FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用

FLAC3D在巖土土工程程中的的應(yīng)用用報告人人：陳陳育民民導(dǎo)師師：：劉漢漢龍河海大大學巖巖土工工程研研究所所ymch@lakewater@126.com主要內(nèi)內(nèi)容FLAC3D軟件簡簡介FLAC3D的基本本原理理FLAC3D的前后后處理理流-固固耦合合分析析接觸單單元與與應(yīng)用用完全非非線性性的動動力分分析自定義義本構(gòu)構(gòu)模型型的基基本方方法結(jié)構(gòu)單單元及及應(yīng)用用2/74主要內(nèi)內(nèi)容FLAC3D軟件簡簡介FLAC3D的基本本原理理FLAC3D的前后后處理理流-固固耦合合分析析接觸單單元與與應(yīng)用用完全非非線性性的動動力分分析自定義義本構(gòu)構(gòu)模型型的基基本方方法結(jié)構(gòu)單單元及及應(yīng)用用3/74FLAC3D簡介FastLagrangianAnalysisofContinua美國Itasca咨咨詢公公司開開發(fā)2D程程序(1986)1990年年代初初引入入中國國有限差差分法法(FDM)DOS版→→2.0→→2.1→→3.0Itasca其其他軟軟件4/74FLAC3D簡介應(yīng)用：：巖土力力學分分析，，例礦礦體滑滑坡、、煤礦礦開采采沉陷陷預(yù)測測、水水利樞樞紐巖巖體穩(wěn)穩(wěn)定性性分析析、采采礦巷巷道穩(wěn)穩(wěn)定性性研究究等巖土工工程、采礦礦工程程、水水利工工程、、地質(zhì)質(zhì)工程程特色：：大應(yīng)變變模擬完全動動態(tài)運動方方程使得FLAC3D在模擬擬物理理上的的不穩(wěn)穩(wěn)定過過程不不存在在數(shù)值值上的的障礙礙顯示求求解具具有較較快的的非線性性求解速速度5/74主要內(nèi)內(nèi)容FLAC3D軟件簡簡介FLAC3D的基本本原理理FLAC3D的前后后處理理流-固固耦合合分析析接觸單單元與與應(yīng)用用完全非非線性性的動動力分分析自定義義本構(gòu)構(gòu)模型型的基基本方方法結(jié)構(gòu)單單元及及應(yīng)用用6/74基本原原理有限差差分法法Lagrangian網(wǎng)網(wǎng)格空間混混合離離散技技術(shù)Lagrangian格格式動動量平平衡方方程FLAC3D的求解解過程程FLAC3D的本構(gòu)構(gòu)模型型7/74有限差差分法法古老的的方法法(上上世紀紀40年代代)用差分分格式式轉(zhuǎn)化化控制制方程程中的的微商商格式式流體力力學；；土工工滲流流問題題；固固結(jié)FDM&FEM的混混合求求解FDM的新新進展展8/74Lagrangian網(wǎng)網(wǎng)格源自流流體力力學中中的拉拉格朗朗日法法跟蹤流流體質(zhì)質(zhì)點的的運動動狀態(tài)態(tài)跟蹤固固體力力學中中結(jié)點點，按按時步步用Lagrangian法法研究究網(wǎng)格格節(jié)點點的運運動節(jié)點和和單元元隨材材料移移動，，邊界界和接接觸面面與單單元的的邊緣緣一致致固體力力學大大變形形理論論法國數(shù)數(shù)學家家、物物理學學家拉拉格朗朗日9/74空間混混合離離散技技術(shù)結(jié)構(gòu)域域離散散為可可由四四面體體單元元組合合形成成的五五面體體或六六面體體等單單元以為為基基本單單元(常應(yīng)應(yīng)力、、常應(yīng)應(yīng)變)體應(yīng)變變的計計算：：偏應(yīng)變變的計計算：：10/74空間混混合離離散技技術(shù)+/2=11/74Lagrangian格格式動動量平平衡方方程F(t)m牛頓運運動定定律對于連連續(xù)體體在靜力力平衡衡條件件下，，加速速度項項為0，方方程變變?yōu)槠狡胶夥椒匠?2/74Case-1自自由落落體的的模擬擬G=mgS=1/2gt2=20m命令流流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage213/74Case-1自自由落落體的的模擬擬(movie)14/74FLAC3D的求解解過程程平衡方程(動量方程)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)模型)Gauss定律單元積分應(yīng)變率速度節(jié)點力新的應(yīng)力對所有的網(wǎng)格節(jié)點對所有單元15/74FLAC3D中的本本構(gòu)模模型開挖模模型null