巖土工程講義

巖土工程講義第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四軟件介紹FastLagrangianAnalysisofContinua美國Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(1986)1990年代初引入中國有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.0→3.1Itasca其他軟件第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四軟件介紹應用巖土力學分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等巖土工程、交通工程、采礦工程、水利工程、地質工程特色大應變模擬完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙動力分析功能——地震工程襯砌功能——地下工程可開發(fā)功能FISHVC++第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四豐富的本構模型第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四軟件介紹有限差分法(FDM)古老的方法(上世紀40年代)用差分格式轉化控制方程中的微商格式流體力學；土工滲流問題；固結FDM&FEM的混合求解FDM的新進展時間步與時間時間步的設置須滿足數(shù)值求解的穩(wěn)定SpecialOption中有特定的時間步要求動力、滲流、流變、溫度中是真實時間第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Lagrangian網(wǎng)格源自流體力學中的拉格朗日法跟蹤流體質點的運動狀態(tài)跟蹤固體力學中結點，按時步用Lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動跟蹤節(jié)點和單元隨材料移動邊界和接觸面與單元的邊緣一致積分點隨材料移動本構方程在相同的材料點賦值固體力學大變形理論法國數(shù)學家、物理學家Lagrangian復雜的邊界條件精確描述材料的發(fā)展第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四大應變與小應變SETsmall默認為小應變模式不更新節(jié)點坐標不進行應力旋轉修正SETlarge大位移，大位移梯度，大轉角巖土工程中的大變形問題軟土的固結變形土體的開挖軟巖巷道地下硐室第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四空間混合離散技術結構域離散為可由四面體單元組合形成的五面體或六面體等單元以為基本單元(常應力、常應變)體應變的計算：偏應變的計算：+)/2=(第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四FLAC3D的求解過程平衡方程(動量方程)應力—應變關系(本構模型)Gauss定律單元積分應變率速度節(jié)點力新的應力對所有的網(wǎng)格節(jié)點對所有單元第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Lagrangian格式動量平衡方程F(t)m牛頓運動定律對于連續(xù)體在靜力平衡條件下，加速度項為0，方程變?yōu)槠胶夥匠痰?2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例1：自由落體的模擬G=mgS=1/2gt2=20m命令流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例1：自由落體的模擬(movie)第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四不平衡力平衡狀態(tài)F≈0最大不平衡力有所有單元確定SETmechforce???最大不平衡力比與內力的比值SETmechratio???工程、計算中間階段 10-4論文、最終結果 10-5F≈0v≈0v≠0收斂、平衡不收斂、塑性流動第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四BLOCKstate*-n與*-p-n：此時刻進入屈服狀態(tài)-p：曾經進入屈服狀態(tài)，現(xiàn)已退出程序預留了多個狀態(tài)空間供用戶定義液化的判斷溫度破壞的判斷PLOTblockstate*-n活動塑性區(qū)貫通結合速度結果計算模型邊界選取的影響第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四分析問題的過程建立網(wǎng)格初始條件邊界條件初始應力平衡外荷載求解前處理后處理第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例2：一個最簡單的例子genzonbrisize333;建立網(wǎng)格(前處理)modelelas;材料參數(shù)propbulk3e6shear1e6inidens2000;初始條件fixzranz-.1.1;邊界條件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveploconzd;后處理 切片功能RUNFLAC3D第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四FLAC3D3.1的新特征64-bitVersion(64位計算)ParallelProcessingonMultiprocessorComputers(并行算法)Two-DimensionalGridExtrusionToolNodalMixedDiscretization(節(jié)點混合離散方法)EmbeddedStructuralLiner(內置襯砌單元)擋土墻的模擬On-boardHelpFile(內置的幫助系統(tǒng))第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四完全非線性的動力分析與等效線性方法的比較動力荷載動力邊界條件力學阻尼與滯回阻尼地震波的調整動孔壓的生成第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四FLAC與等效線性方法等效線性方法是巖土地震工程中的常用方法動本構模型等效線性模型剪切模量的降級曲線阻尼比隨剪應變的變化FLAC常規(guī)模型(MC)多種頻率成分的干涉和混合永久變形計算彈塑性計算第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四動力荷載動力輸入的類型加速度時程速度時程應力(壓力)時程力時程APPLYINTERIOR(內部)TABLEFISH第