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1、FLAC3D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 ,2/74,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,3/74,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,4/74,FLAC3D简介,Fast Lagrangian Analysis of Continua 美国Itasca咨询公司开发2D程序
2、(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,5/74,FLAC3D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,6/74,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,7/
3、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,8/74,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 建立网格 model elas ;材料参数 prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 2000 ;初始条件 fix z ran z -.1 .1 ;边界条件 fix x ran x -.1 .1 fix x ran x 2.9 3.1 fix y ran y -.1 .1 fix y ran
4、 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,RUN FLAC3D,23/74,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,24/74,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
5、困难 鼠标功能单一(双击取击点坐标),25/74,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,26/74,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,27/74,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)
6、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。,28/74,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,29/74,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,30/74,无渗流模式,不设置CONFIG Fluid 孔压不改变 INITIAL pp WATER table WATER density SET grav
7、ity WATER table face 手动设置干湿密度,设置CONFIG fluid 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 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null,渗流模式,31/74,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。,32/74,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)
8、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,33/74,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,34/74,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 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,35/74,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 CONFIG fluid SET mech off SET fluid implicit on/off MODEL fl_; PROP STEP; SOLVE age; SET fluid ratio
9、SET fluid off mech on PROP biot_c 0 (or INI fmod 0),36/74,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, (孔压改变较小) =0,c=cu (MK+4/3G) 湿法：耦合体系的短期行为 使用排水的K, c, 若SET fluid off, Biot_mod(fmod)真实,37/74,流-固耦合计算,CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数) 真实，则FLAC3D默认耦合计算 pv vp 预估流/力特征时间 耦合计算前先达
10、到一个平衡状态 SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m (=1) STEP:渗流步足够小,38/74,Case-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,PVD,2m,8m,10m,Data file:,39/74,数值分析过程(movie),40/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLA
11、C3D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,41/74,接触面单元的用途,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”,42/74,接触面的原理,三角形单元(无厚度!) 参数较多 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动,43/74,接触单元模型的建立(1),关键要形成同一位置的两个节点(面) “移来移去”(推荐) 建两个分开的模型 建立接触单元 通过INI * add使模型接触 注意dist的含义,接触面,dist,44/74,接触单元模型的建立(2),“导来导去
12、” 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,45/74,“导来导去”具体方法,save 1.sav del ran grop 2 not Interface 1 face save 2.sav rest 1.savdel ran group 2expgrid 1.fac3d rest 2.savimpgrid 1.flac3d,46/74,接触面参数的确定,虚构的为了合并节点而设置的接触面 Kn=ks=10* 真实的刚性接触面 如料仓下料 c,D,Tension重要，kn,ks不重要 真实的柔性接触面
13、 断层；水力劈裂材料 试验得到参数 对于kn,ks：岩石断层10100MPa/m(粘土); 100GPa(岩石) 反分析方法：通过断层中岩石的变形与原岩的变形,47/74,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,48/74,完全非线性的动力分析,特点 动力荷载 动力边界条件 地震波的调整 动孔压的生成,49/74,FLAC3D动力分析特点,完全非线性分析 遵循任何指定的非线性本构关系 不同频率间会出现干涉和混合 模拟不可恢复的位移和永久变形 合适的塑性理论，塑
14、性应变增量与应力有关 易进行不同本构模型的对比分析,50/74,动力荷载,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 APPLY INTERIOR (内部) TABLE FISH,51/74,动力边界条件,静态(quiet,粘性)边界 Lysmer and Kuhlemeyer(1969) 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器 自由场(free field)边界 Cundall et al. (1980) 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 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
15、 ff之前,52/74,力学阻尼,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 计算速度慢，不推荐 局部(local)阻尼 FLAC3D的静力分析阻尼 参数简单 适合简单情况,53/74,滞回阻尼(Hysteretic Damping),模拟岩土介质的动模量衰减曲线 initial damp hysteretic name sig3 (三参数) sig4 (四参数) Hardin (哈丁模型) default 计算速度快 推荐,54/74,地震波的调整,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-
16、Motion Accelerogram Processing Software (BAP) 对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为0,55/74,地震波的调整,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,56/74,地震波的调整,El-Centro波,FFT,修正后的时程,修正后FFT,5Hz,57/74,动孔压的生成液化,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，这可能代表纯粹的压实 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 有效应力为零时发生液化,58/74,动孔压的生成液化,因此孔隙水压增加不是液化的基本原因 由于颗粒间(重组以后)的低接触力导致有效应力的减小 描述液化的模型 高级模型：BSHP (边
