集成方法如何帮助工程师更高效地工作、获得更深入的洞察并更好地执行项目。

引言

在采矿领域，边坡稳定性既是安全问题，也是经济问题。边坡坍塌会直接威胁工人的生命安全。同时，这类灾难性事件可能导致采矿作业被迫中止，并严重影响盈利能力。

这类事故在大型露天矿中尤为令人担忧，因为此类边坡往往稳定性较差，更容易发生坍塌。

边坡稳定性一直是关注的重点，但近年来其重要性愈发突出。采矿企业不断向更深层开采，以最大化每个矿区的盈利潜力，这也相应提升了失稳的风险。

在土木工程领域，边坡稳定性同样至关重要，即便是小规模的“失稳”，也可能对结构物的整体稳定性造成重大影响。而在这一行业中，稳定性就意味着安全。岩土工程师必须设计出能够保护人员和环境，并且可长期使用的结构。

边坡稳定性不容忽视，也不可低估。但这并不意味着分析过程一定轻松。工程师在边坡设计、评估和分析中高度依赖数值建模。然而，每种数值建模方法都有其独特的特性与流程，只有在适当的场景下合理应用，才能发挥最佳效果。

在二维（2D）与三维（3D）分析之间做出选择同样充满挑战。二维分析往往会过度简化复杂的地下结构和地形，迫使工程师在估算时采取过于保守的态度，甚至可能忽略一些关键的稳定性控制机制。相比之下，三维分析能够更准确地反映场地地质情况，提供更精确的几何表现，并能更真实地考虑各向异性条件。但三维分析通常需要显著更多的现场数据，尤其是在涉及复杂地质模型和需要更深入结果解释时。

因此，在任何边坡稳定性项目中，最大的挑战往往是将合适的分析方法与合适的应用场景相匹配。

在本文中，我们将深入探讨各种分析方法的优缺点。更重要的是，我们将展示这些方法——三维与二维分析、有限元法（FEM）与极限平衡法（LEM）——如何相辅相成。通过结合使用，它们能够为工程师提供所需的灵活性、准确性和洞察力，从而保障人员安全并推动项目顺利进行。

选择方法：极限平衡法（LEM）

LEM 的优势及其实践应用

哪种数值建模方法最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。要在项目中找到既高效又准确的平衡点并不容易。