3個彈彈性模模型各向同同性彈彈性橫觀各各向同同性彈彈性正交各各向同同性彈彈性8個塑塑性模模型（（Drucker-Prager模型型、Morh-Coulomb模模型、、應(yīng)變變硬化化/軟軟化模模型、、遍布布節(jié)理理模型型、雙雙線性性應(yīng)變變硬化化/軟軟化遍遍布節(jié)節(jié)理模模型、、修正正劍橋橋模型型和胡克布布朗模模型）16/74FLAC3D中的本本構(gòu)模模型17/74主要內(nèi)內(nèi)容FLAC3D軟件簡簡介FLAC3D的基本本原理理FLAC3D的前后后處理理流-固固耦合合分析析接觸單單元與與應(yīng)用用完全非非線性性的動動力分分析自定義義本構(gòu)構(gòu)模型型的基基本方方法結(jié)構(gòu)單單元及及應(yīng)用用18/74FLAC3D的前后處處理命令驅(qū)驅(qū)動(推薦薦)程序控控制圖形界界面接接口計算模模型輸輸出指定本本構(gòu)模模型及及參數(shù)數(shù)指定初初始條條件及及邊界界條件件，指指定結(jié)結(jié)構(gòu)單單元指定接接觸面面指定自自定義義變量量及函函數(shù)(FISH)求解過過程的的變量量跟蹤蹤進行求求解模型輸輸出19/74菜單驅(qū)驅(qū)動(計算算模式式)命令欄欄20/74菜單驅(qū)驅(qū)動(Plot)21/74Case-2一一個個最簡簡單的的例子子genzonbrisize333;建立網(wǎng)網(wǎng)格modelelas;材料參參數(shù)propbulk3e8shear1e8inidens2000;初始條條件fixzranz-.1.1;邊界條條件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveRUNFLAC3D22/74前后處理理功能的的優(yōu)點多種zone類類型后處理快快捷、方方便、豐豐富計算過程程中的hist變量動動態(tài)顯示示FISH可進行行參數(shù)化化模型設(shè)設(shè)計單元狀態(tài)態(tài)的可編編程計算暫停停時的后后處理與與可保存存23/74前后處理理功能的的缺點復(fù)雜模型型的建模模功能不不強可以編程程導(dǎo)入其其他軟件件形成的的網(wǎng)格(比如：：Ansys、、Adina、、GeoCAD)無等值線線的后處處理功能能(3D)可編程將將.sav文件件寫入TecPlot等其他他后處理理軟件全命令操操作，學學習困難難鼠標功能能單一(雙擊取取擊點坐坐標)24/74主要內(nèi)容容FLAC3D軟件簡介介FLAC3D的基本原原理FLAC3D的前后處處理流-固耦耦合分析析接觸單元元與應(yīng)用用完全非線線性的動動力分析析自定義本本構(gòu)模型型的基本本方法結(jié)構(gòu)單元元及應(yīng)用用25/74流-固耦耦合分析析(單相相流)基本功能能理論框架架計算模式式滲流邊界界條件，，初始條條件單滲流計計算及滲滲流耦合合計算26/74基本功能能滲流各向向同性、、各向異異性不同的滲滲流模型型和屬性性流體壓力力，涌入入量，滲滲漏量和和不滲水水邊界抽水井、、點源、、體積源源飽和滲流流可采用用顯式差差分法、、隱式差差分法非飽和滲滲流采用顯式式差分法法滲流-固固體-熱熱的耦合流體和固固體的耦耦合程度度依賴于于土體顆顆粒(骨骨架)的的壓縮程程度，用用Biot系數(shù)數(shù)表示顆顆粒的可可壓縮程程度。循環(huán)荷載載引起的的動水壓壓力變化化和土體液化化。27/74理論框架架準靜態(tài)Biot理論多孔介質(zhì)質(zhì)中遵循循Darcy定定律的單單相滲流流描述多孔孔介質(zhì)中中流體滲滲流的變變量孔隙水壓壓力，飽飽和度，，特定排排水向量量的三個個分量質(zhì)量守恒恒定律達西定律律本構(gòu)定律律考慮流體體響應(yīng)孔孔隙水壓壓力改變變，飽和和度改變變，體積積應(yīng)變改改變和溫溫度改變變28/74流-固耦耦合的計計算模式式無滲流模模式孔壓計算算有滲流模模式瞬態(tài)滲流流分析流-固耦耦合計算算29/74無滲流模模式不設(shè)置CONFIGFluid孔壓不改改變INITIALppWATERtableWATERdensitySETgravityWATERtableface手動設(shè)置置干濕密度度設(shè)置CONFIGfluid瞬態(tài)滲流流分析有效應(yīng)力力計算不排水計計算設(shè)置土體體干密度滲流模型型MODELfl_isotropicMODELfl_anisotropicMODELfl_null滲流模式式30/74滲流邊界界條件，，初始條條件默認的邊邊界條件件是不透透水邊界界孔隙壓力力自由(不透水水邊界)固定孔隙隙水壓力力(透水水邊界)如：井孔隙壓力力，孔隙隙率，飽飽和度和和流體屬屬性的初初始分布布可以用用INITIAL命令令或者PROPERTY命令令定義。。