2FLAC建模的基本方法和程序

1、2 、flac建模的基本方法和程序2.1 flac程序建模方法通過建立數(shù)值計算模型求解不同的工程地質(zhì)問題。下面給出flac程序了具 體的解題步驟以及應(yīng)注意的相關(guān)問題。一. 根據(jù)實際工程規(guī)劃計算模型，主要包括以下五個方面的內(nèi)容:(1) 設(shè)計模型尺寸：計算模型范圍的選取直接關(guān)系到計算結(jié)果的正確與否， 模型范圍太大，白白耗費了計算機(jī)能源，模型范圍太小，計算結(jié)果失真，不能給 實際工程指導(dǎo)性的意見，因此合理的選擇計算模型的范圍至關(guān)重要；(2) 規(guī)劃計算網(wǎng)格數(shù)目和分布：計算模型的尺寸一旦確定，計算網(wǎng)格的數(shù)目 也相應(yīng)確定，程序屮所能容納的計算網(wǎng)格數(shù)口和計算機(jī)的cpu以及內(nèi)存有重要 的關(guān)系，因此一臺配置較好的

2、計算機(jī)是非常重要的。程序屮為了減少因網(wǎng)格劃分 引起的誤差，網(wǎng)格的長寬比應(yīng)不人于5,對于重點研究區(qū)域可以進(jìn)行網(wǎng)格加密處 理；(3) 安排工程對象(開挖、支護(hù)等)：對于需要開挖或者支護(hù)的工程，應(yīng)在建模 過程中進(jìn)行規(guī)劃，調(diào)整網(wǎng)格結(jié)點，安排開挖以及支護(hù)的位置等；(4) 給出材料的力學(xué)參數(shù)：在建模時，應(yīng)根據(jù)實際工程確定木構(gòu)關(guān)系，給模 型賦以相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，力學(xué)參數(shù)往往來源于現(xiàn)場或者試驗；(5) 確定邊界條件：模型的邊界條件包括位移邊界和力邊界兩種(包括模型內(nèi) 部出適應(yīng)力和位移)，在計算前應(yīng)確定模型的邊界狀況。二、做好以上的規(guī)劃準(zhǔn)備后，須在計算機(jī)上建立模型，建模過程中具體操作步驟和常用的語句介紹如下:(1

3、) 網(wǎng)格生成：grid i,j模型開始建立時，首先應(yīng)該給出模型在x方向上總的單元格數(shù)目i和模型在y方向上總的單元格數(shù)目j,例如: grid 30,20mod ej=（2）網(wǎng)格規(guī)劃：gen x,y】x2,y2 x3,y3 x4,y4模型總的網(wǎng)格數(shù)fl給定后，需要對模型的整體區(qū)域進(jìn)行圈定，因此也就指定 了模型的尺寸，（xi,yi）、（x2,y2）、（x3,y3）和（x4,y4）分別為區(qū)域從左下角起按順時針 旋轉(zhuǎn)的四點坐標(biāo)，例如：3(x3,y3)2(x2,y2)4(x4,yjgrid 30 20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0圖6-21模型網(wǎng)格規(guī)劃示意圖（3）分區(qū)規(guī)劃網(wǎng)格：考

4、慮到實際工程中地質(zhì)條件的影響以及施工過程中的需 要，程序中需對整體模型進(jìn)行區(qū)塊劃分，命令如下：genxn,ynx|2,yi2xi3,yi3xi4,yi4i=l,n】j=l,mi（i 區(qū)）genxiii,yinxn2,yn2xn3,yii3xn4,yii4i=ni,n2j=l,mi（ii 區(qū)）其中（xmyii）、（xi2,yi2）、（xi3,yi3）和曲旳）為第i個區(qū)域從左下角起按順時針旋轉(zhuǎn)的 四點坐標(biāo)，例如：grid 30 20mod egen0,00,1010,2010,0i=l,ll j=l,21（i、j 為區(qū)域沿 x、y 方向的結(jié)點號）gen10,010,2030,2030,0i二 11

5、,31 j=l,21=1iii=31,j=l圖6-22模型分區(qū)網(wǎng)格圖（4）特殊形狀網(wǎng)格的形成：在實際工程屮涉及到地質(zhì)狀況非常復(fù)雜，僅僅掌 握這些規(guī)則區(qū)域形成的命令語句還是不夠的，為了能形象地刻畫出洞室、復(fù)雜的 礦體埋藏以及地表分布狀況等，還需要用到以下特殊形狀網(wǎng)格形成的語句。 圓形：gen circle xc,yc rad,其中（xc,yj為圓心坐標(biāo)，rad為圓形半徑， 例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen circle 15,10 5 （定義了以（15,10）為圓心，5為半徑的圓形）圖6-23圓形網(wǎng)格圖 弧線：gen arc xc,yc x