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Quiet邊界靜態(tài)(quiet,粘性)邊界LysmerandKuhlemeyer(1969)模型邊界法向和切向設置獨立的阻尼器性能對于法向p波和s波能很好的吸收對于傾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射人工邊界仍應當足夠遠第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Quiet邊界應用內部振動(如隧道中的列車振動問題)動力荷載直接施加在節(jié)點上使用Quiet邊界減小人工邊界上的反射不需要FF邊界外部荷載的底部邊界軟土地基上的地震荷載不適合用加速度或速度邊界條件使用應力條件t=-2Csrvs地震底部輸入的側向邊界扭曲了入射波quietquietquiet第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Free-field邊界Cundalletal.(1980)自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合粘性阻尼器，自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上設置條件底部水平，重力方向為z向側面垂直，法向分別為x,y向其他邊界條件在APPLYff之前自由場邊界示意圖第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Free-field邊界APPLYff將邊界上單元的屬性、條件和變量全部轉移ff單元上；設置以后主體網(wǎng)格上的改動將不會被FF邊界所響應可存在任意的本構模型以及流體耦合(僅豎向)FF邊界進行小變形計算，主體網(wǎng)格可大變形，F(xiàn)F邊界上的變形要相對較小存在attach的邊界將不能設置FF邊界邊界上的Interface將不能連續(xù)動力邊界設置需在FF邊界設置之前第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四力學阻尼瑞利(rayleigh)阻尼假設阻尼與質量、剛度的線性關系參數(shù)確定簡單(等價平均應變=60%*emax)中心頻率(共振計算，地震平均頻率)臨界阻尼比缺點：計算速度慢局部(local)阻尼FLAC3D的靜力分析阻尼參數(shù)簡單適合簡單情況第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四滯回阻尼(HystereticDamping)模擬巖土介質的動模量衰減曲線initialdamphystereticnamesig3(3參數(shù))sig4(4參數(shù))Hardin(1參數(shù))(哈丁模型)Default（2參數(shù))優(yōu)點直接采用模量降級曲線阻尼比不會影響時間步缺點輸出的曲線會不一致第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四滯回阻尼(HystereticDamping)低循環(huán)應變下得到的阻尼比要小于試驗結果，這會導致低級的噪聲，尤其在高頻情況下。可以在中心頻率上增加一個小量的Rayleigh阻尼(~0.2%剛度比例)，這樣也不會降低時步；若初始應力不為0，剪應力-剪應變曲線可能不匹配。因此在生成初始應力時就要調用Hyst阻尼；Hyst阻尼不僅會增加能量損失，還會導致在大循環(huán)應變下的平均剪切模量的降低，在輸入波的基頻接近共振頻率的時候，可能會導致動力反應幅值的增大；Hyst阻尼之前要做一次彈性無阻尼求解，以獲得發(fā)生循環(huán)應變的最大水平，若循環(huán)應變過大導致剪切模量過多的降低，那么用Hyst阻尼是有問題的；即使應變較小，使用屈服模型也會增大應變，因此若有廣泛屈服的現(xiàn)象，則使用屈服模型，不用Hyst阻尼參考了Itasca的中國培訓資料第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四地震波的調整基線校正對于地震分析的加速度時程，其積分得到的速度和位移應歸0美國地質調查研究所BasicStrong-MotionAccelerogramProcessingSoftware(BAP)對網(wǎng)格施加一個固定速度從而使殘余的位移變?yōu)?動力荷載的頻率與單元尺寸的雙向調整高頻的輸入要求單元尺寸很小一定的單元尺寸對應輸入的最大頻率一般進行濾波處理濾掉低能量的高頻FFT.FISOriginSeismoSignal第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四地震波的調整El-Centro波FFT修正后的時程修正后FFT5Hz第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四動孔壓的生成——液化干沙剪應變循環(huán)加載試驗初始加載階段，沙土通常先壓實再膨脹。卸載時，沙土遵循與加載相似的路徑，但在零應變時，有些殘余體積應變存在。取決于初始孔隙率，這可能代表純粹的壓實假定孔隙中充滿水對于常體積測試，有效應力降低，孔隙水壓保持不變對于常荷載測試，(例如，盒子上法向荷載固定)，孔隙水壓增加，有效應力減小有效應力為零時發(fā)生液化第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四動孔壓的生成——液化因此孔隙水壓增加不是液化的基本原因由于顆粒間(重組以后)的低接觸力導致有效應力的減小描述液化的模型高級模型：BSHP(邊界面低塑性本構模型,Wangetal.1990)簡單模型：MC+體積應變增量模型Finn模型：Byrne模型：第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface單元簡介用途巖體介質中的解理、斷層、巖層面地基與土體的接觸箱、槽及其內充填物的接觸空間中無變形的固定“障礙”原理三角形單元(無厚度!)8參數(shù)三種工作模式粘結界面粘接滑移庫倫滑動第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(1)關鍵要形成同一位置的兩個節(jié)點(面)“移來移去”(推薦)建兩個分開的模型建立接觸單元通過INI*add使模型接觸注意dist的含義NOmerge,NOattach!!!接觸面dist1234第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(2)“導來導去”利用expgrid,impgrid命令進行網(wǎng)格導出與導入配合DELETE命令適于內部接觸面的建立，或其他前處理工具建立的網(wǎng)格第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(2)save1.savdelrangrop2notInterface1facesave2.savrest1.sav

