FLAC3D在岩土工程中的应用

GeoHohaiFLAC3D在岩土工程中的应用报告人：陈育民导师：刘汉龙河海大学岩土工程研究所[e-mail]@126.comGeoHohai2/74主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用GeoHohai3/74主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用GeoHohai4/74FLAC3D简介FastLagrangianAnalysisofContinua美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986)1990年代初引入中国有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.0Itasca其他软件GeoHohai5/74FLAC3D简介应用：岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程特色：大应变模拟完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍显示求解具有较快的非线性求解速度GeoHohai6/74主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用GeoHohai7/74基本原理有限差分法Lagrangian网格空间混合离散技术Lagrangian格式动量平衡方程FLAC3D的求解过程FLAC3D的本构模型GeoHohai8/74有限差分法古老的方法(上世纪40年代)用差分格式转化控制方程中的微商格式流体力学；土工渗流问题；固结FDM&FEM的混合求解FDM的新进展GeoHohai9/74Lagrangian网格源自流体力学中的拉格朗日法跟踪流体质点的运动状态跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致固体力学大变形理论法国数学家、物理学家拉格朗日GeoHohai10/74空间混合离散技术结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等单元以为基本单元(常应力、常应变)体应变的计算：偏应变的计算：GeoHohai11/74空间混合离散技术+/2=GeoHohai12/74Lagrangian格式动量平衡方程F(t)duFmamdtijiijdugdtx,,uuum牛顿运动定律对于连续体在静力平衡条件下，加速度项为0，方程变为平衡方程GeoHohai13/74Case-1自由落体的模拟G=mgS=1/2gt2=20m命令流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2GeoHohai14/74Case-1自由落体的模拟(movie)GeoHohai15/74FLAC3D的求解过程平衡方程(动量方程)应力—应变关系(本构模型)Gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元GeoHohai16/74FLAC3D中的本构模型开挖模型null3个弹性模型各向同性弹性横观各向同性弹性正交各向同性弹性8个塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型）GeoHohai17/74FLAC3D中的本构模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型GeoHohai18/74主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用GeoHohai19/74FLAC3D的前后处理命令驱动(推荐)程序控制图形界面接口计算模型输出指定本构模型及参数指定初始条件及边界条件，指定结构单元指定接触面指定自定义变量及函数(FISH)求解过程的变量跟踪进行求解模型输出GeoHohai20/74菜单驱动(计算模式)命令栏GeoHohai21/74菜单驱动(Plot)GeoHohai22/74Case-2一个最简单的例子genzonbrisize333;建立网格modelelas;材料参数propbulk3e8shear1e8inidens2000;初始条件fixzranz-.1.1;边界条件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveRUNFLAC3DGeoHohai23/74前后处理功能的优点多种zone类型后处理快捷、方便、丰富计算过程中的hist变量动态显示FISH可进行参数化模型设计单元状态的可编程计算暂停时的后处理与可保存GeoHohai24/74前后处理功能的缺点复杂模型的建模功能不强可以编程导入其他软件形成的网格(比如：Ansys、Adina、GeoCAD)无等值线的后处理功能(3D)可编程将.sav文件写入TecPlot等其他后处理软件全命令操作，学习困难鼠标功能单一(双击取击点坐标)GeoHohai25/74主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用GeoHohai26/74流-固耦合分析(单相流)基本功能理论框架计算模式渗流边界条件，初始条件单渗流计算及渗流耦合计算GeoHohai27/74基本功能渗流各向同性、各向异性不同的渗流模型和属性流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界抽水井、点源、体积源饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法非饱和渗流采用显式差分法渗流-固体-热的耦合流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架)的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度。循环荷载引起的动水压力变化和土体液化。GeoHohai28/74理论框架准静态Biot理论多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流描述多孔介质中流体渗流的变量孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量质量守恒定律达西定律本构定律考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应变改变和温度改变GeoHohai29/74流-固耦合的计算模式无渗流模式孔压计算有渗流模式瞬态渗流分析流-固耦合计算GeoHohai30/74无渗流模式不设置CONFIGFluid孔压不改变INITIALppWATERtableWATERdensitySETgravityWATERtableface手动设置干湿密度设置CONFIGfluid瞬态渗流分析有效应力计算不排水计算设置土体干密度渗流模型MODELfl_isotropicMODELfl_anisotropicMODELfl_null渗流模式GeoHohai31/74渗流边界条件，初始条件默认的边界条件是不透水边界孔隙压力自由(不透水边界)固定孔隙水压力(透水边界)如：井孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定义。GeoHohai32/74单渗流计算及渗流耦合计算时间比例完全耦合分析方法孔压固定分析(有效应力分析)单渗流得到孔压分布无渗流计算——孔压的力学响应流-固耦合计算GeoHohai33/74时间比例(scale)力学过程的特征时间流体扩散过程的特征时间4/3mccutLKG2fccLtcGeoHohai34/74完全耦合分析方法时间比例短期行为(不排水)ts(分析时间)tc(耦合扩散时间)忽略渗流影响长期行为(排水)tstc施加扰动的属性流体扰动：渗流可不与力学过程耦合力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比流固刚度比24/3kMRKGGeoHohai35/74单渗流得到孔压分布用途：排水沟；抽水井；耦合计算计算步骤CONFIGfluidSETmechoffSETfluidimpliciton/offMODELfl_;PROPSTEP;SOLVEage;SETfluidratioSETfluidoffmechonPROPbiot_c0(orINIfmod0)GeoHohai36/74无渗流计算——孔压的力学响应不排水短期响应两种分析方法：干法和湿法干法：Ku=K+a2M两种破坏形式WATER或INI获得常孔压，不排水的c,φ(孔压改变较小)φ=0,c=cu(MK+4/3G)湿法：耦合体系的短期行为使用排水的K,c,φ若SETfluidoff,Biot_mod(fmod)真实GeoHohai37/74流-固耦合计算CONFIGfluid;M(Kf);K(渗透系数)真实，则FLAC3D默认耦合计算Δp→Δεv→σΔεv→Δp预估流/力特征时间耦合计算前先达到一个平衡状态SETfluidonmechoff;SETfluidoffmechon;STEPSETmechforce;SETmechsubstepnauto;SETfluidsubstepm(=1)STEP:渗流步足够小GeoHohai38/74Case-3真空预压的简单模拟孔压边界条件tstc长期分析(排水)Rk1骨架很软孔压扰动进行biot_mod调整砂层软土层粘土层PVD2m