不过，借助合适的工具，工程师可以根据项目需求，灵活切换两种最常用的方法——极限平衡法（LEM）和有限元法（FEM）。

在本章中，我们将介绍 中仿GeoStudio 的 LEM 功能如何为您的项目带来优势。

如何（以及何时）使用极限平衡法（LEM）

LEM 用于评估土体或岩体的平衡状态——特别是其在重力作用下产生滑移的趋势。

通过 LEM，岩土工程师可以比较抵抗滑移的力与力矩，以及促使滑移的力与力矩。

LEM 的计算结果是 安全系数（FoS）。当 FoS 小于 1.0 时，表示边坡处于不稳定状态。

LEM 的优势

高效

LEM 的计算速度相对较快。这意味着工程师可以有更多时间去研究不同类型的破坏形式，以及影响稳定性的各种机制。

灵活

LEM 适用于广泛的稳定性问题，包括天然边坡和人工边坡。它同样可用于加固边坡，允许建模多种加固类型，以便合理考虑抗拔力和抗剪力。

全面

LEM 能够表征大多数岩土材料的强度特性，从线性 Mohr-Coulomb 模型到非线性、排水与不排水强度模型，均可涵盖。这其中还包括非饱和和各向异性条件。

此外，LEM 可以通过多种方法模拟孔隙水压力，包括与有限元渗流分析或固结分析的耦合。这一点至关重要，因为水对边坡稳定性有显著影响，因此必须合理考虑孔隙水压力。

易于设置

LEM 的建立和结果解释相对简单。借助不同的滑裂面搜索方法，可以快速评估边坡的不同部位，从而增强对潜在破坏机制关键位置的把握。

在 GeoStudio 中运行 LEM —— 露天矿边坡的安全性评估

在 GeoStudio 中，LEM 的操作流程如下，以露天矿安全性评估为例：

1．创建三维地质模型或二维剖面几何

在此阶段，需要建立几何模型并输入材料参数，选择最能代表各地层的抗剪强度模型。同时，还需对几何中存在的弱带（如断层）赋予相应条件。

2．定义 LEM 分析参数

选择 LEM 类型后，可通过多种滑裂面搜索方法来定义潜在滑动体。同时，还可以在分析中引入孔隙水压力等附加因素。

3．开始分析

完成初始设置后，可对整个露天矿域，或其中的某一子域进行分析，以识别最可能发生破坏的区域。

4．评估计算结果

在结果模块中，可以查看试算滑裂面，按安全系数对滑动体进行分类。这样就可以比较不同区域的相对风险。工程师还可以深入到感兴趣的位置，更详细地查看估算得到的三维破坏体和弱带中的非圆形临界滑裂面。

5．比较二维与三维的安全系数（FoS）

在 GeoStudio 中，可以同时评估二维和三维的安全系数，从而增强对结果的信心。这有助于工程师更好地理解几何形态及材料参数变化对破坏概率的影响，从而降低风险。

现在，让我们来看一个露天矿中该过程的实际应用。

案例研究-露天矿的结构控制稳定性

在同时考虑断层的情况下，临界滑动体位置及其对应的安全系数。

挑战

像断层和不连续面这样的结构特征决定了岩体的力学行为，是控制岩质边坡稳定性的重要因素。在很多情况下，地质结构决定了破坏机制的复杂性，这种破坏可能从简单的平移破坏发展到复杂的多机制破坏。

在沉积岩中，软弱面往往沿着层理面出现，如果层理面出露，可能导致滑动。同样，断层面也常常形成滑动面或卸荷面。

在边坡稳定性设计中，能否合理反映这些地质结构对计算安全系数（FoS）的影响，是露天矿安全与优化设计的关键。

露天矿几何形态，包括两条主要断层的位置

解决方案

第一步是创建能充分反映场地地质复杂性的几何模型。这一步通过 Seequent 的 Leapfrog 软件完成，利用钻孔数据和网格化地质界面建立了地质模型。

借助 Seequent 的云端模型管理解决方案 Central，工程师能够将 GeoStudio 与 Leapfrog 的地质模型动态连接，从而定义三维几何。

在几何和材料完全定义后，下一步是确定需要研究的断层几何信息。在该案例中，两条构造的倾角与倾向是通过现场测量获得的。这些数据随后被导入 GeoStudio，用来定义断层面，并转化为背景网格。最后一步是为每条断层指定一个低强度的材料模型，以模拟断层泥的强度特性。

在试算滑裂面与断层相交时，其形态和抗剪强度都会随之改变。分析结果表明，当两条断层同时参与破坏时，安全系数会降至不可接受的水平。更为重要的是，GeoStudio 的快速计算与简便设置使工程师能够在不同工况和强度参数下，高效探索潜在临界滑裂面的位置。

在同时考虑两条断层的情况下，临界滑动体位置及其对应的安全系数

选择方法：有限元法（FEM）

FEM 的优势及逐步指导

有限元法（FEM）允许工程师在进行变形分析和/或固结分析后，开展一次或多次安全性分析。

FEM 的真正优势在于评估设计是否满足安全性要求，无论是在项目实施过程中，还是项目完成之后。

与 LEM 类似，FEM 的输出也是安全系数（FoS）—在这里表现为边坡失稳时的强度折减系数。

FEM 的优势

自动化

使用 FEM 时，模型会自动在剪应力超过动员剪切强度的区域形成最主要的破坏机制。

全面性

FEM 可用于模拟土体和岩体，以及多种水文条件。这使工程师能够在更广泛的情景下构建更加详细、全面的边坡稳定性分析，从而提升对分析结果的信心。

可适应性

FEM 能够提供变形信息，并允许滑裂面根据土体或岩体的强度与刚度特性自然发展。同时，FEM 还可估算由此产生的应力与孔隙水压力。这些分析为工程师提供了对边坡安全性、潜在风险以及必要稳定措施的重要洞察。

