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1、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 2007-4-16,东南大学交通学院岩土工程研究所,主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,软件介绍,Fast
2、 Lagrangian Analysis of Continua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 3.1Itasca其他软件,软件介绍,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 动力分析功能地震工程衬砌功能地下工程可开发功能FISHVC+,丰富的本构模型,软件介绍,有限差分法(FDM)古老的方法(上世纪40年代)用差分格
3、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的新进展时间步与时间时间步的设置须满足数值求解的稳定Special Option中有特定的时间步要求动力、渗流、流变、温度中是真实时间,Lagrangian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跟踪节点和单元随材料移动边界和接触面与单元的边缘一致积分点随材料移动本构方程在相同的材料点赋值固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家Lagrangian,复杂的 边界条件,精确描述 材料的发展,大应变与小应变,SET small默认为小
4、应变模式不更新节点坐标不进行应力旋转修正SET large大位移，大位移梯度，大转角岩土工程中的大变形问题软土的固结变形土体的开挖软岩巷道地下硐室,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：,+,)/2,=(,FLAC3D的求解过程,Lagrangian格式动量平衡方程,F(t),m,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,例1：自由落体的模拟,G=mg,S=1/2gt2=20m,命令流：config dyngen zon bri size 1 1 1ini x mu
5、l 0.1 y m 0.1 z m 0.1model elasprop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 1000set grav 0 0-10solve age 2,例1：自由落体的模拟(movie),不平衡力,平衡状态F0最大不平衡力有所有单元确定SET mech force?最大不平衡力比与内力的比值SET mech ratio?工程、计算中间阶段10-4论文、最终结果10-5,F 0,v0,v0,收敛、平衡,不收敛、塑性流动,BLOCK state,*-n与*-p-n：此时刻进入屈服状态-p：曾经进入屈服状态，现已退出程序预留了多个状态空间供用户定义液化的判断温度破
6、坏的判断PLOT block state*-n活动塑性区贯通结合速度结果计算模型边界选取的影响,分析问题的过程,建立网格,初始条件,边界条件,初始应力平衡,外荷载,求解,前处理,后处理,例2：一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3;建立网格(前处理)model elas;材料参数prop bulk 3e6 shear 1e6ini dens 2000;初始条件fix z ran z-.1.1;边界条件fix x ran x-.1.1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y-.1.1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0-10s
7、olve;求解app nstr-10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplo con zd;后处理切片功能,RUN FLAC3D,FLAC3D3.1的新特征,64-bit Version(64位计算)Parallel Processing on Multiprocessor Computers(并行算法)Two-Dimensional Grid Extrusion Tool Nodal Mixed Discretization(节点混合离散方法)Embedded Structural Liner(内置衬砌单元)挡土墙的模拟On-board Help File(内置的帮助系统
8、),主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,完全非线性的动力分析,与等效线性方法的比较动力荷载动力边界条件力学阻尼与滞回阻尼地震波的调整动孔压的生成,FLAC与等效线性方法,等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法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)多种频率成分的干涉和混合永久变形计算弹塑性计算,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
9、INTERIOR(内部)TABLEFISH,Quiet边界,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,Quiet边界应用,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地震底部输入的侧向边界扭曲了入射波,quiet,quiet,quiet,Free-f
10、ield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 ff之前,自由场边界示意图,Free-field边界,APPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移ff单元上；设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向)FF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存在attach的边界将不能设置FF边界边界上的Interface将不能连续动力边界设置需在FF边界设置之
11、前,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(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：计算速度慢局部(local)阻尼FLAC3D的静力分析阻尼参数简单适合简单情况,滞回阻尼(Hysteretic Damping),模拟岩土介质的动模量衰减曲线initial damp hysteretic namesig3(3参数)sig4(4参数)Hardin(1参数)(哈丁模型)Default（2参数)优点直接采用模量降级曲线阻尼比不会影响时间步缺点输出的曲线会不一致,滞回阻尼(Hysteretic Damping),低循环
12、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；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；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；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；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
