与Bard对话 | 3DEC隔离块稳定性方法(block analyze-stability)
1 引言
在微软AI产品的深度夹击下，Google于近日向公众全面开放了它的AI对话产品Bard【ChatGPT和Bard之间"对话"的竞争】。本文试验了Bard的对话能力，主要目的是测试Bard是否包含足够岩土工程专业知识的解释能力。试验对话主题为“Isolated Block Stability Method in 3DEC(3DEC中的隔离块稳定性方法)”
2 与Bard的对话
2.1 解释
首先，要求Bard 'explain Isolated Block Stability Method in 3DEC(解释3DEC中的隔离块稳定性方法).'。Bard给出如下解释：
隔离块体稳定性法(IBPM)是一种用于评估岩体中单个刚性块体稳定性的数值方法。该方法基于以下假设：
(1) 块体与周围的岩体隔离，这意味着它不会与其他块体或地面相互作用。
(2) 块体是一个刚体，这意味着它在载荷作用下不会变形。
(3) 块体承受初始应力，这些应力施加到其所有面上。
(4) 当块体开挖时，会在开挖面上释放应力。
IBPM计算块体的运动和由于开挖过程引起的应力变化。然后该方法使用此信息计算块体的安全系数(FOS)。FOS是块体稳定性的衡量标准，FOS越高表示块体越稳定。IBPM是一种相对简单明了的评估块体稳定性的方法。它的计算相对较快，使其成为初步稳定性评估的不错选择。但是，该方法确实有一些限制。例如，它不考虑块体或地面之间的相互作用。因此，IBPM计算的FOS可能是保守的。IBPM在3DEC软件中实现。要使用该方法，必须首先创建块体和周围岩体的 3DEC 模型。然后，必须指定块体的几何形状、初始应力和节理属性。创建模型后，即可使用IBPM计算块体的FOS。IBPM是评估岩体中块体稳定性的有用工具。这是一种相对简单明了的方法，可用于快速评估块体稳定性。但是，该方法确实有一些限制，因此在使用该方法时了解这些限制非常重要。
2.2 代码
接着要求写一个例子命令：'Can you give me an example command to analyze the block stability using Isolated Block Stability Method?(你能给我一个示例命令来使用隔离块稳定性方法分析块体稳定性吗？)'，Bard只写了一句命令"block stability block_name"，这显然是错误的，接着补充问‘The correct command should be 'block analyze-stability free-face'. Can you rewrite the code?’ 用正确的命令作提示，让其重写代码。这一次它给出了正确的命令并作出解释：
block analyze-stability free-face s <keyword>此命令将分析面与指定名称的自由面接触的块体稳定性。可用的关键字有：
3 与GPT-4的对话
使用相同的问句'explain Isolated Block Stability Method in 3DEC(解释3DEC中的隔离块稳定性方法)，GPT-4给出的回答如下：
3DEC(3-Dimensional Distinct Element Code)是一个数值建模软件，用于模拟块状岩体、土和其他不连续材料的行为。孤立块体稳定性方法(IBSM)是3DEC中的一种分析技术，它有助于评估岩体或不连续体系统中单个块体的稳定性。下面是对3DEC中隔离块稳定方法的解释：
(1) 离散化。首先，岩体或不连续材料被离散成一系列的不连续块体。这通常是通过在模型中加入不连续体(节理、断层、层面等)的几何形状来完成的。
(2) 隔离单个块体。IBSM确定了系统中可能由于施加载荷或环境条件的变化而变得不稳定的单个块体。然后隔离出这些块体，进行进一步的稳定性分析。
(3) 稳定性分析。对于每个孤立的块体，稳定性分析包括计算防止滑动和/或倾覆的安全系数。安全系数是抵抗力(如摩擦力、内聚力和互锁力)与驱动力(如重力、水压和外部载荷)的比值。如果FoS小于1，则认为块体是不稳定的。
(4) 敏感性分析和缓解措施。IBSM也可用于进行敏感性分析，评估岩石强度、节理方向和水压等参数变化对隔离块稳定性的影响。根据敏感性分析的结果，可以确定并实施适当的缓解措施，以提高块体的稳定性。
总之，3DEC中的隔离块稳定方法是一种评估岩体或不连续系统中单个块体的稳定性技术。它包括将材料离散化，隔离潜在的不稳定块，进行稳定性分析和敏感性分析，以确定和实施适当的缓解措施。
4 隔离块分析
孤立的刚性块体稳定性分析(Isolated Rigid Body Analysis)是Ghazal提出的算法在3DEC中的改进【block analyze-stability】。这种方法计算位于地下开挖表面任何形状的单一三维刚性块的稳定性。孤立的块体意味着它单独存在于岩体中，忽略了其他块体的存在。块体作为刚体进行平移和旋转，并与周围的连续岩体进行互动。块体在开挖之前，最初在其所有面上都受到初始应力的作用。该方法包括计算由于开挖过程(开挖面的应力释放)导致的块体运动和块体表面的应力变化。
[1] Ghazal, R., F. Hadj-Hassen, and M. Tijani. (2011) A new numerical method to study isolated blocks around underground excavations taking into account in-situ stresses.
