1 引言

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，三維極限平衡分析越來(lái)越受到巖土工程師的歡迎。目前，在工業(yè)界有三個(gè)備受關(guān)注的3D LEM分析軟件：(1) SLIDE3---它是SLIDE2的三維版本，SLIDE3的專長(zhǎng)是采礦巖石力學(xué)，因此對(duì)于分析巖石工程邊坡，特別是采礦工程邊坡SLIDE3是最好的選擇; (2) Fracman---Fracman的專長(zhǎng)是離散斷裂網(wǎng)絡(luò)，因此如果要分析巖體的隨機(jī)斷裂(包括巖橋破壞)和巖石邊坡穩(wěn)定性, Fracman提供了非常優(yōu)秀的功能; (3) Plaxis LE(PLE 3D)---PLE 3D是PLE 2D的3D擴(kuò)展，PLE的專長(zhǎng)是非飽和土力學(xué)，因此如果要研究土體邊坡的穩(wěn)定性，PLE 3D是最佳選擇。這個(gè)筆記通過(guò)一個(gè)巖石邊坡的穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)要描述了PLE 3D的工作流程，模型包括兩個(gè)不同性質(zhì)的地層和一個(gè)軟弱滑動(dòng)面。

2 分析步驟

盡管三維極限平衡分析與二維極限平衡分析的基本原理相同，但3D分析比2D分析的操作過(guò)程要復(fù)雜得多。為了進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定性分析，使用下面的通用步驟: (1) 產(chǎn)生模型(Create model); (2) 分析設(shè)置(Specify analysis settings); (3) 輸入幾何形狀(Enter geometry); (4) 輸入材料屬性(Apply material properties); (5) 設(shè)置搜索方法(Specify search method); (6) 分析模型(Analyze model); (7) 查看結(jié)果(Results)。

2.1 產(chǎn)生模型

產(chǎn)生模型是整個(gè)計(jì)算的第一步，主要目的是產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算環(huán)境，包括：Module(Slope Stability), System(3D), Units(Metric), Slip Direction (Right to Left), Model Name(PIT3D)，其中滑動(dòng)面方向(Slip Direction)是這一步驟最關(guān)鍵的設(shè)置。

2.2 分析設(shè)置

3D的分析設(shè)置與2D類似，但內(nèi)容比2D多, 主要目的是指定臨界滑動(dòng)面的方法和在分析中使用的搜索技術(shù)細(xì)節(jié)。Model>Settings打開(kāi)設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置如下三項(xiàng)內(nèi)容：

(1) 3D Slip Surface

搜索方法選擇"Entry and Exit", 滑動(dòng)面選擇"Wedges", 滑動(dòng)方向選擇"Towards Negative X"。

(2) Calculation Methods 

條分方法選擇以前使用的四種主要方法。

(3) Convergence

如下圖所示。

2.3 輸入幾何形狀

建立地層模型是3D分析最麻煩的一個(gè)步驟。最直接的方式輸入DEM數(shù)據(jù)，理想的情況是從地質(zhì)模型中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，例如Leapfrog, Deswik, Datamine, Vulcan，Surpac等。本例從外部數(shù)據(jù)文件輸入地層的坐標(biāo)(X,Y,Z)，操作方式類似于Golden Surfer建立地形表面的過(guò)程。

首先需要定義分析邊坡的區(qū)域(region)。Geometry > Region Properties ...-> New Polygon...->輸入XY平面內(nèi)四個(gè)角的坐標(biāo)。名稱為R1. 然后生成3個(gè)表面。

(1) Define Surface 1

 Geometry > Surfaces...>Surface 1>Properties...>Constant, 輸入0，這個(gè)表面四邊坡的地面。

(2) Define Surface 2

 Geometry > Surfaces...>Surface  2>Properties...>Grid >Paste Data Grid... ,粘貼該平面的(X,Y,Z)數(shù)據(jù)>Paste Points>點(diǎn)擊No去掉存在的網(wǎng)格點(diǎn)。

(3) Define Surface 3

Geometry > Surfaces...>Surface  3>Properties...>Grid >Paste Data Grid... ,粘貼該平面的(X,Y,Z)數(shù)據(jù)>Paste Points>點(diǎn)擊No去掉存在的網(wǎng)格點(diǎn)。

2.4 材料屬性

設(shè)置如下三種材料的屬性, 其中Rock和Hard Rock代表兩種不同性質(zhì)的地層，Weak Rock代表弱面，邊坡將優(yōu)先沿著這個(gè)面發(fā)生滑動(dòng)。

Materials > Manager ...>New...輸入名稱Rock，選擇 Mohr Coulomb，按OK按鈕，打開(kāi)材料屬性對(duì)話框，輸入期間且強(qiáng)度參數(shù)。重復(fù)上述步驟，輸入Hard Rock和Weak Rock的強(qiáng)度參數(shù)。最后按OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。一旦輸入了材料屬性，我們必須將材料應(yīng)用到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，這個(gè)操作過(guò)程與2D相同。

2.5 搜索方法

因?yàn)樵诘谝徊竭x擇了“Entry and Exit”方法，所以必須為這些對(duì)象中的每一個(gè)指定幾何形狀。Slips > Entry and Exit...

加入楔形平面Slips > Wedges ...>New>輸入數(shù)據(jù)

2.6 分析和結(jié)果

使用Solve > Analyze進(jìn)行分析，計(jì)算的最小安全系數(shù)如下所示。

然后可以觀察3D效果。