在 PLAXIS 中运行 FEM

在 PLAXIS 中进行边坡稳定性分析时，需要考虑若干实际因素，这些因素会影响 FoS 计算结果的可靠性：

1．确保网格足够精细

网格过粗会高估 FoS。还需保证安全性分析的计算步数足够，使破坏机制能够充分发展（如下文所述）。

2．考虑吸力的影响

将先前计算重新运行并考虑吸力——通常会使安全系数更高。这些安全系数虽然不如传统方法保守，但更接近实际情况。

3．选择 FoS 的评估位置和方式

可以直接从 PLAXIS 的计算信息表读取 FoS。但通常应通过曲线图评估 FoS，在预期边坡失稳的区域选择监测点。曲线图在安全性分析完成后生成，显示控制点位移与模型强度折减系数的关系。原则上，曲线应趋于渐近值，该值对应 FoS。

4．检查计算步数是否足够

小的 FoS 增量应引起位移的显著变化。可通过曲线图检查分析结果是否符合此规律。如果不符合，需要增加安全性分析的计算步数。

查看增量位移的阴影图（显示最后计算步的位移）或剪应变图，有助于识别破坏机制。

案例研究-使用 PLAXIS 3D 解决公路建设中的复杂隧道工程挑战

挑战

在墨西哥西海岸，从 Tepic 市到 Puerto Vallarta 市建设高速公路期间，一支地下施工专家团队发现隧道进口附近有大量岩体正在滑动。原因是一条地质断层的重新活化导致的明挖开挖。此时正值雨季，边坡移动速度比平常更快。

隧道进口也开始出现破坏，使施工现场面临高风险。

综合这些因素表明，传统方法难以稳定滑坡及隧道进口破坏。同时，开挖隧道进口的施工也受到不平衡岩体的影响，极有可能触发大规模破坏机制。

整体而言，施工团队面临的是一个复杂的岩土工程问题，必须迅速解决，以保障现场人员安全和项目顺利推进。

解决方案

团队决定将隧道、隧道进口明挖区以及滑坡区连接起来，采用非常刚性的 明挖-盖板隧道，并辅以大型混凝土桩墙和主动锚杆加固。

为执行这一方案，团队需要建立尽可能接近实际的三维岩土模型，以便准确模拟预想的解决方案。他们首先进行了为期八个月的详尽地形调查，包括安装孔隙水计、地表监测、钻探，以及对研究区的地质/岩土测绘。

在现场调查结果完成后，团队建立了 PLAXIS 三维模型，以最精确的方式模拟岩体移动情况。同时，使用一系列 PLAXIS 二维剖面模型，经过校准后，用于补充三维模型的信息，提高精细度。

最后，这些模型被用于计算项目中新开挖部分、结构和压实回填土的设计。

项目的首席岩土工程师 Fermín Sanchez Reyes 博士表示：

“虽然所提出的方案并非成本最低，但它是最佳的长期方案，也是最具性价比的方案，因为我们能够计算并模拟出边坡稳定问题的最安全解决方案，同时恢复受明挖影响的土地。”