[2] Ghazal, R., F. Hadj-Hassen, and M. Tijani. (2011) Stability modelling of isolated rock blocks at the surface of underground excavations taking into account in-situ stresses.
从理论上讲，如果使用"刚性块"假设，这种方法求出的安全系数与3DEC方法求出的安全系数应该相同，然而这个改进对于安全系数的计算更直接，只需要输入块体的几何形状、节理属性(kn和ks)和原岩应力。通过计算块体面上的安全系数来评估块体的稳定性。
下面使用这种方法分析一个四面体块体的稳定性。该块体 位于半径R=5m、深度为200m的圆柱形开挖的顶部，岩石密度ρ=2500kg/m3。该块体由三组节理与隧道顶板构成，三组节理的倾向分别为0°、120°和240°，倾角均为60°。节理强度性质为 ϕ=35°，c=0MPa。这个问题可以使用Unwedge求解(构造控制的隧道稳定性分析---Rock Wedge)。为了使用block analyze-stability命令求解，必须满足以下条件:
(1) 定义一个块状模型并对其进行网格划分
block create brick -10. 10. -10 10 -10 10block group "rock_mass"block cut tunnel table-1 '1' table-2 '1' axis 0,-10,0 0,10,0 ...radial group "tunnel"block cut joint-set dip 60. dip-dir 0. origin 0. 0. 7.block cut joint-set dip 60. dip-dir 120. origin 0. 0. 7.block cut joint-set dip 60. dip-dir 240. origin 0. 0. 7.block zone generate edgelength 0.5
(2) 定义原岩应力
model gravity 9.81block insitu topo ratio-x 1 ratio-y 1 overburden [-190*9.81*2500e-6]
(3) 对块体的自由面定义一个组名
block face group "free" range group-intersection "rock_mass" "tunnel"block delete range group "tunnel"
(4) 定义节理性质
block analyze-stability free-face 'free' ...stiffness-normal 10000 stiffness-shear 1000 cohesion 0 friction 35
安全系数显示在控制台内，隧道围岩分离的块体 (isolated_block)由47,74,80,104,128,156组成，除了128号块体的最小安全系数Fos-Min=1.1588外，其余块体的最小安全系数均为10，128号块体 位于隧道顶部。各个块体的安全系数也可以使用FISH函数block.face.fos.kinematic(bpf)获得。块体的平均安全系数Fos-mean通过关键字block-extra来储存。
为了显示计算结果，首先添加Block-Face Uniform绘图，在Range内增加Group, 默认情况下，Group显示"free"组和"internal_face"组，隐藏所有的块体，这样只剩下隧道表面组，如下图所示；block analyze-stability的安全系数储存在Block的属性Kinematic FOS内，在Range内增加Group, 除了128号块体之外，隐藏所有其它的块体，这样只显示128号块体的安全系数。