6、b,yb theta,其中（xc,y為圓心坐標(biāo)，其中（xb,yb） 為弧線起點坐標(biāo)，theta為弧線按照逆時針旋轉(zhuǎn)的角度，例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen arc 15,10 20,15 90 （定義了以（15,10）為圓心，（20,15）為弧線起點, 逆時針旋轉(zhuǎn)90°的弧線）線段：gen line xhyix22,其屮（x,yi）和（x2$2）分別為線段的兩個端點坐標(biāo)，例如:grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen line 10,5 20,15(形成了端點分別為(10,5)、(20,

7、15)的線段)圖6-25線段網(wǎng)格圖任意形狀：table n xhyi x2,y2xm,ym xhyigen table n其屮table n代表圈定的第n個區(qū)域，（xi,yj、（x2,y2）和（xm,ym）分別代表區(qū)域 典型點的位置，可以根據(jù)習(xí)慣逆時針圈定或者順時針圈定，但是圈定區(qū)域必須為 閉合區(qū)域，也就是第一個坐標(biāo)和最后一個坐標(biāo)應(yīng)該相同，gen table n則定義 了這個區(qū)域，例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0table 15,5 &1215,15 25,12 22,512,3 5,5gen table 1三. 模型建立以后，在計算前

8、需要賦給單元材料性質(zhì)，下面介紹 常用的兩種力學(xué)模型中需要賦值的參數(shù)。(1)彈性模型模型采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計算時，單元材料只需要三個參數(shù)值，具體語句 如下：modeelastic (彈性)propden=? bulk=? shear=? 1=1132j= jlj2(i,j分別為沿模型x方向和y方向的單元號)其中:d材料的容重;bu材料的彈性模量，k =e(bu ikmodulus)；3(1-2”)sh材料的剪切模量，g =e(sh ear modulus)。2(1+")注意：在賦予材料力學(xué)性質(zhì)時，應(yīng)注意量綱的統(tǒng)一，表61給出了量綱之間的關(guān) 系。表6-1力學(xué)參數(shù)單位對應(yīng)表siimper

9、iallengthmmmcmftindensitykg/m3103kg/m31o6kg/m3106g/cm3slugs/ft3sn ails/i n3forcenknmnmdynesibfibfstresspakpampabaribf/ft2psigravitym/sec°m/sec2m/seccm/s2ft/sec2in/sec2stiffnesspa/mkpa/mmpa/mbar/cmib,/ft3ib/in3*剛度指節(jié)理面的法向和剪切剛度。（2）mohr-coulumb 模型模型采用莫爾庫倫本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計算時，單元材料需要六個參數(shù)值，語句 如下：mod m （彈塑性 mohr-

10、coulumb 準(zhǔn)則）prop d=? bu=? sh=? c=? fri=? ten=? i=ii2 j=ji其中：d材料的容重；bu材料的彈性模量；sh材料的剪切模量；c材料的粘聚力；fri材料的內(nèi)摩擦角；ten材料的抗拉強(qiáng)度。四、模型邊界條件（1）位移邊界（結(jié)點）通常由丁選取模型的范圍比模擬對象的范圍大，因此對模型無明顯影響的邊 界條件可以采用限制邊界位移方法處理，具體語句如下：fix x i=ii,i2 j=jij2 邙艮制了 x方向上的位移）fix y i二i34 j=j3j4邙艮制了 y方向上的位移）例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0

11、gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=llfix x i=l（限制了模型左邊界x方向上的位移）fix y戸1（限制了模型下邊界y方向上的位移）fix x圖627位移邊界網(wǎng)格圖（2）力邊界條件（結(jié)點）有些模型建立以后，根據(jù)實際情況需要對模型施加外部載荷，也就是邊界力, 具體語句如下：apply pressure=? j=ji（作用在邊界上的機(jī)械壓力） 或apply y仁？ i二i2 j二ji,j2（作用在邊界網(wǎng)格點上的y方向的力分量） apply x仁？ i二i34 j=j3j4 （作用在邊界網(wǎng)格點上的x方向的力分量） 或apply syy=? i=i“2 &g