delrangroup2

expgrid1.fac3drest2.sav

impgrid1.flac3d

第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(3)GENseparateINTERFACEwrap指定正確的group第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Interface參數(shù)的確定虛構的為了合并節(jié)點而設置的接觸面kn=ks=10*真實的剛性接觸面如料倉下料c,D,Tension重要，kn,ks不重要真實的柔性接觸面斷層；水力劈裂材料試驗得到參數(shù)對于kn,ks：巖石斷層10~100MPa/m(粘土);100GPa(巖石)反分析方法：通過斷層中巖石的變形與原巖的變形第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例3：單樁承載力分析軟土地基bulk1.6878E6shear3.6167E5coh15E3fric12dens1.73E3樁體bulk5e9shear3.75e9dens2.5e30.5m8m10m20m第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四計算過程施加樁頂荷載計算結果第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四影響因素水平因素knksfriccoh1100e100e203.00E+04210k10g0.7friccoh/0.73kgfric7.50E+03第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四計算工況設計

水平因素工況knksfriccoh(1)1111(2)1222(3)1333(4)2123(5)2231(6)2312(7)3132(8)3213(9)3321第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四計算結果Ks取1Ks取2Ks取3水平因素knksfriccohRa差異度(1)111137.8%(2)122242.9%(3)133396.9%(4)212337.8%(5)22317.1%(6)231296.9%(7)313254.1%(8)321322.4%(9)332196.9%第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四最優(yōu)方案水平因素knksfriccohk159.2%43.2%52.4%47.3%k247.3%24.1%59.2%64.6%k357.8%96.9%52.7%52.4%極差11.9%72.8%6.8%17.3%最優(yōu)方案2211102211112222第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四合理步驟單樁分析簡單網(wǎng)格接觸面參數(shù)多次試算理論、實測加密網(wǎng)格接觸參數(shù)理想結果群樁分析Pile結構單元單元參數(shù)理想結果Pile結構單元單元參數(shù)理想結果第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四FLAC3D中的結構單元有限單元梁(beam)單元錨索(cable)單元樁(pile)單元錨桿:rockbolt殼(shell)單元格柵(geogrid)單元土工織物；土工格柵初襯(liner)單元beamcablepileshellgeogridliner第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四結構單元的應用土與結構的相互作用樁基；基坑；邊坡錨固地下硐室的支撐結構；采礦；盾構土工織物；土工合成材料結構不宜復雜巖土工程軟件，不宜單純的結構分析復雜結構的模擬很困難結構單元仍不完善plot顯示雙向接觸結構(擋土墻)結構單元的厚度第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四Liner結構單元三節(jié)點扁平有限單元每個節(jié)點有6個自由度3個移動，3個旋轉能夠抵抗膜及彎矩荷載能夠承受主方向的拉壓應力能夠模擬管片與土體之間的分離及隨后的重新接觸能夠模擬管片與土體之間的摩擦相互作用法向切向第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例4：隧道與土體的相互作用半圓隧道直徑3.25m上覆土層厚度5m計算范圍3r土體彈性計算(K=30MPa,G=10MPa)參數(shù)化編程幾何尺寸模型參數(shù)網(wǎng)格形狀hthbrB第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四計算步驟模型網(wǎng)格初始應力生成施加管片計算結果第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四管片的連接冷連接彎矩和剪力不