边坡稳定性, Fracman提供了非常优秀的功能; (3) Plaxis LE(PLE 3D)---PLE 3D是PLE 2D的3D扩展，PLE的专长是非饱和土力学，因此如果要研究土体边坡的稳定性，PLE 3D是最佳选择。这个笔记通过一个岩石边坡的稳定性分析简要描述了PLE 3D的工作流程，模型包括两个不同性质的地层和一个软弱滑动面。

2 分析步骤

尽管三维极限平衡分析与二维极限平衡分析的基本原理相同，但3D分析比2D分析的操作过程要复杂得多。为了进行三维边坡稳定性分析，使用下面的通用步骤: (1) 产生模型(Create model); (2) 分析设置(Specify analysis settings); (3) 输入几何形状(Enter geometry); (4) 输入材料属性(Apply material properties); (5) 设置搜索方法(Specify search method); (6) 分析模型(Analyze model); (7) 查看结果(Results)。

2.1 产生模型

产生模型是整个计算的第一步，主要目的是产生一个计算环境，包括：Module(Slope Stability), System(3D), Units(Metric), Slip Direction (Right to Left), Model Name(PIT3D)，其中滑动面方向(Slip Direction)是这一步骤最关键的设置。

2.2 分析设置

3D的分析设置与2D类似，但内容比2D多, 主要目的是指定临界滑动面的方法和在分析中使用的搜索技术细节。Model>Settings打开设置对话框，设置如下三项内容：

1) 3D Slip Surface

搜索方法选择"Entry and Exit", 滑动面选择"Wedges", 滑动方向选择"Towards Negative X"。

2) Calculation Methods

条分方法选择以前使用的四种主要方法。

3) Convergence

如下图所示。

2.3 输入几何形状

建立地层模型是3D分析最麻烦的一个步骤。最直接的方式输入DEM数据，理想的情况是从地质模型中导入数据，例如Leapfrog, Deswik, Datamine, Vulcan，Surpac等。本例从外部数据文件输入地层的坐标(X,Y,Z)，操作方式类似于Golden Surfer建立地形表面的过程。

首先需要定义分析边坡的区域(region)。Geometry > Region Properties ...-> New Polygon...->输入XY平面内四个角的坐标。名称为R1. 然后生成3个表面。

1) Define Surface 1

Geometry > Surfaces...>Surface 1>Properties...>Constant, 输入0，这个表面四边坡的地面。

2) Define Surface 2

Geometry > Surfaces...>Surface  2>Properties...>Grid >Paste Data Grid... ,粘贴该平面的(X,Y,Z)数据>Paste Points>点击No去掉存在的网格点。

3) Define Surface 3

Geometry > Surfaces...>Surface  3>Properties...>Grid >Paste Data Grid... ,粘贴该平面的(X,Y,Z)数据>Paste Points>点击No去掉存在的网格点。

2.4 材料属性

设置如下三种材料的属性, 其中Rock和Hard Rock代表两种不同性质的地层，Weak Rock代表弱面，边坡将优先沿着这个面发生滑动。

Materials > Manager ...>New...输入名称Rock，选择 Mohr Coulomb，按OK按钮，打开材料属性对话框，输入期间且强度参数。重复上述步骤，输入Hard Rock和Weak Rock的强度参数。最后按OK按钮关闭对话框。一旦输入了材料属性，我们必须将材料应用到适当的区域，这个操作过程与2D相同。

2.5 搜索方法

因为在第一步选择了“Entry and Exit”方法，所以必须为这些对象中的每一个指定几何形状。Slips > Entry and Exit...

加入楔形平面Slips > Wedges ...>New>输入数据

2.6 分析和结果

使用Solve > Analyze进行分析，计算的最小安全系数如下所示。

然后可以观察3D效果。

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