31/74單滲流計計算及滲滲流耦合合計算時間比例例完全耦合合分析方方法孔壓固定定分析(有效應(yīng)應(yīng)力分析析)單滲流得得到孔壓壓分布無滲流計計算———孔壓的的力學響響應(yīng)流-固耦耦合計算算32/74時間比例例(scale)力學過程程的特征征時間流體擴散散過程的的特征時時間33/74完全耦合合分析方方法時間比例例短期行為為(不不排水)ts(分分析時間間)<<tc(耦合擴擴散時間間)忽略滲流流影響長期行為為(排排水)ts>>tc施加擾動動的屬性性流體擾動動：滲流流可不與與力學過過程耦合合力學擾動動：耦合合等級取取決于流流固剛度度比流固剛度度比34/74單滲流得得到孔壓壓分布用途：排排水溝；；抽水井井；耦合合計算計算步驟驟CONFIGfluidSETmechoffSETfluidimpliciton/offMODELfl_;PROPSTEP;SOLVEage;SETfluidratioSETfluidoffmechonPROPbiot_c0(orINIfmod0)35/74無滲流計計算———孔壓的的力學響響應(yīng)不排水短短期響應(yīng)應(yīng)兩種分分析方方法：：干法法和濕濕法干法：：Ku=K+a2M兩種破破壞形形式WATER或INI獲得得?？卓讐?，，不排排水的的c,φ(孔孔壓改改變較較小)φ=0,c=cu(M>>K+4/3G)濕法：：耦合合體系系的短短期行行為使用排排水的的K,c,φφ若SETfluidoff,Biot_mod(fmod)真真實36/74流-固固耦合合計算算CONFIGfluid;M(Kf);K(滲透透系數(shù)數(shù))真真實實，則則FLAC3D默認認耦合合計算算Δp→→Δεεv→σΔεv→Δp預(yù)估流流/力力特征征時間間耦合計計算前前先達達到一一個平平衡狀狀態(tài)SETfluidonmechoff;SETfluidoffmechon;STEPSETmechforce;SETmechsubstepnauto;SETfluidsubstepm(=1)STEP:滲流流步足足夠小小37/74Case-3真真空預(yù)預(yù)壓的的簡單單模擬擬孔壓邊邊界條條件ts>>tc長期分分析(排水水)Rk>>1骨架很很軟孔壓擾擾動進行biot_mod調(diào)調(diào)整砂層軟土層層粘土層層PVD2m8m10mDatafile:38/74數(shù)值分分析過過程(movie)39/74主要內(nèi)內(nèi)容FLAC3D軟件簡簡介FLAC3D的基本本原理理FLAC3D的前后后處理理流-固固耦合合分析析接觸單單元與與應(yīng)用用完全非非線性性的動動力分分析自定義義本構(gòu)構(gòu)模型型的基基本方方法結(jié)構(gòu)單單元及及應(yīng)用用40/74接觸面面單元元的用用途巖體介介質(zhì)中中的解解理、、斷層層、巖巖層面面地基與與土體體的接接觸箱、槽槽及其其內(nèi)充充填物物的接接觸空間中中無變變形的的固定定“障障礙””41/74接觸面面的原原理三角形形單元元(無厚度度!)參數(shù)較較多三種工工作模模式粘結(jié)界界面粘接滑滑移庫倫滑滑動42/74接觸單單元模模型的的建立立(1)關(guān)鍵要形成成同一一位置置的兩兩個節(jié)節(jié)點(面)“移來來移去去”(推薦薦)建兩個個分開開的模模型建立接接觸單單元通過INI*add使模模型接接觸注意dist的的含義義接觸面面dist43/74接觸單元模模型的建立立(2)“導(dǎo)來導(dǎo)去去”利用expgrid,impgrid命令進進行網(wǎng)格導(dǎo)導(dǎo)出與導(dǎo)入入配合DELETE命命令適于內(nèi)部接接觸面的建建立，或其他前處理理工具建立立的網(wǎng)格44/74“導(dǎo)來導(dǎo)去去”具體方方法save1.savdelrangrop2notInterface1facesave2.savrest1.sav

delrangroup2

expgrid1.fac3drest2.sav