两全其美：结合 LEM 与 FEM

将两种数值建模方法结合使用，深化分析并减少麻烦

在 LEM 与 FEM 之间做选择可能颇具挑战，许多工程师会觉得选择其中一种方法意味着分析中会留有空白。

但使用合适的工具，LEM 与 FEM 可以相辅相成，协同工作，为边坡稳定性提供更完整的分析视图，同时提升对分析结果准确性的信心。

联合 LEM 和 FEM 的优势

运行联合 LEM 与 FEM 分析，可以考虑影响边坡稳定性的每一个因素。

当然，也存在只采用单一方法最合理的情况。例如，LEM 非常适用于需要对破坏机制进行完全控制的场景；而 FEM 则更能提供变形信息以及加固边坡的土-结构相互作用洞察。

但在需要更详细信息的情况下，将两种分析方法结合使用，可以帮助工程师获得更深层次的理解。这意味着工程师无需为了保证“破坏缓冲”而做过于保守的估算，而是可以为相关方提供完整、准确的信息，以最大化场地潜力。

联合 LEM 与 FEM 的边坡稳定性分析如何进行？

为了确定安全系数（FoS），强度折减法是一种非常有效的工具，可用于找到最关键的滑裂面，该滑裂面可能为圆形，也可能为其他任意形状。然而，有时工程上可能需要的不仅仅是最关键的滑裂面，或者最关键滑裂面本身工程意义不大。

在这种情况下，使用 极限平衡法（LEM）来确定 FoS 是可行的方案。

通过 LEM，可以精确指定模型中需确定 FoS 的区域，同时仍可确定该区域内最关键、可能为非圆形的滑裂面。并且，在同一模型中可以为不同区域计算不同的安全系数。

联合分析的操作步骤

1.在 GeoStudio 中使用 LEM 开始边坡稳定性分析

2.在已有 LEM 模型的基础上，通过整合 FEM 计算结果进行模型优化

3.利用 PLAXIS 对结果中最关键的情况进行详细 FEM 分析，从而尽可能优化设计并降低成本

道路施工项目的稳定性分析：结合 LEM 与 FEM

观察 LEM 与 FEM 的联合应用

让我们来看一个案例，在该案例中，LEM 与 FEM 联合使用，为边坡提供了更深入、更全面的分析。

案例研究-新建道路的情况概述

挑战

新西兰北岛某潮汐湾沿岸正在建设一段新道路。

理想情况下，道路应远离湾岸，以降低边坡不稳定的风险。但如上图所示，该土地为私人所有。因此，新道路不得不沿着紧邻潮汐湾的较陡坡度建造。

道路建成后的第一个冬季，道路开始向潮汐湾倾斜。工程团队还担心道路上方可能发生落石和滑坡。

为应对这些问题，团队决定对道路上方边坡进行额外的稳定性分析。

然而，情况复杂，单一的数值建模方法无法提供团队所需的细节和精度。FEM 的强度折减法虽然能给出最关键滑裂面，但在确定特定区域的 FoS 时效果有限。因此，团队决定将 FEM 与 LEM 结合使用，以确定道路上方的边坡稳定性。

