岩土工程FLAC3D讲义解析

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1、GeoHohai FLAC3D在岩土工程中的应用 陈育民，左威龙 导师：刘汉龙 教授 河海大学岩土工程研究所 ymch 2007-4-16 东南大学交通学院岩土工程研究所 GeoHohai2 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 Dynamic Option v桩-土相互作用分析 Interface v隧道分析 Structure Element v流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction v学习方法及经验介绍 GeoHohai3 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 Dynamic Option v桩-土相互作用分析 Interface v隧道分析

2、Structure Element v流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction v学习方法及经验介绍 GeoHohai4 / 77 软件介绍 vFast Lagrangian Analysis of Continua v美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986) v1990年代初引入中国 v有限差分法(FDM) vDOS版2.0 2.1 3.0 3.1 vItasca其他软件 GeoHohai5 / 77 软件介绍 v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、交通工程、采矿工程、水利工程、地质

3、工程 v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 动力分析功能地震工程 衬砌功能地下工程 可开发功能 FISH VC+ GeoHohai6 / 77 丰富的本构模型 GeoHohai7 / 77 软件介绍 v有限差分法(FDM) 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 建立网格(前处 理) model elas ;材料参数 prop bulk 3e6 shear 1e6 ini dens 2000 ;初始条件 fix z ran z -.1 .1 ;边界条件 fix x ran

4、 x -.1 .1 fix x ran x 2.9 3.1 fix y ran y -.1 .1 fix y ran y 2.9 3.1 set grav 0 0 -10 solve ;求解 app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2 solve plo con zd ;后处理 切片功能 RUN FLAC3D GeoHohai19 / 77 FLAC3D3.1的新特征 v64-bit Version (64位计算) vParallel Processing on Multiprocessor Computers (并 行算法) vTwo-Dimensional Gri

5、d Extrusion Tool vNodal Mixed Discretization (节点混合离散方法) vEmbedded Structural Liner (内置衬砌单元) 挡土墙的模拟 vOn-board Help File (内置的帮助系统) GeoHohai20 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 Dynamic Option v桩-土相互作用分析 Interface v隧道分析 Structure Element v流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction v学习方法及经验介绍 GeoHohai21 / 77 完全非线性的动力分析 v与等

6、效线性方法的比较 v动力荷载 v动力边界条件 v力学阻尼与滞回阻尼 v地震波的调整 v动孔压的生成 GeoHohai22 / 77 FLAC与等效线性方法 v等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法 v动本构模型 等效线性模型 剪切模量的降级曲线 阻尼比随剪应变的变化 FLAC 常规模型(MC) v多种频率成分的干涉和混合 v永久变形计算 v弹塑性计算 GeoHohai23 / 77 动力荷载 v动力输入的类型 加速度时程 速度时程 应力(压力)时程 力时程 vAPPLY INTERIOR (内部) TABLE FISH GeoHohai24 / 77 Quiet边界 v 静态(quiet,粘性

7、)边界 Lysmer and Kuhlemeyer(1969) 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器 v性能 对于法向p波和s波能很好的吸收 对于倾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射 人工边界仍应当足够远 GeoHohai25 / 77 Quiet边界应用 v内部振动(如隧道中的列车振动问题) 动力荷载直接施加在节点上 使用Quiet边界减小人工边界上的反射 不需要FF边界 v外部荷载的底部边界 软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件 使用应力条件t = -2Csrvs v地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波 quietquiet quiet GeoHohai26 /

8、 77 Free-field边界 vCundall et al. (1980) v自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器，自由场网 格的不平衡力施加到主体网格边界上 v设置条件 底部水平，重力方向为z向 侧面垂直，法向分别为x, y向 其他边界条件在APPLY ff之前 自由场边界示意图 GeoHohai27 / 77 Free-field边界 vAPPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移 ff单元上； v设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应 v可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向) vFF边界进行小变形计算，主体网格可大变形，FF边界 上的变形要相对较小 v存在att

9、ach的边界将不能设置FF边界 v边界上的Interface将不能连续 v动力边界设置需在FF边界设置之前 GeoHohai28 / 77 力学阻尼 v瑞利(rayleigh)阻尼 假设阻尼与质量、刚度的线性关系 参数确定简单(等价平均应变=60%*emax) 中心频率(共振计算，地震平均频率) 临界阻尼比 缺点：计算速度慢 v局部(local)阻尼 FLAC3D的静力分析阻尼 参数简单 适合简单情况 GeoHohai29 / 77 滞回阻尼(Hysteretic Damping) v 模拟岩土介质的动模量衰减曲线 v initial damp hysteretic name sig3 (3参