impgrid1.flac3d45/74接觸面參數(shù)數(shù)的確定虛構(gòu)的為了了合并節(jié)點點而設(shè)置的的接觸面Kn=ks=10*真實的剛性性接觸面如料倉下料料c,D,Tension重要要，kn,ks不重重要真實的柔性性接觸面斷層；水力劈裂材料試驗得到參參數(shù)對于kn,ks：巖巖石斷層10~100MPa/m(粘粘土);100GPa(巖巖石)反分析方法法：通過斷層層中巖石的的變形與原原巖的變形形46/74主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理理FLAC3D的前后處理理流-固耦合合分析接觸單元與與應(yīng)用完全非線性性的動力分分析自定義本構(gòu)構(gòu)模型的基基本方法結(jié)構(gòu)單元及及應(yīng)用47/74完全非線性性的動力分分析特點動力荷載動力邊界條條件地震波的調(diào)調(diào)整動孔壓的生生成48/74FLAC3D動力分析特特點完全非線性性分析遵循任何指指定的非線線性本構(gòu)關(guān)關(guān)系不同頻率間間會出現(xiàn)干干涉和混合合模擬不可恢恢復(fù)的位移移和永久變形合適的塑性性理論，塑塑性應(yīng)變增增量與應(yīng)力力有關(guān)易進行不同同本構(gòu)模型型的對比分分析49/74動力荷載動力輸入的的類型加速度時程程速度時程應(yīng)力(壓力力)時程力時程APPLYINTERIOR(內(nèi)部)TABLEFISH50/74動力邊界條條件靜態(tài)(quiet,粘性)邊邊界LysmerandKuhlemeyer(1969)模型邊界法法向和切向向設(shè)置獨立立的阻尼器器自由場(freefield)邊界界Cundalletal.(1980)自由場網(wǎng)格格與主體網(wǎng)網(wǎng)格的耦合合粘性阻尼尼器，自由由場網(wǎng)格的的不平衡力力施加到主主體網(wǎng)格邊邊界上設(shè)置條件底部水平，，重力方向向為z向側(cè)面垂直，，法向分別別為x,y向其他邊界條條件在APPLYff之前前51/74力學阻尼瑞利(rayleigh)阻阻尼假設(shè)阻尼與與質(zhì)量、剛剛度的線性性關(guān)系參數(shù)確定簡簡單計算速度慢慢，不推薦薦局部(local)阻尼FLAC3D的靜力分析析阻尼參數(shù)簡單適合簡單情情況52/74滯回阻尼(HystereticDamping)模擬巖土介介質(zhì)的動模模量衰減曲曲線initialdamphystereticnamesig3(三參數(shù)數(shù))sig4(四參數(shù)數(shù))Hardin(哈丁模型型)default計算速度快快推薦53/74地震波的調(diào)調(diào)整基線校正對于地震分分析的加速速度時程，，其積分得得到的速度度和位移應(yīng)應(yīng)歸0美國地質(zhì)調(diào)調(diào)查研究所所BasicStrong-MotionAccelerogramProcessingSoftware(BAP)對網(wǎng)格施加加一個固定定速度從而而使殘余的的位移變?yōu)闉?54/74地震波的調(diào)調(diào)整動力荷載的的頻率與單單元尺寸的的雙向調(diào)整整高頻的輸入入要求單元元尺寸很小小一定的單元元尺寸對應(yīng)應(yīng)輸入的最最大頻率一般進行濾濾波處理濾掉低能量量的高頻FFT.FISOrigin55/74地震波的調(diào)調(diào)整El-Centro波FFT修正后的時時程修正后FFT5Hz56/74動孔壓的生生成——液液化干沙剪應(yīng)變變循環(huán)加載載試驗初始加載階階段，沙土土通常先壓壓實再膨脹脹。卸載時時，沙土遵遵循與加載載相似的路路徑，但在在零應(yīng)變時時，有些殘殘余體積應(yīng)應(yīng)變存在。。取決于初初始孔隙率率，這可能能代表純粹粹的壓實假定孔隙中中充滿水對于常體積積測試，有有效應(yīng)力降降低，孔隙隙水壓保持持不變對于常荷載載測試，(例如，盒盒子上法向向荷載固定定)，孔隙隙水壓增加加，有效應(yīng)應(yīng)力減小有效應(yīng)力為為零時發(fā)生生液化57/74動孔壓的生生成——液液化因此孔隙水水壓增加不不是液化的的基本原因因由于顆粒間間(重組以以后)的低低接觸力導(dǎo)導(dǎo)致有效應(yīng)應(yīng)力的減小小描述液化的的模型高級模型：：BSHP(邊界界面低塑性性本構(gòu)模型型,Wangetal.1990)簡單模型：：MC+體積應(yīng)應(yīng)變增量模模型Finn模模型：Byrne模型：58/74主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理理FLAC3D的前后處理理流-固耦合合分析接觸單元與與應(yīng)用完全非線性性的動力分分析自定義本構(gòu)構(gòu)模型的基基