基于GeoStudio和PLAXIS的边坡稳定性分析

基于GeoStudio和PLAXIS的边坡稳定性分析

集成方法如何帮助工程师更高效地工作，提取更好的见解，并执行更好的项目？

介绍

在采矿中，边坡稳定性既是一个安全问题，也是一个经济问题。坍塌的斜坡会使工人处于真正的危险之中。此外，像这样的灾难性事件可能会使采矿作业陷入停顿，并严重降低盈利能力。

这种事件在大型露天矿坑中尤其令人担忧，这些矿坑往往稳定性较差，更容易坍塌。    

边坡稳定性一直是人们关注的领域，但近年来变得更加紧迫。矿业公司正在深入研究，在试图最大限度地提高每个矿场的盈利能力时，增加了不稳定的风险。

边坡稳定性在土木工程中同样重要，因为即使是很小的“破坏”也会对结构的稳定性产生重大影响。在这个行业，稳定意味着安全。岩土工程师必须设计出保护人类和环境的结构，同时经久耐用。

边坡稳定性不容忽视或低估。但这并不意味着这总是一个容易的过程。工程师严重依赖数值建模来设计、评估和评价边坡稳定性问题。但是每种数值建模方法都有自己的流程，当以正确的方式在正确的应用中应用时，效果最好。

在2D和3D分析之间进行选择同样具有挑战性。二维分析往往过于简化复杂的地下结构和地形，迫使工程师在估计时过于保守。或者可能排除管理稳定性的关键机制。

相比之下，3D分析提供了更准确的现场地质条件，提供了更高的几何精度，并更真实地考虑各向异性。但3D分析也需要更多的现场数据，特别是在需要更复杂的地质模型和更广泛的结果解释时。

因此，任何边坡稳定性项目的最大挑战通常是将正确的分析形式与正确的用例相匹配。    

在这本文中，我们将深入探讨每种分析形式的优缺点。

至关重要的是，我们将展示这些技术——3D和2D分析、有限元法（FEM）和极限平衡法（LEM）——是如何互补的。它们可以共同为工程师提供所需的灵活性、准确性和洞察力，以确保人员安全和项目顺利进行。

选择方法：极限平衡法

LEM的好处以及如何将其付诸实践

哪种数值模拟方法适合我的边坡稳定性分析？

这是岩土工程师经常面临的问题。而且，哪种方法可以为您的项目提供效率和准确性的完美平衡可能很棘手。

但是，有了合适的工具，就可以根据项目的需要在两种方法之间切换——极限平衡法（LEM）和有限元法（FEM）。

在本章中，我们将向您展示GeoStudio的LEM功能如何对您的项目有益。

如何（以及何时）使用极限平衡法

LEM评估土壤或岩体的平衡，特别是其因重力影响而滑动的趋势。

通过LEM，岩土工程师可以将抵抗运动的力和力矩与有助于运动的力或力矩进行比较。

LEM的输出是一个安全系数（FoS）。FoS低于1.0表示不稳定。    

LEM的好处

效率

LEM的计算时间相对较快。这意味着有更多的时间来研究一系列不同形式的风险，以及影响稳定性的不同机制。

灵活性

LEM可应用于各种稳定性情况，包括自然或人为边坡。它也可用于加固边坡，允许您对各种锚杆类型进行建模，以考虑抗拔力和剪切力。

综合

LEM可以代表大多数岩石和土壤类型的强度特征，从线性莫尔-库仑模型到非线性、排水和不排水强度。这包括非饱和和各向异性选项。

LEM还可以使用许多不同的方法来模拟孔隙水压力，包括与有限元渗流或固结分析的集成。这一点至关重要：水会显著影响边坡的稳定性，因此正确考虑孔隙水压力至关重要。

LEM相对容易设置和解释。有了它，您可以使用多种不同的滑动面搜索方法快速评估斜坡的不同部分。这使您更加确信自己了解潜在风险机制的关键位置。

在GeoStudio中LEM是什么样子的？让我们以一个需要进行安全评估的露天矿为例。

1.在GeoStudio中创建三维地质模型或二维剖面几何图形。在此阶段，您将添加几何图形和材料属性的详细信息，包括为每层选择最具代表性的抗剪强度材料模型。您还将为几何体中存在的任何薄弱区域（如断层）指定条件。

2.定义LEM分析参数

选择LEM类型后，可以使用几种滑动面搜索方法之一定义滑动质量。分析中也可能包括其他成分，如孔隙水压力条件。

3.开始分析

初始设置完成后，在GeoStudio中分析整个露天矿域或有限的子域，以定位最可能发生故障的域部分。

4.评价产出

在输出模块中，您可以使用按安全系数分类的滑动块来检查试验滑动面。通过这种方式，您可以查看不同兴趣区域的相对风险。然后，您可以更深入地研究感兴趣的位置，以更仔细地观察估计的3D破坏质量和薄弱区域的非圆形临界滑动面。

