软弱夹层(Weak Layer)在LEM 2D和3D的处理方法

1 引言

岩土工程分析中经常遇到一些材料，其某个方向的几何尺寸与问题的整体尺寸相比非常小，最典型的例子是结构元，如桩、锚杆等，在这种情况下，我们通常不考虑结构元的几何形状，仅以梁单元或其它几何线性的单元来表示【Cable结构元简要回顾(Cable Structural Elements)；Plaxis 3D/2D中桩的模拟---Embedded Beam(Pile) Modeling】。此外，岩石工程中的软弱夹层(Weak Layer)，当层的厚度与周围岩体尺寸相比非常小时，我们假定层的厚度为0，在数值模拟中使用界面元来表示【界面元的创建(Creation of Interface Geometry)】，界面元也用于考虑两种不同刚度材料界面之间的相互作用【板桩墙(Sheet Pile Wall)模拟---FEM中的界面元】。本文简要讨论了在极限平衡法LEM中使用的这种界面元。

2 2D弱层边界

弱层边界(Weak Layer Boundary)通过定义一条具有强度属性的折线来模拟潜在的滑动面，由于弱层折线没有物理厚度，它被用于模拟界面、节理或厚度可以忽略不计的非常薄的弱层或或具有低强度特性的界面(如土工膜界面)。通常假定弱层边界的粘结力为0。弱层边界是一个独立的模拟实体，不是模型边界几何的一部分。它与其他边界类型不能相交，也不能用来定义材料区域，它唯一的目的是定义具有强度特性的边界。

下图比较了这两种不同分析方法计算的安全系数。当把弱面作为一种材料时，破坏面的形状和安全系数取决于弱层的厚度。

3 3D弱层边界

在某些情况下，岩体中的弱层不止一个，当处理这种问题时【带有软弱夹层(Weak Layer)的三维采矿边坡稳定性分析(3D Open Pit Analysis)】，滑动面除了使用自动搜索方法外，也可以使用用户自定义的滑动面，自动寻找多个弱面的最优组合。