10、数) sig4 (4参数) Hardin(1参数) (哈丁模型) Default（2参数) v 优点 直接采用模量降级曲线 阻尼比不会影响时间步 v 缺点 输出的曲线会不一致 GeoHohai30 / 77 滞回阻尼(Hysteretic Damping) v 低循环应变下得到的阻尼比要小于试验结果，这会导致低级的噪声， 尤其在高频情况下。可以在中心频率上增加一个小量的Rayleigh阻尼 (0.2%刚度比例)，这样也不会降低时步； v 若初始应力不为0，剪应力-剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始 应力时就要调用Hyst阻尼； v Hyst阻尼不仅会增加能量损失，还会导致在大循环应变下的平均

11、剪切 模量的降低，在输入波的基频接近共振频率的时候，可能会导致动力 反应幅值的增大； v Hyst阻尼之前要做一次弹性无阻尼求解，以获得发生循环应变的最大 水平，若循环应变过大导致剪切模量过多的降低，那么用Hyst阻尼是 有问题的； v 即使应变较小，使用屈服模型也会增大应变，因此若有广泛屈服的现 象，则使用屈服模型，不用Hyst阻尼 v 参考了Itasca的中国培训资料 GeoHohai31 / 77 地震波的调整 v 基线校正 对于地震分析的加速度时程，其积分得到的速度和位移应归0 美国地质调查研究所 Basic Strong-Motion Accelerogram Processing

12、Software (BAP) 对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为0 v 动力荷载的频率与单元尺寸的双向调整 高频的输入要求单元尺寸很小 一定的单元尺寸对应输入的最大频率 一般进行滤波处理 滤掉低能量的高频 FFT.FIS Origin SeismoSignal GeoHohai32 / 77 地震波的调整 El-Centro波 FFT 修正后的时程 修正后FFT 5Hz GeoHohai33 / 77 动孔压的生成液化 v干沙剪应变循环加载试验 初始加载阶段，沙土通常先压实再膨胀。卸载时，沙土遵循 与加载相似的路径，但在零应变时，有些残余体积应变存在 。取决于初始孔隙率，这可能代表纯粹

13、的压实 v假定孔隙中充满水 对于常体积测试，有效应力降低，孔隙水压保持不变 对于常荷载测试，(例如，盒子上法向荷载固定)，孔隙水压增 加，有效应力减小 v有效应力为零时发生液化 GeoHohai34 / 77 动孔压的生成液化 v因此孔隙水压增加不是液化的基本原因 v由于颗粒间(重组以后)的低接触力导致有效应力的减 小 v描述液化的模型 高级模型：BSHP (边界面低塑性本构模型, Wang et al. 1990) 简单模型：MC + 体积应变增量模型 Finn模型： Byrne模型： GeoHohai35 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 Dynamic Option v桩-土相

14、互作用分析 Interface v隧道分析 Structure Element v流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction v学习方法及经验介绍 GeoHohai36 / 77 Interface单元简介 v用途 岩体介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定“障碍” v原理 三角形单元(无厚度!) 8参数 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动 GeoHohai37 / 77 Interface的建立(1) v关键要形成同一位置的两个节点( 面) v“移来移去”(推荐) 建两个分开的模型 建立接触单元 通过IN

15、I * add使模型接触 注意dist的含义 NO merge, NO attach! 接触面 dist 12 34 GeoHohai38 / 77 Interface的建立(2) v“导来导去” 利用expgrid, impgrid命令进行网格导出与导入 配合DELETE命令 适于内部接触面的建立，或 其他前处理工具建立的网格 GeoHohai39 / 77 Interface的建立(2) v save 1.sav v del ran grop 2 not v Interface 1 face v save 2.sav v rest 1.sav del ran group 2 expgrid 1.fac3d v rest 2.sav impgrid 1.flac3d GeoHohai40 / 77 Interface的建立(3) vGEN separate vINTERFACE wrap 指定正确的group GeoHohai41 / 77 Interface参数的确定 v虚构的为了合并节点而设置的接触面 kn=ks=10* v真实的刚性接触面 如料仓下料 c,D,Tension重要，kn,ks不