5.比较2D和3D安全系数（FoS）    

在GeoStudio中，您可以评估2D和3D安全因素，以提高您对结果的信心。通过这种方式，您可以通过了解几何形状和材料参数变化对故障概率的影响来降低风险。

现在，让我们来看看这个过程在露天矿场的实际情况。

案例学习

露天矿的结构控制稳定性

挑战

断层和不连续性等结构特征控制着岩体行为，使其成为控制岩石边坡稳定性的重要因素。在许多情况下，结构决定了风险机制的复杂性，其范围可以从平移故障到复杂的多机制故障。

在沉积岩中，层理上可能出现软弱面，如果层理露头，可能会导致滑移。同样，断层面通常会产生滑动面或释放面。捕捉这些地质结构对计算出的FoS的影响对于露天矿的安全和优化设计至关重要。    

露天矿几何形状，包括两条主要断层的位置

解决方案

第一步是创建一个几何图形，以捕捉现场地质中必要的复杂性。这是通过使用钻孔数据和网格表面在Seequent的产品Leapfrog中构建地质模型来实现的。

使用Seequent基于云的模型管理解决方案，工程师可以将GeoStudio与Leapfrog中的地质模型动态连接，并使用它来定义3D几何体。

在几何形状和材料完全确定后，下一步是确定感兴趣断层的几何形状。在这种情况下，直接在现场测量了两个构造的倾角和倾角方向。这些数据在GeoStudio中用于定义平面，然后将其转换为背景网格。最后一步涉及简单地将低强度材料模型与每个断层相关联，以表示断层泥材料的强度。

对于与断层相交的试滑面，滑动体的形状和抗剪强度都发生了变化。分析表明，当两个故障都发生时，FoS降至可接受值以下。更重要的是，GeoStudio的快速计算时间和简单设置使工程师能够探索各种场景和强度特性的关键滑动面的位置。    

分析了两种断层的临界滑动体位置和相关安全系数

选择方法：有限元法的优点和解锁其优点的分步指南

有限元法（FEM）允许工程师在进行变形和/或固结分析后进行一次或多次安全分析。

FEM的真正优势在于评估在项目期间和项目完成后是否满足了设计的安全要求。

与LEM一样，FEM的输出是FoS——在这种情况下，是边坡失效的强度折减系数。

FEM的好处

通过有限元法，该模型将在抗剪强度不足以承受剪应力的区域自动形成最普遍的破坏机制。

有限元法可用于模拟土壤和岩石，以及一系列的水文条件。这使工程师能够在更广泛的场景中构建更详细、更全面的边坡稳定性模型。这反过来又增加了工程师对分析结果的信心。

有限元法可以深入了解变形，并允许滑动面根据土壤或岩石的强度和刚度特征进行演变。它还估计了由此产生的应力和孔隙压力。这些分析共同为工程师提供了关于边坡安全、任何潜在风险以及需要采取的稳定措施的重要见解。

在PLAXIS中运行FEM

在PLAXIS中进行边坡稳定性分析时，您需要考虑几个可能增加或降低FoS值可靠性的实际方面：

过于粗糙的网格会高估FoS。您还应确保安全分析包括足够的计算步骤，以使故障机制能够充分发展，如下所述。    

用吸力重新运行之前的计算——这通常意味着你的安全分析提供了更高的FOS。这些安全因素将不那么保守，但也将更加现实。

您可以直接从PLAXIS的计算信息表中读取FoS。但是，您通常应该使用曲线图来评估FoS，在您预计会看到边坡破坏的一般区域中选择一个监测点。曲线图是在安全分析计算完成后生成的，显示了控制点的位移与模型的强度折减系数。原则上，曲线可达到与FoS相对应的渐近线。

4.检查您是否有足够的计算步骤。FoS的变化应匹配位移的变化。您可以通过检查曲线图来检查您的分析是否符合此情况。如果不是，那么您将需要使用更多的计算步骤来运行安全分析。

检查增量位移（显示最后一个计算步骤中的位移）或剪切应变的阴影图将有助于您确定发生的破坏机制。

案例学习

使用PLAXIS 3D解决公路建设中的复杂隧道挑战

挑战

在墨西哥西海岸修建一条从特皮克市到巴亚尔塔港市的高速公路时，一组地下建筑专家发现，大量岩石正在隧道入口附近滑动。罪魁祸首是地质断层重新活动造成的开放性伤口。该地区正处于雨季，这意味着斜坡的移动速度比通常预期的要快。    

