利用Rocscience软件实现从内部设计到二维与三维整体稳定性分析

一个全面的稳定性评估始于正确的分析工具。本案例研究最初由Brocca等人（2023）提出，展示了如何综合使用集成Rocscience软件套件——RSWall、Slide2和Slide3——来评估一段位于坡地道路边坡上的多段式加筋石笼墙的稳定性。

该挡墙分为三段，长度分别为8.6米、22.9米和24.2米。三段墙体高度统一为6米，用于支挡坡度为24°的土体，并承受20kN/m²的交通活载。

图1：所研究石笼墙的平面图

利用RSWall进行石笼墙内部设计

墙体采用RSWall中的“石笼墙”选项进行设计。

图2：RSWall中可选的墙体类型

设计遵循AASHTO 2020规范，使用强度荷载组合。RSWall采用极限状态设计法（LRFD）进行外部和内部失稳校核，荷载系数和抗力系数根据用户选择的设计规范自动确定。

图3：RSWall中的设计规范选择界面

图4：AASHTO 2020对应的荷载与抗力系数

考虑的破坏模式包括：

·外部稳定性：滑移、倾覆、地基承载力；

·内部稳定性：包括内部滑移和顶部倾覆（仅适用于节段式及石笼墙）；

o对于带加筋材料的墙体，内部滑移可能沿加筋材料或面板发生；

o对于石笼墙，内部滑移则是指石笼单元间的滑动。

图5：本分析中考虑的外部与内部稳定性破坏模式

RSWall中选用库仑法计算主动土压力。采用两种不同深度的石笼单元（0.5m和1.5m）构建非均质墙体轮廓。通过RSWall的“向导工具”根据土层剖面坐标定义多段墙体几何。

图6：通过“向导工具”定义的多段墙体几何

图7：非均质墙体轮廓图

后坡坡度定义为24°。

图8：分段后坡的属性设置

土工参数表

墙体还承受20kPa的分布式活载。

图9：RSWall中的荷载管理对话框

图10：RSWall中的多段式石笼墙模型

计算结果显示墙体整体稳定。最小的承载力-需求比（CDR）为1.01，对应于基础滑移破坏。由于各段墙体高度与轮廓相同，CDR一致。

RSWall的全新报告生成功能可输出每段墙体的详细手算过程。下图为第一段墙体基础滑移破坏的手算示例。

图11：RSWall报告生成器中的详细手算结果

由于模型满足内外部稳定性要求，下一步是导入Slide2进行整体稳定性分析。

使用Slide2进行整体稳定性分析

所有墙体段被导入至Slide2，生成一个多工况项目文件。

图12：将多个段落导出至Slide2

图13：从RSWall导入的多工况Slide2模型

在Slide2中，石笼墙采用以下参数建模：

·黏聚力：500kPa

·摩擦角：45°

·单位重：24.3kN/m³

采用Javankhoshdel等人（2022）的方法估算石笼单元的等效抗剪强度。设最小石笼尺寸为0.5m、网格抗拉强度为40kN/m，使用以下公式计算等效黏聚力（Cr）：

其中：

·φ为石笼填料的摩擦角；

·Δσ₃为等效围压增量（参考Bathurst和Karpurapu,1993）；

·fₜ为网格抗拉强度；

·d为最小石笼尺寸；

·εₐ为破坏时的轴向应变（通常为0.05–0.07）；

·εc为周向应变。

采用Excel表格，并设1×1m石笼块体抗拉强度为75kN/m，估算黏聚力为110–115kPa。本模型采用c=110kPa。

使用Spencer法及自动细化（圆形滑弧搜索），整体安全系数FS=1.35，满足多数设计标准。

图14：Slide2中石笼墙的圆形滑弧破坏机制图

Javankhoshdel等人还建议在石笼墙分析中使用非圆形搜索方法，特别是存在弱界面时。采用“布谷鸟搜索法”（非圆形），Slide2得到FS=1.2，破坏面穿过墙后土体。

非圆形搜索通常比圆形搜索得到更低的FS值。

图15：Slide2中的非圆形滑弧破坏机制图

注意：当模型从RSWall导入时，Slide2会自动应用LRFD系数；若设计标准设置为“无”，则采用ASD（容许应力设计），这通常会使FS略有提高。

图16：采用ASD法时Slide2中的非圆形破坏机制图

在Slide2中于石笼单元接口处模拟一层弱土层，设置参数为c=20kPa，φ=15°，使用Spencer法得到FS=1.1。

图17：Slide2中在石笼单元接口处模拟的弱土层

启用“显示所有破坏面”功能并设置FS<1.2筛选条件，可识别多个潜在滑弧面，表明破坏具有多模态特征。

图18：显示所有FS<1.2的潜在破坏面

Slide2中使用多模态优化（MMO）功能（粒子群→多模态）以识别多个可能的滑动面。

图19：Slide2中石笼墙MMO分析结果

结果显示多个FS<1.2的破坏面，验证了多模态特征。由于各段墙体及土体参数一致，Slide2的稳定性分析结果适用于全部段落。然而，二维模型假设沿模型平面法向无限延展，三维分析可提供更全面评估。

使用Slide3进行三维整体稳定性分析

模型在Slide3中重建，包含实际道路与挡墙尺寸、坡度及荷载。三维分析进一步提升了洞察力。

图20：Slide3中的石笼墙三维建模

采用黏聚力法（c=110kPa）并启用MMO功能，识别关键滑弧面。

图21：Slide3模型中MMO分析结果

结果显示两条主要破坏面，FS分别为1.4和1.6，均高于二维分析值。这符合预期，三维分析对墙体强度的模拟更为真实。

Slide3中的柱状剖面图显示部分滑弧面穿过高强度的石笼单元。

图22：Slide3中的柱状视图，显示滑弧面与石笼单元的交互情况

对未来石笼墙设计的启示

将RSWall、Slide2与Slide3结合使用，可在二维与三维模型中精确评估结构的内部与整体稳定性。该方法尤其适用于几何复杂或存在弱界面的情况，能提前识别关键滑动面，提升设计可靠性。

参考文献

·Bathurst, R. J. 和Karpurapu, R. 1993.大型三轴试验研究：加筋土工格室加固粒状土体，《岩土测试杂志》，296-303.

·Brocca, G. , Vicari, M . , Javankhoshdel, S. , Ma, T. 和Cami, B. 2023. 使用二维与三维极限平衡分析方法对石笼墙进行内部与整体分析的对比研究，Rocscience国际会议论文集，第751-762页，Atlantis Press.

·Javankhoshdel, S. , Sy, L. J ., Ma, T. , Cami, B. , Yacoub, T. 2022.石笼墙的极限平衡分析，Geo Calgary 2022.

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