项目主要目标

• 确定原始山坡的安全系数（FoS）

• 模拟干燥（夏季）条件下的新道路并计算 FoS

• 模拟湿润（冬季）条件并计算 FoS

• 应用加固土钉并计算湿润条件下的 FoS

• 使用 LEM 计算道路上方的边坡稳定性

解决方案

FEM 分析结果显示，在安装所有土钉后，坡面最关键的区域会随天气条件而变化：

冬季条件下，道路上方的边坡最需关注

其他条件下，道路下方的边坡最为关键

FEM 分析：增量位移显示破坏机制

然而，高速公路管理局需要比单一最关键破坏更详细的信息。为符合管理局的标准，团队需要针对两种情景确定安全系数（FoS）：

1. 道路完全丧失

当道路下方边坡失稳或整个山坡破坏时发生。

对道路完全丧失要求的最低 FoS 为 1.8。

2. 临时服务中断

当道路上方边坡失稳导致土石暂时阻塞交通时发生。

此破坏被认为严重性较低，因此对服务中断要求的最低 FoS 为 1.6。

然而，仅靠 FEM 很难准确确定局部破坏机制的安全系数。FEM 只能提供最关键的破坏机制，无法同时给出道路完全丧失和临时服务中断的 FoS。

因此，团队决定增加 LEM 方法 来确定所有相关安全系数。

他们对道路进行了 LEM 分析，包括施工后的情况以及顶部土钉安装后的情况，在夏季和冬季条件下分别计算相应的 FoS。

结论

结合 LEM 与 FEM 分析，使团队能够制定更为详尽的岩土设计方案，获得了更全面的分析结果，同时可以通过将 FEM 与 LEM 结果进行对比，广泛验证 FEM 分析的结论。

团队得出以下结论：

• 夏季和冬季条件下，若不采取额外措施，道路完全丧失的要求 FoS 无法满足。
  

• 夏季和冬季条件下，道路上方边坡的临时服务中断要求 FoS 可满足，因此无需额外加固措施。
  

• 安装一排土钉时，根据 LEM 分析可能达到要求的 FoS，但取决于道路加固效果的不确定性。
  

• 当所有土钉安装完毕后，针对道路完全丧失和临时服务中断的 FoS 均可满足，但道路边缘下方局部破坏仍可能存在一些风险。
  

• 安装所有土钉可能是确保道路稳定的最佳方式。

团队发现，结合 FEM 与 LEM 可以在不牺牲效率或准确性的情况下，轻松应对不同的安全系数要求。

FEM 可在项目任何阶段找到最关键滑裂面。

LEM 可提供针对其他关键情景（如道路完全丧失和临时服务中断）的安全系数。

关键在于，LEM 分析结果可与 FEM 分析结果进行验证；两种方法都是项目成功的核心要素。

2D 还是 3D 分析？

如何为边坡稳定性项目选择 2D 或 3D 分析

这是另一个常让工程师犹豫的问题：您的分析应该采用 2D 还是 3D？

两种方法各有优势，但也都有其局限性。

关键在于判断哪种方法最适合您的项目，有时也可以通过结合 2D 与 3D 分析来获得更多洞察。

简单快速的 2D 分析

2D 分析虽然细节较少，但它有几个优势，使其在许多项目中仍然适用：设置快、计算快。

2D 分析通常比 3D 分析更易设置，定义几何形状等任务所需时间显著减少。由于模型规模较小，2D 分析的计算时间通常远快于 3D 分析。

适用场景

• 适用于没有三维机制控制稳定性的项目

• 几何形状近似线性且均匀

• 孔隙水压力条件较简单

• 材料性质各向同性

更多细节的 3D 分析

3D 分析在几何细节上远胜于 2D。

主要缺点是更多细节意味着设置和分析耗时更长。但投入的时间换来的是更多信息：3D 能捕捉 2D 无法体现的机制，更真实地反映某些物理系统。

创建 3D 几何模型后，可以直接进行 3D 分析，也可以使用多条 2D 剖面分析，从而获得更空间化的边坡稳定性视图。长期来看，这能减少工程设计所需时间并提升最终设计质量。

由于 3D 建模更详细，更接近现场实际情况，可用于更大、更复杂的场地建模，也便于整合多学科数据，在项目生命周期内互联模型、做出更明智的决策。

尽管 3D 建模耗时较长，但合适的工具可以显著缩短模型准备时间。选择如 PLAXIS 和 GeoStudio 这类易于建模的解决方案，可轻松添加局部裂隙、不连续面、薄弱面，以及荷载、位移、结构单元和加固措施。