隧道入口也开始出现滑坡，使施工现场面临高风险。

综合来看，这些因素表明，通过传统方法不可能稳定滑坡和洞口破坏。

同样，打开隧道入口的开挖工程也受到不平衡岩体的影响。这项工作极有可能引发巨大的破坏机制。

总之，面临着一个复杂的岩土工程问题。为了现场团队的安全和项目的成功，必须快速解决这个问题。

解决方案

该团队决定将隧道、入口的明挖和滑坡区域与一个刚性的明挖回填隧道连接起来，该隧道由大型混凝土桩墙和主动锚保护。    

为了实施这个方案，团队需要尽可能接近现实地重建一个3D岩土模型，以便他们能够准确地模拟他们想要的解决方案。

他们首先对地形进行了为期八个月的详尽研究，包括安装压力计、地表监测、钻探和研究区域的地质/岩土工程测绘。

一旦现场结果调查就绪，他们就创建了一个3D PLAXIS模型，以尽可能准确的方式表示岩体的运动。他们还使用了一组2D PLAXIS横截面，这些横截面经过校准，用于以更高的精度补充3D模型的信息。

最后，这些模型用于计算项目的新开挖、结构和压实填料。

该项目的首席岩土工程师Fermín Sanchez Reyes博士说：“尽管提出的解决方案并不是最便宜的，这是最好的长期和最具成本效益的解决方案，因为我们能够计算和模拟稳定性问题的最安全解决方案，并恢复受露天开挖影响的土地。”

两全其美：结合LEM和FEM

将两种形式的数值建模结合在一起，如何深化您的分析，并为您省去麻烦

在LEM和FEM之间做出选择可能是一场斗争，许多工程师觉得选择一种方法而不是另一种方法意味着在他们的分析中留下空白。

但有了合适的工具，LEM和FEM可以相辅相成，并肩工作，更全面地了解边坡的稳定性。并在此过程中增强您对分析准确性的信心。

运行LEM和FEM组合分析可以让您考虑可能影响边坡稳定性的每个因素。

当然，在某些情况下，只选择其中一种方法是最有意义的。例如，

LEM非常适合工程师需要完全控制所考虑机制的情况。另一方面，有限元法为加筋边坡的变形和土-结构相互作用提供了更多的见解。

但在需要更多细节的情况下，将这两种分析形式结合起来，可以让工程师对工程的理解达到新的高度。这意味着你不必为了确保有一个“失败缓冲区”而被迫做出保守的估计。相反，您可以向利益相关者提供他们所需的所有准确信息，以最大限度地发挥网站的潜力。    

结合LEM和FEM的边坡稳定性是什么样子的？

为了确定安全系数，强度折减是一种非常好的方法，可以获得最关键的滑动面，滑动面可以是圆形的，也可以是任何其他形式。然而，在某些情况下，可能需要比最危险滑动面更多的信息，或者从工程角度来看，最危险滑动面并不重要。

在这些情况下，使用极限平衡法确定FoS将是解决方案。

通过极限平衡，可以精确地指定必须确定FoS的模型的哪个部分，同时该方法仍然有利于确定该区域中最危险、可能的非圆形滑动面。它还将允许在一个模型内确定模型不同部分的不同安全系数。

01.在GeoStudio中使用LEM开始边坡稳定性分析。

02.一旦你有了LEM模型，你就可以通过将FEM生成的计算整合到你的模型中来完善它。    

03.然后，使用PLAXIS通过详细的有限元分析来评估模型中最关键的情况，这样您就可以尽可能地优化它们并降低成本。

基于LEM和FEM的道路建设项目稳定性研究

让我们来看一个案例，其中LEM和FEM被结合使用，以提供更深入、更全面的分析。

新建道路情况概述

挑战

新西兰北岛一个潮汐湾沿岸正在修建一条新路段。

理想情况下，道路应建在离海湾更远的地方，以减少不稳定的可能性。但是，如上图所示，这块土地是私人所有的。因此，新道路必须沿着海岸线附近的陡峭坡度修建。

在道路施工后的第一个冬天，道路开始向海岸倾斜。    

人们还担心道路上方的落石和山体滑坡。

为了解决这些问题，该团队决定对道路上方的边坡稳定性进行额外分析。

然而，情况的复杂性意味着一种形式的数值模拟无法提供团队所需的细节和准确性。有限元法的强度折减法将给出最关键的滑动面，但在确定特定区域的FoS方面效果不佳。因此，该团队决定将有限元法FEM与极限平衡法LEM相结合，以确定道路上方的边坡稳定性。