12、t;ji,j2 （作用在邊界上的總應(yīng)力張量的yy分量值） apply sxx=? i二i34 j=j3j4 （作用在邊界上的總應(yīng)力張量的xx分量值）例如:grid 30,20 mod e gen 0,0 0,20 30,20 30,0 gen circle 15 jo 5 mod nu reg i=15 j=l 1apply y f=-10i=l,31j=21apply xf=-5i=31 j 二 1,21或(apply syy=-10 i= 1,31j=21)(apply sxx=-5 i=31 j=l,21)(2)grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0

13、gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=l 1apply pressure= 10 j=21apply pressure=5 i=31(1)、(2)輸出結(jié)果的不同:(1)(2)yf=-10j=21jlctiii i五、初始應(yīng)力場的形成地應(yīng)力始終是工程地質(zhì)界的研究重點，特別是在有構(gòu)造應(yīng)力的條件下，水平 地應(yīng)力往往大于垂直地應(yīng)力，應(yīng)力環(huán)境對地質(zhì)工程的受力狀態(tài)起重要的作用,在 程序中正確的輸入地應(yīng)力成為不可缺少的一項，flac程序很好的解決了地應(yīng)力 輸入的問題，具體語句如下：inisxx=?varn】n2i=ii2j=jij2（初始化單元總應(yīng)力xx方向的值）inisy

14、y=?varrrij m2i=i3,i4j=j3j4（初始化單元總應(yīng)力yy方向的值）其中：sxxx方向地應(yīng)力；syyy方向地應(yīng)力；var ni n2地應(yīng)力的變化量從m逐漸過渡到n2;i,j 單元。例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=l 1ini sxx=-10 i=l,30 j=l,20ini syy=-6.5i=l,30 j=l,20圖6-29地應(yīng)力場th開始計算程序在計算前，還應(yīng)該設(shè)置以下參數(shù)：（1）根據(jù)實際情況施加重力加速度，施加重力加速度的語句如下：set grav 9

15、.81 （重力加速度的數(shù)值可根據(jù)實際情況進(jìn)行選?。?）假如程序中允許大變形發(fā)生，則使用下面語句：set large （值得注意的是采用大變形后，在計算過程中網(wǎng)格由于變形過大 易出問題）（3）根據(jù)實際工程設(shè)置程序計算的步數(shù)：step n （n為計算的步數(shù)）（4）將計算結(jié)果存盤，以便以后調(diào)用：save file.sav （file為存儲的文件名）七、結(jié)果顯示模型計算完成后，需要根據(jù)計算結(jié)果的應(yīng)力場、破壞場以及位移場等對工程 進(jìn)行評價和分析，主要用到以下語句：plotgrid：顯示計算模型的網(wǎng)格；plotbo：顯示模型的邊界；plotplas：顯示塑性區(qū)；plotsiglfill：業(yè)不最大主應(yīng)力6

16、；plotsig2fill：業(yè)不最小主應(yīng)力plotsd訐fill:顯示主應(yīng)力差（oo2）；plotstr：顯示主應(yīng)力矢量場；plotxdisfil：顯示x方向位移；plotydisfil：顯示y方向位移；)z x7 17 17 |7 |7 lz / )z 123456789 z(- 7(x z( z( z( z(x z( z( z(10) plot disp：顯示位移矢量場。8、調(diào)用結(jié)果命令(1 )call test.txt(或ca test.dat)：調(diào)用名為test的數(shù)據(jù)段進(jìn)行計算；(2) new：重新開始新的建模過程；(3) rest test.sav：調(diào)用已經(jīng)存盤的名為test的結(jié)果；

17、(4) quit：退出程序,停止使用。2.2 flac程序解題技巧除了以上介紹的基本使用命令外，flac程序中還有許多其它的使用命令, 這里就不一一介紹了，下面主要介紹一些常用的解題技巧。1、關(guān)于開挖的模擬涉及到開挖模擬的工程以邊坡、嗣室最為常見，開挖模擬的語句如下：mod nu i=il,i2 j=jl,j2 (開挖規(guī)則的形狀)例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0mod nu i 二20,30 j二 15,20圖6-30開挖規(guī)則形狀網(wǎng)格圖或 mod nu region ij (一個單元)(一個封閉區(qū)內(nèi)任一點的單元號被給定, 這個區(qū)域?qū)⒈煌诘?，主?/p>