适用场景

• 地质、地下水、地质构造或地形复杂

• 多种因素影响边坡稳定性

• 需要高精度确定性以推进项目

如果已完成 2D 分析

如果已完成 2D 分析，并考虑是否需要 3D 模型，可问自己：

• 真实的 3D 几何形态会否对 2D FoS 值产生负面影响？

• 是否会有正面效果，从而降低设计和施工成本？

如果任一答案为“是”，那么可能需要考虑创建 3D 模型。

找到平衡

2D 和 3D 分析各有优缺点，适用场景不同。

要在准确性与效率之间找到最佳平衡，大多数地球科学团队需要同时掌握两种工具，并能在 2D 与 3D 分析间轻松切换，将一种分析获得的洞察反馈到另一种中，以应对新项目和探索新可能性。

PLAXIS 和 GeoStudio 的优势

• 两者可无缝集成

• 确保工程师在需要时即可访问所需分析工具

综合方法的边坡稳定性分析

从前文内容可以看出，高质量的边坡稳定性分析不能孤立进行。

准确的分析意味着必须考虑影响边坡不稳定的众多因素，并寻找新的方法将不同技术与手段结合，以深化对边坡行为的理解。

然而，数据孤岛和复杂的软件堆栈常常让工程师难以建模所有这些因素，更难以高效计算它们之间的相互作用。

这就是为什么 GeoStudio 和 PLAXIS 等解决方案至关重要——它们能够在易用的界面中整合多种分析方法。

这类解决方案可以在同一生态系统内高效共享不同产品间的数据和模型，使所有利益相关方都能获取完整洞察。

构建您的分析能力

利用 GeoStudio 与 PLAXIS 与 Seequent 和 Bentley 产品的无缝集成，将边坡分析融入更广泛的项目中。

通过 Seequent 和 Bentley 产品，轻松分享、扩展并应用您的分析成果。

GeoStudio 与 PLAXIS 的优势

GeoStudio 和 PLAXIS 都属于 Seequent 与 Bentley 生态系统——这使得将边坡稳定性分析结果整合到更广泛的项目工作流中变得简单。

不确定从哪里开始？可以先使用两款核心产品：

Leapfrog 三维地质建模

Leapfrog 是一款革命性解决方案，用于理解、可视化和传达地质条件。

它是一款 3D 隐式地质建模软件，可快速从钻孔、GIS 和构造数据构建 3D 模型，减少手工数字化所需时间。

如何集成？

利用 Leapfrog 创建的 3D 地质模型，定义 GeoStudio 和 PLAXIS 分析所需的 2D 或 3D 几何。

使用这些数据，可构建包含地下地质模型和岩土分析的数字孪生体，为团队提供单一真实信息源，以支持科学决策。

Central 数据管理

Seequent Central 支持连接工作流、共享 3D 可视化和团队协作。

设计用于管理复杂地质数据的团队，它位于建模流程核心，将洞察与高效数据管理整合在可审计的环境中。

Central 基于云平台——团队可随时随地工作，并实时掌握项目进度，为决策提供可靠信息。

如何集成？

将在 Seequent Central 发布的 Leapfrog 地质剖面和地表数据导入并同步到 PLAXIS 与 GeoStudio，以构建模型。

地质模型也可完整导入 GeoStudio，用于 3D 边坡稳定性分析。

一个互联的岩土分析工作流

采用综合方法

利用提供深度、广度和灵活性的无缝集成软件，革新边坡稳定性分析

边坡稳定性分析是一个复杂的过程。

但您无需为了效率和便捷而牺牲细节或准确性。相反，您需要能够支持所有最准确、最重要的分析和建模方法的工具。

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，并为项目选择最合适的 2D/3D 分析组合，或 FEM/LEM 工具组合，以匹配项目的物理条件。

Seequent/Bentley 生态系统的设计初衷是应对具有挑战性的岩土工程项目，帮助解决土体和岩石中最常见以及最复杂的岩土问题。

最重要的是，PLAXIS 和 GeoStudio 提供了所需的灵活性和无缝集成，确保您始终使用最适合项目的方法，从而加快工作进度，并自信地提出建议。

想提升边坡稳定性分析的准确性和效率吗？

联系我们，了解GeoStudio以及Plaxis更多的信息吧！

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