本方法結(jié)構(gòu)單元及及應(yīng)用59/74自定義本構(gòu)構(gòu)模型的基基本方法必要性試驗總結(jié)的的本構(gòu)模型型特定條件下下的本構(gòu)模模型交叉學科的的本構(gòu)模型型二次開發(fā)環(huán)環(huán)境自定義本構(gòu)構(gòu)模型的功功能自定義本構(gòu)構(gòu)模型的基基本方法60/74二次開發(fā)環(huán)環(huán)境FLAC3D采用面向?qū)ο蟮恼Z言言標準C++編寫本構(gòu)模型都都是以動態(tài)態(tài)連接庫文文件(.DLL文件件)的形式式提供VC++6.0(SP4)或或更高版本本的開發(fā)環(huán)環(huán)境優(yōu)點點自定定義義的的本本構(gòu)構(gòu)模模型型和和軟軟件件自自帶帶的的本本構(gòu)構(gòu)模模型型的的執(zhí)執(zhí)行行效效率率處處在在同同一一個個水水平平自定定義義本本構(gòu)構(gòu)模模型型(.DLL文文件件)適適用用于于高高版版本本的的FLAC(2D)、、3DEC、、UDEC等等其其他他Itasca軟軟件件中中61/74自定定義義本本構(gòu)構(gòu)模模型型的的功功能能主要要功功能能：：對對給給出出的的應(yīng)應(yīng)變變增增量量得得到到新新的的應(yīng)應(yīng)力力輔助助功功能能：：模型型名名稱稱、、版版本本讀寫寫操操作作模型型文文件件的的編編寫寫基類類(classConstitutiveModel)的的描描述述成員員函函數(shù)數(shù)的的描描述述模型型的的注注冊冊模型型與與FLAC3D之間間的的信信息息交交換換模型型狀狀態(tài)態(tài)指指示示器器的的描描述述62/74自定定義義本本構(gòu)構(gòu)模模型型的的基基本本方方法法頭文文件件(usermodel.h)中中進進行行新新的的本本構(gòu)構(gòu)模模型型派派生生類類的的聲聲明明修改改模模型型的的ID(>100)、、名名稱稱和和版版本本修改改派派生生類類的的私私有有成成員員C++文文件件(usermodel.cpp)中中修修改改模模型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(UserModel::UserModel(boolbRegister):ConstitutiveModel)constchar**UserModel::Properties()函函數(shù)數(shù)模型型的的參參數(shù)數(shù)名名稱稱字字符符串串constchar**UserModel::States()函數(shù)計算過程中的的狀態(tài)指示器器63/74自定義本構(gòu)模模型的基本方方法doubleUserModel::GetProperty()和voidUserModel::SetProperty()函數(shù)constchar*UserModel::Initialize()函數(shù)參數(shù)和狀態(tài)指指示器的初始始化，并對派派生類聲明中中定義的私有有變量進行賦賦值constchar*UserModel::Run()函數(shù)由應(yīng)變增量計計算得到應(yīng)力力增量，從而而獲得新的應(yīng)應(yīng)力constchar*UserModel::SaveRestore()函數(shù)對計算結(jié)果進進行保存。程序的調(diào)試在VC++的的工程設(shè)置中中將FLAC3D軟件中的EXE文件路徑徑加入到程序序的調(diào)試范圍圍中，并將FLAC3D自帶的DLL文件加入到到附加動態(tài)鏈鏈接庫(AdditionalDLLs)中中，然后在Initialize()或Run()函數(shù)中中設(shè)置斷點，，進行調(diào)試；；在程序文件中中加入return()語句，這樣樣可以將希望望得到的變量量值以錯誤提提示的形式在在FLAC3D窗口中得到。。64/74一個例子(Duncan-Chang)65/74主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流-固耦合分分析接觸單元與應(yīng)應(yīng)用完全非線性的的動力分析自定義本構(gòu)模模型的基本方方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)應(yīng)用66/74FLAC3D中的結(jié)構(gòu)單元元有限單元梁(beam)單元錨索(cable)單元元樁(pile)單元錨桿:rockbol