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1、ITASCA 程序介绍 西 安 2007-1-12-14 目 录 ITASCA及其专家介绍 FLAC/FLAC3D UDEC/3DEC PFC/PFC3D Peter Cundall博士，英国皇家工程院院士，FLAC和离 散元法的创始人，世界著名计算岩石力学专家， Itasca系列软件设计总监。 Peter Cundall博士分别于1966年和1971年获得英国伦敦 帝国理工学院(Imperial College) 电子工程学士和岩石 力学博士学位，曾任Dames 破 坏面按给定的条件自动形成 破坏只沿事先给定的面发生; 不检测其它部位的塑性区分 布 运动机制上满足运动约束条件 不考虑运动 机
2、制上也许是 不可行的 强度折减 降强：强度参数 (如, 内聚力和摩擦角) 除以安全系数的“ 试验值”, 如下 - 用给定的参数值进行单个数值模型模拟，即可显示是否 破坏(如单个的物理模型)。 如何获得安全系数? 给出不同的参数，进行不同条件下的计算。 强度折减 如何通过最少数量的模拟，快速发现 的准确值? Dawson 等人 (Gotechnique 49, 1999) 给出数值计算安 全系数的基本依据。 根本上讲，它是不断地等分两个分 别稳定和破坏的两个 。 这个过程可以很快收敛, 当这 两个 之间的间隔很小(比如, 0.005) ，即停止计算 FLAC 计算技巧的细节论述（见下文） 强度折
3、减 1.根据系统达到平衡需要的计算步数来确定 “特征反应时间”（ 称 为 Nc）。 2.设 F=1.0, 不断平分该值直至下限 (稳定首次出现) 称为 Fs。 3.不断翻倍增加 F直至达到上限 (首次出现不稳定) 称为 Fu。 4.设 F = (Fu+Fs)/2, 计算是否稳定 (稳定时设 Fs=F，不稳定则设 Fu=F)。 5.如果 Fu-Fs 0.005, 停止计算, 否则回到第 4步。 FLAC中强度折减法的求解步骤 强度折减 边坡的 “稳定” 或者 “不稳定” 由程序中给定的方法确定。 例如，在采用隐式矩阵计算的有限单元程序中, 不稳定条件通常 是根据方程的不收敛所决定 (see Gr
4、iffiths and Lane, 1999)。 在FLAC中, 不稳定状态通过监测模型的运动能量确定。运动能的 变化则通过 “不平衡力率”来衡量。 如何确定不稳定状态(破坏)? 强度折减 1.运行直至 Nc 步。 纪录不平衡力率, Ru。 2.运算过程中，如果 Ru 降低至 0.001 以下, 认为是稳定并退出 计算。 3.如 (Ru Ru(old) / Ru 0.1，认为不稳定并退出。 4.如果总迭代数 (steps 1-3) 大于 6，认为不稳定并退出。 5.返回 1。 FLAC中稳定/不稳定的定义 检验稳定/不稳定的步骤: 在整个过程中，下列信息是被展示出来的 上面第一步 中完成的计算
5、步骤数 以NC的百分数表示, 完成的求解循环数 (1-3步), 当前的 Fu 和 Fs值 (区间)。 强度折减 这种方法有什么优点? 我们可以与精确解进行对比。下面的例子中, 理 论解由Chen (1975)求出, 其安全系数是 1.0。 对该例建立 FLAC模型, 采用两种不同的网格。 结果是 强度折减 非关联流 动法则 关联流动 法则 粗网格 (20x20)0.991.03 细网格 (40x40)0.971.01 注意精确解是采用了关联流动法则 (剪胀角与摩擦角相等) 破坏时的速度场 精细网格和关联流动法则 强度折减 基于拉格朗日差分的强度折减方法求解边坡安全系数 强度折减 强度折减法求解
6、结果 强度折减 强度折减 强度折减法求解结果 强度折减 珞杉矶 铁路线 URS Corporation设计 长10英里，深 33英尺, 宽 51英尺 货运铁道连接 Long Beach 港口 和位于 Los Angeles 市区的Los Angeles 铁道枢 纽 强度折减法的实际应用 强度折减 珞杉矶 铁路线 URS Corporation 基坑边墙采用直径为3英尺的现浇混凝土桩加固, 中部有4英尺的喷射混凝土, 顶部为预制混凝土支撑 。 第3阶段的施工非常重要，因为潜在破坏控制着所需要的桩长 。 强度折减 珞杉矶 铁路线 URS Corporation FLAC 在分析安全系数 时，考虑了