18、用于不規(guī)則形狀的開挖)grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0table 15,5 &1215,15 25,12 22,512,3 5,5gen table 1mod nu region i=15 j=10圖631開挖不規(guī)則形狀網(wǎng)格圖2、關(guān)于錨桿支護(hù)的模擬圖6-326-34給出了錨桿支護(hù)在程序模擬中的相關(guān)定義和解釋。在工程應(yīng)用 屮，錨桿有三種類型，即端錨、全長錨固和預(yù)應(yīng)力錨固，這三種錨固方式在程序 屮的模擬方式不同，具體表述如下。圖632錨桿單元結(jié)點位移定義圖6-33錨桿材料力學(xué)特性圖6-34理想的砂漿錨桿體系錨桿命令：structure 關(guān)鍵詞st

19、ructure用于定義結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、性質(zhì)等條件。struct命令要 求說明結(jié)構(gòu)單元的類型和形狀以及它與flac網(wǎng)格的連接情況。定義結(jié)構(gòu)單元的關(guān)鍵詞有：(1)結(jié)構(gòu)類型關(guān)梁一個梁單元系在關(guān)鍵詞beam后用梁的幾何形狀和性質(zhì)的關(guān)鍵 詞及其值來表征。一個錨束單元系 在關(guān)鍵詞cable后以其兒何形狀和性質(zhì)的關(guān)鍵詞及其值來表征。(2)結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀及其結(jié)點聯(lián)結(jié)begin關(guān)鍵詞begin表征梁或錨束的起始點 end關(guān)鍵詞end表征梁或錨束的終了點結(jié)構(gòu)單元的端點可以在begin和end關(guān)鍵詞后直接用下面三個z的關(guān) 鍵詞來表征：grid ij(結(jié)構(gòu)單元的起點或終點為結(jié)點i,j)node n (flac

20、將自動按照構(gòu)件單元輸入的順序為結(jié)構(gòu)單元的結(jié)點 編號，此處n為所編的第n號結(jié)點。)x,y(直接給端點以x和y坐標(biāo)。)(3) 結(jié)構(gòu)單元的性質(zhì)類型關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)單元的類型要賦予性質(zhì)數(shù)n,用struct prop=n再加上關(guān)鍵詞及其值來 說明。(4) 結(jié)構(gòu)單元分段的關(guān)鍵詞seg k將結(jié)構(gòu)單元等分成k個分段。(5) 錨束預(yù)加張力的關(guān)鍵詞tension tstruct node=n 關(guān)鍵詞每個結(jié)構(gòu)結(jié)點用下列的關(guān)鍵詞可以有不同的邊界或幾何條件。ffix <x> <y> <r>可以將n結(jié)點的x和/或y位移或轉(zhuǎn)動固定。free <x> <y> <r&

21、gt;此命令為命令fix之逆。pi使結(jié)點n為錢接，即放松力矩。load fx,fy,m可對結(jié)點n施加x和/或y方向的力或力矩x,yn結(jié)點的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。struct prop=n 關(guān)鍵詞=值性質(zhì)的關(guān)鍵詞有：e二值i二值（梁的慣性矩）area二斷面值kbond二灰漿的粘結(jié)剛度力/錨束單位長/位移sbond二灰漿的粘結(jié)強(qiáng)度力/錨束單位長yield二錨束的屈服強(qiáng)度（力）端錨錨桿端錨的具體模擬語句如下：struct cable begin grid ii ,ji end grid ioj2 seg n prop nlstru prop nl e=? yields? a=? sbond=? kbond

22、=? sfri=? perimeter? den=? 其屮：錨桿的兩端均為結(jié)點號；seg n表示將錨桿劃分的區(qū)段；prop nl表示錨桿的力學(xué)參數(shù)為第nl種；e錨桿的彈性模量；yield錨桿的屈服強(qiáng)度；a錨桿的橫截面積；sbond錨桿的變形模量；kbond錨桿的剪切模量；sfri錨桿和砂漿之間的內(nèi)摩擦角；perimeter鉆孔的周長；den錨桿的密度。例如：grid 30,20mod mgen 0,0 0,20 30,20 30,0prop d 2.5e-3 bu 2.5e3 sh 1.2e3c 1.5 fri42ten0mod nu i 二20,30 j=15,20struct cable begin grid 20,16 endgrid 10,14seg10prop1stru prop 1e=2e5 yield=0.5 a=0.235e-3sbond=0.0001kbond=0.0001stru