能直接在環(huán)與環(huán)間傳遞，只能通過其相鄰的介質傳遞全連接相鄰的Liner單元在連接處共用一個節(jié)點，連接處重疊單元不能發(fā)生移動或旋轉結點連接即結點間的連接在6個方向的自由度上用彈簧來模擬，每個自由度都可具有一定的特性通縫拼接錯縫拼接第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四連接方式的影響變形結果zr屬性更改6屬性更改注：變形放大200倍第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例5：結構的動力響應configdynselpileid=1beg000end001selpilepropdens2400&Emod1.0e10Nu0.3XCArea0.3&XCJ0.16375XCIy0.00625XCIz0.01575&Per2.8CS_sK1.3e11CS_nK1.3e11&CS_nGapoffselnodefixxyzxryrzrranid=1selsetdampcombineddeff1whilesteppingf0=10000*sin(10*dytime)np=nd_headloopwhilenp#nullifnd_pos(np,1,3)=1nd_apply(np,1)=f0endifnp=nd_next(np)endloopendsolveage1pile10000*sin(10*t)第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四例5：結構的動力響應第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四主要內容軟件介紹動力分析DynamicOption樁-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction學習方法及經驗介紹第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四FLAC3D流-固耦合分析(單相流)基本功能理論框架計算模式滲流邊界條件，初始條件單滲流計算及滲流耦合計算第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四基本功能滲流各向同性、各向異性不同的滲流模型和屬性流體壓力，涌入量，滲漏量和不滲水邊界抽水井、點源、體積源飽和滲流可采用顯式差分法、隱式差分法非飽和滲流采用顯式差分法滲流-固體-熱的耦合流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒(骨架)的壓縮程度，用Biot系數(shù)表示顆粒的可壓縮程度循環(huán)荷載引起的動水壓力變化和土體液化第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四地下水模擬方法有效應力計算不耦合孔壓為了正確計算有效應力滲流計算已得到孔壓分布飽和有水面線的部分飽和力學變形產生孔壓靜力或者動力不排水孔壓或液化流固耦合計算模式時間比例第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四有效應力計算不設置CONFIGFluid孔壓不改變設置孔壓分布INITIALppWATERtableWATERdensityWATERtablefaceSETgravity手動設置干濕密度設置CONFIGfluid設置土體干密度

滲流模型MODELfl_isotropicMODELfl_anisotropicMODELfl_nullSETfluidoffsetWATERbulk=0無滲流模式滲流模式第63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四不耦合計算CONFIGfluidSETmechoff正確的滲透系數(shù)得到孔壓分布和水面線穩(wěn)態(tài)滲流可以減小KfCONFIGfluidSETfluidoff正確的流體模量Kf不需要滲透系數(shù)單滲流模式單力學模式第64頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四流固耦合計算CONFIGfluidSETfluidon真實的流體模量Kf和滲透系數(shù)耦合方式DpDevDsDevDp計算模式手動調整的STEP求解主從進程的SOLVE求解自動STEP求解第65頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四流固耦合的計算方法手動調整的STEP求解

SETfluidonmechoff STEP SETfluidoffmechon STEP 主從進程的SOLVE求解SETmechforceSETmechsubstepnauto (從進程)SETmechsubstepm (主進程)SOLVEage自動STEP求解STEP第66頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四滲流問題(CONFIGfluid)分析步驟時間比例(ts,t