7、土与结构的 相互作用。得到的安全 系数是1.3。 如果采用极限平衡方法 的计算结果，则需要将 桩长增加 8 英尺。 FLAC 分析节省了数百 万美元。 强度折减 利用数值方法求解FoS 的优点 1.任何破坏都按自然的方式发生 不需要事先指定破坏面的范围。 2.几何上没有任何限制 全部情形 (边坡, 基础, 洞室, 等) 采用同样的 方式建模。 3.不需要输入人为参数 (比如, 函数 inter-slice force 角度)。 4.如果条件合适，多重破坏面 (或者复杂的内部屈服)都 自然产生。 5.结构的交互作用被真实地模拟 如全耦合变形单元, 而不是简单地 作为等效力处理。 6.考虑了不稳定
8、区的运动! 采用 FLAC方法求解是稳定的 采用 LE 方法求解是不稳定的 弱面 强度折减 缺点是什么？ - 只有一个: 速度。 当采用极限平衡方法求解可能只需要几秒钟时, 采 用较粗的网格求解 FoS 需要不到一分钟的时间。 中等网格可能需要 几分钟, 通常是相当精确。 精细的网格求解需要一到二个小时。 因此, 如果大多数问题可以在几分钟内解决，这里没有真正的缺 点。 一个将来可能会察觉到的问题 强度折减 采用全数值解求解通常很难使用 FLAC 也不例外 为方便安全系数的数值计算, 我们开发了一个专门的程序 FLAC/Slope 。 该程序的使用方便程度和极限平衡方法程序（如 XSTABL
9、和 SLOPE/W）基本相当，甚至可能还要容易一些 。 FLAC/Slope 有一个简单的图形界面以帮助建立和完成边坡计算模型， 它把 FLAC 当作 “计算引擎” 引用，用户可以完全不与FLAC接触，所 有需要的只是点击操作 例如: 选择边坡类型; 然后输入尺 寸 FLAC/SLOPE FLAC/Slope 允许 - 几种类型的边坡: 比如：分台阶的边坡、大坝、堤坝； 分层介质：比较常见的层状几何形状 材料库 内置和用户定义的 水位表 可以指定为任意表面 结构加固:比如, 土工格栅、 土钉、锚杆 弱面：模拟成 interface 表面荷载 Region（域）可以被排除在 FoS 求解以外 采
10、用不同的参数快速比较求解, 甚至可以对不同工程的问题进行比 较 硬拷贝图形，可以采用多种格式的图形 FLAC/SLOPE 在 FoS 求解过程化中，可以包含或者排除多种参数的变化，通常 地，下列系数被默认包含在内：材料的摩擦角和内聚力。 下列项参数可以包含在内: 1.材料的拉力状况 材料的抗拉强度 2.Interface强度 界面的摩擦角和内聚力 3.灌浆加固强度 灌浆锚固的摩擦角和内聚力 (土/结构面加 固) * 4.Group(群) 包含或排除参数变化范围的区域 * 5.* FLAC/Slope 5中的新功能 注意, 目前 FLAC/Slope 只能使用 Mohr-Coulomb 材料。
11、(Mohr-Coulomb 和 ubiquitous-joint 材料可以在 FLAC中使用。) FLAC/SLOPE Run FLAC/Slope FLAC/SLOPE 基坑的开挖与支护 Run FLAC 土工织物 experimental tankpositioning of the displacement sensors 磁 悬 浮 铁 路 地 基 （德国） FLAC3D 评价高架桥桥基稳定性（日本） Tokyo Nagoya Osaka Kob e Pacifi c Ocean Sea of Japan Honshu Sikoku Kyushu Hokkaido Sendai Sap
12、poro Fukuoka The Second Tomei Expressway (under construction) Tomei Expressway (in operation) Execution Place Japanese Map Run FLAC 边坡工程 Run FLACWudongde 地铁及地下洞室 西班牙巴塞罗那地铁工程 20 m 6.5 m 2 m 1 m 4.8 m FLAC3D MODEL Relleno NaturalCuaternario Saul IV Saul V Saul II-III 波森, 意大利 位移矢量及边界的变形 通过对不同应力场条件下进行试算， 发现位移始终向右有较大的偏移，证 明了各向异性的地质结构。 波森, 意大利 最大剪切应变增量 分析表明，剪切应变集中在不 同岩性的接触面上，因此不同 的沉降量发生在平面不同的位 置上。 UDEC/3DEC 3DGIS模型中的不稳定块体 系统锚杆 数值计算结果导入3DGIS模型中 PFC/PFC3D 谢 谢