该项目的主要目标是：

•确定原始山坡的FoS

•在干燥（夏季）条件下模拟新道路并计算其FoS

•模拟潮湿（冬季）条件并计算其FoS

•应用土钉并计算潮湿条件下的FoS

•使用LEM计算道路上方的边坡稳定性

解决方案

有限元分析结果表明，在安装所有土钉后，边坡最关键的区域将根据天气条件而变化很大。在冬季条件下，道路上方的坡度需要最多的关注，而在其他条件下，发现道路下方的坡度最为关键。    

然而，公路管理局需要更详细的信息，而不仅仅是最危险滑移面。为了符合公路管理局的标准，该团队需要根据两种情况确定FoS：

当道路下方的斜坡发生故障或整个山坡发生故障时达到。总损失所需的最小FoS为1.8。

当道路上方的斜坡坍塌，土壤/岩石暂时堵塞交通。这种故障被认为不太严重，因此防止服务中断所需的最小FoS为1.6。    

然而，仅凭有限元法很难准确确定边坡局部破坏机制的安全系数。有限元法只提供了最关键的机制，无法为道路的完全损失和暂时的服务损失提供安全系数。

因此，该团队决定添加LEM方法来确定所有相关的安全系数。他们在施工后对道路进行了LEM分析，并在夏季和冬季安装了土钉，以确定各自的FOS。  

将LEM和FEM分析相结合，使团队能够开发出具有更详细信息的岩土工程设计。这意味着该团队可以获得更全面的结果，并通过将其与LEM结果进行比较，广泛验证FEM分析的结论。

他们得出以下结论：

•在夏季和冬季条件下，如果不采取额外措施，就无法满足道路完全丧失所需的FoS。

•在夏季和冬季条件下，将满足临时服务中断所需的FoS，因此不需要对道路上方的斜坡采取额外的稳定措施。

安装一排土钉时，根据LEM分析，可能会达到所需的FoS，但这取决于道路的（不确定的）加固影响。

•安装所有土钉后，满足了防止总损失和服务损失的所需安全系数，尽管道路边缘下方的局部故障可能仍存在一些问题。

•安装所有土钉可能是确保道路稳定性的最佳方法。

该团队发现，将FEM和LEM结合起来，可以在不牺牲效率或准确性的情况下轻松满足不同的安全系数要求。

在这种情况下，使用有限元法使他们能够在任何项目阶段找到最危险的滑动面，而LEM分析使团队能够发现其他的潜在危险，如道路完全丧失和服务暂时丧失。    

至关重要的是，LEM分析可以根据有限元分析的结果进行验证；这两种方法都是项目成功的关键。

2D还是3D分析？

如何为您的边坡稳定性项目在二维和三维分析之间进行选择。

这是另一个经常让工程师感到困惑的选择：你的分析应该在2D还是3D中进行？

这两种方法都有不可否认的好处，但它们也有各自的缺点。

再一次，选择归结为找出哪种方法适合你的项目。在某些情况下，找到一种方法将2D和3D分析结合起来，更为全面。

用2D保持简单…

2D分析可能是不太详细的选择，但它有几个好处，这意味着它仍然适用于许多项目：更快的设置和更快的求解速度。

2D分析通常比3D分析更容易设置，这意味着完成定义几何体等任务所需的时间要少得多。而且，由于生成的模型要小得多，2D分析往往比3D分析具有更短的求解时间。

你应该什么时候使用它？

2D分析非常适合没有3D机制控制稳定性的应用。将其用于具有近似线性和均匀几何形状、相对简单的孔隙水压力条件和各向同性材料特性的项目。

…还是用3D来放大细节？

3D分析的几何细节明显比2D更详细。

主要的缺点是，这种额外的细节意味着在3D中的设置和分析比在2D中花费的时间更长。但你会因为额外的时间而获得更多的信息；在3D中，您可以探索2D中无法捕捉到的机制，从而更好地表示某些物理系统。

创建三维几何体后，您可以在三维中或使用许多二维横截面对其进行分析。这样做可以让你对模型的稳定性有更具空间代表性的了解，从长远来看，这可以减少工程设计所需的时间，提高最终设计产品的质量。

因为3D建模更详细，它往往更接近地代表您工程的现实。这使得能够以更精确的模型捕获更大、更复杂的站点。它还使使用多学科数据在整个项目生命周期内互连模型并做出更明智的决策变得更加容易。这使您可以将数据和分析结合起来，构建更准确的模型。    

