岩体不连续模拟---节理元(Shear Joint)的使用

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1 引言

岩石工程中的各类不连续，当层的厚度与周围岩体尺寸相比非常小时，通常假定层的厚度为0，岩体不连续【岩体不连续提取工具---Discontinuity Set Extractor (DSE)；使用现代三维成像技术进行岩体不连续分析(Split-FX数据集)】模拟是岩石工程稳定性分析的一个组成部分，小至节理大到断层，都可能局部影响或全局影响岩石工程的稳定性。除了离散元UDEC和3DEC外，在连续性介质中进行不连续模拟是最常用的方法，最早提出基于有限元的岩体不连续模拟方法是Goodman节理元【物理模拟技术---基底摩擦模型的历史回顾(Base Friction Model)】，这种算法目前在RS2、RS3和ADONIS中还在使用；基于边界元的位移不连续法模拟岩体不连续，目前在EX3中仍在使用；FLAC2D和FLAC3D使用界面元【界面元的创建(Creation of Interface Geometry)】模拟岩体内的少量不连续。本文简要回顾了除此之外的其它模拟方法。

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。

4 不连续元

在【Plaxis应用于岩石工程问题的本构模型】中讨论了Plaxis应用于岩石工程问题的本构模型，其中提到了显式定义平行节理组的Jointed Rock (JR) model。JR模型可用来模拟岩体由平行节理组产生的各向异性行为，最多能够定义三组优势面，每个方向使用独立的Mohr-Coulomb破坏准则，同时假定岩石呈线弹性变形，塑性变形只沿着预定的节理面发生。

在许多岩石工程问题中，我们需要模拟单个的不连续，不连续代表着在连续介质中存在的断裂，其特征是没有抗拉强度或具有非常低的抗拉强度，如节理、软弱夹层、软弱片理、剪切区和断层等。Plaxis传统地可以使用界面元(Interface Elements)来模拟不连续，尽管界面元主要用来模拟土-结构的相互作用。为了更有效地模拟不连续的行为，使用新引入的不连续元(Discontinuity Elements)，不连续元除了可以模拟沿着不连续方向的滑动外，也可以模拟不连续的张开或闭合。

不连续元是在Structures mode下创建的(Create Structure > Create discontinuity)，其几何形状在2D中是一条线，在3D中是一个面，作用机理是通过对网格中节点进行解耦，使不连续体的两个面之间产生相对位移。与界面元类似，当使用15节点的单元时，不连续由5对节点定义；当使用6节点的单元时，不连续由3对节点定义。值得注意的是，现实中的不连续具有一定厚度，但在有限元建立过程中，每个节点对的坐标值是相同的，因而不连续单元的厚度为0。