尽管3D建模需要更长的时间，但正确的工具可以大大缩短准备模型所需的时间。寻找具有简单建模工具的解决方案，如PLAXIS和GeoStudio，这些工具可以轻松添加局部裂缝、不连续性和弱平面，以及载荷、位移、结构元素和钢筋等。

你应该什么时候使用它？

在涉及地质、地下水、地质结构和地形复杂性的应用中。任何有很多不同因素影响斜坡稳定性的地方，以及你需要高度确定性才能前进的地方。

如果您已经进行了二维分析，并想知道是否需要三维模型，请问自己以下问题：

•真实3D几何体的性质会对2D FoS值产生负面影响吗？    

•或者对降低设计和施工成本有积极影响？

如果这两个问题的答案都是肯定的，那么可能是时候考虑创建一个3D模型了。

找到平衡点

2D和3D分析都有自己的优点和缺点，这使得它们在某些情况下都是完美的，而在其他情况下则不那么完美。

但是，为了在准确性和效率之间找到完美的平衡，大多数团队需要同时使用这两种工具。他们需要能够在2D和3D分析之间毫不费力地切换——将从一个分析中收集到的参数输入到另一个分析——因为他们承担了新的项目并探索了新的可能性。

这就是PLAXIS和GeoStudio发挥作用的地方：它们是为协同工作而构建的，无缝集成，以确保工程师在需要时可以访问他们需要的分析。    

边坡稳定性分析的综合方法

从我们目前讨论的内容来看，很明显，良好的边坡稳定性分析不能脱离实际情况。

准确的分析意味着考虑导致边坡失稳的各种因素，并找到将技术和方法相结合的新方法来增加你的理解深度。

问题是，数据孤岛和复杂的软件栈往往使工程师难以对所有这些因素进行建模，而且几乎不可能有效地计算这些因素如何相互作用。

这就是为什么必须有像GeoStudio和PLAXIS这样的解决方案，可以在一个易于使用的界面中将多种分析结合在一起。这样的解决方案可以在同一生态系统内的不同产品之间有效地共享数据和模型，以便所有利益相关者都可以获得他们需要看到的所有可能。

建立自己的分析能力。使用GeoStudio和PLAXIS与更广泛的Seequent和Bentley产品系列无缝集成，将您的坡度分析与更广阔的项目相结合。

通过Seequent和Bentley产品轻松分享、扩展和使用您的分析结果。GeoStudio和PLAXIS都是Seequent与Bentley生态系统的一部分，这使得您可以轻松地将任何边坡稳定性输出与更广泛的项目工作流程集成在一起。

不确定从哪里开始？从我们最大的两款产品开始：    

Leapfrog三维地质建模

Leapfrog是一种革命性的解决方案，用于理解、可视化和交流周围的情况。它是一种3D隐式地质建模软件，允许从钻孔、GIS和结构数据中快速构建3D模型，从而减少了人工数字化的时间。

它是如何整合的？

使用在Leapfrog中创建的三维地质模型，定义GeoStudio和PLAXIS中的二维几何分析。通过这些数据，你可以构建一个涵盖地下地质模型和岩土分析的数字孪生模型，为你的团队提供作出明智决策所需的唯一数据来源。    

中央数据管理

Seequent Central是连接工作流、共享3D可视化和团队协作的推动者。它专为管理复杂地质数据的团队而设计，位于建模过程的核心，在可审计的环境中汇集分析结果和有效的数据管理。

Central是基于云的，这意味着您的团队可以在任何地方工作，并不断了解项目的最新进展。为他们提供自信高效地做出决策所需的见解。

它是如何整合的？

将Seequent Central发布的Leapfrog地质横截面和表面导入PLAXIS和GeoStudio并同步，以构建您的模型。地质模型也可以完全导入GeoStudio进行三维边坡稳定性分析。

一项互联的岩土工程分析工作

采取综合方法

提供深度、广度和灵活性并无缝集成的软件如何改变边坡稳定性分析？

边坡稳定性分析是一个复杂的过程。

但你不应该为了效率和易用性而牺牲细节或准确性。相反，您需要支持所有最准确和最可靠的工具

分析和建模方法的重要形式。

通过结合PLAXIS和GeoStudio的功能，您可以以前所未有的细节和精度对边坡稳定性进行建模。根据项目的实际情况，选择2D和3D分析或FEM和LEM工具的完美组合。    

Seequent/Bentley生态系统的构建考虑了具有挑战性的岩土工程项目，以帮助解决土壤和岩石中最常见和最复杂的岩土问题。

最重要的是，PLAXIS和GeoStudio为您提供了所需的灵活性和无缝集成，以确保您始终使用最适合您项目的方法。因此，您可以更快地行动，并完全自信地给出建议。

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