13、用屈服模型，不用Hyst阻尼参考了Itasca的中国培训资料,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-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.FISOriginSeismoSignal,地震波的调整,El-Centro波,FFT,修正后的时程,修正后FFT,5Hz,动孔压的生成液化,干沙剪应变循
14、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,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：,主要内容,软件介绍动力分析Dyna
15、mic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,Interface单元简介,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”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,Interface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NO merge,NO attach!,接触面,dist
16、,1,2,3,4,Interface的建立(2),“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,Interface的建立(2),save 1.savdel ran grop 2 notInterface 1 facesave 2.savrest 1.savdel ran group 2expgrid 1.fac3drest 2.savimpgrid 1.flac3d,Interface的建立(3),GEN separate INTERFACE wrap指定正确的group,Interface参数的确定,
17、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,例3：单桩承载力分析,软土地基bulk 1.6878E6 shear 3.6167E5 coh 15E3 fric 12dens 1.73E3桩体bulk 5e9shear 3.75e9dens 2.5e3,0.5m,8m,10m,20m,计算过程,施加桩顶荷载,计算结果,影响因素,计算工况设计,计算结果,Ks取
18、1,Ks取2,Ks取3,最优方案,合理步骤,单桩分析,简单网格,接触面参数,多次试算,理论、实测,加密网格,接触参数,理想结果,群桩分析,Pile结构单元,单元参数,理想结果,Pile结构单元,单元参数,理想结果,主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,FLAC3D中的结构单元,有限单元梁(beam)单元锚索(cable)单元桩(pile)单元锚杆:rockbolt壳(shell)单元格栅(geogrid)单元土工织
19、物；土工格栅初衬(liner)单元,beam,cable,pile,shell,geogrid,liner,结构单元的应用,土与结构的相互作用桩基；基坑；边坡锚固地下硐室的支撑结构；采矿；盾构土工织物；土工合成材料结构不宜复杂岩土工程软件，不宜单纯的结构分析复杂结构的模拟很困难结构单元仍不完善plot显示双向接触结构(挡土墙)结构单元的厚度,Liner结构单元,三节点扁平有限单元每个节点有6个自由度3个移动，3个旋转能够抵抗膜及弯矩荷载能够承受主方向的拉压应力能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用,法向,切向,例4：隧道与土体的相互作用,半圆隧道直径3
20、.25m上覆土层厚度5m计算范围3r土体弹性计算(K=30MPa,G=10MPa)参数化编程几何尺寸模型参数网格形状,ht,hb,r,B,计算步骤,模型网格,初始应力生成,施加管片,计算结果,管片的连接,冷连接弯矩和剪力不能直接在环与环间传递，只能通过其相邻的介质传递全连接相邻的Liner单元在连接处共用一个节点，连接处重叠单元不能发生移动或旋转 结点连接即结点间的连接在6个方向的自由度上用弹簧来模拟，每个自由度都可具有一定的特性,通缝拼接,错缝拼接,连接方式的影响,变形结果,zr属性更改,6属性更改,注：变形放大200倍,例5：结构的动力响应,config dynsel pile id=1
21、beg 0 0 0 end 0 0 1sel pile prop dens 2400&Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3&XCJ 0.16375 XCIy 0.00625 XCIz 0.01575&Per 2.8 CS_sK 1.3e11 CS_nK 1.3e11&CS_nGap off sel node fix x y z xr yr zr ran id=1sel set damp combined def f1 whilestepping f0=10000*sin(10*dytime)np=nd_head loop while np#null if nd_pos(n
22、p,1,3)=1 nd_apply(np,1)=f0 endif np=nd_next(np)endloopendsolve age 1,pile,10000*sin(10*t),例5：结构的动力响应,主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍,FLAC3D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,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
23、，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,地下水模拟方法,有效应力计算不耦合孔压为了正确计算有效应力渗流计算已得到孔压分布饱和有水面线的部分饱和力学变形产生孔压静力或者动力不排水孔压或液化流固耦合计算模式时间比例,有效应力计算,不设置CONFIG Fluid孔压不改变设置孔压分布INITIAL ppWATER tableWATER densityWATER table faceSET gra
24、vity手动设置干湿密度,设置CONFIG fluid设置土体干密度 渗流模型MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null SET fluid offset WATER bulk=0,无渗流模式,渗流模式,不耦合计算,CONFIG fluidSET mech off正确的渗透系数得到孔压分布和水面线稳态渗流可以减小Kf,CONFIG fluidSET fluid off正确的流体模量Kf不需要渗透系数,单渗流模式,单力学模式,流固耦合计算,CONFIG fluidSET fluid on真实的流体模量Kf和渗透系数耦合方式Dp De
25、v DsDev Dp计算模式手动调整的STEP求解主从进程的SOLVE求解自动STEP求解,流固耦合的计算方法,手动调整的STEP求解SET fluid on mech offSTEPSET fluid off mech onSTEP主从进程的SOLVE求解SET mech forceSET mech substep n auto(从进程)SET mech substep m(主进程)SOLVE age自动STEP求解STEP,渗流问题(CONFIG fluid)分析步骤,时间比例(ts,tc)稳态不排水状态相当扰动类型力学扰动孔压扰动流固刚度比Rk是否1完全耦合模式时间比例相当；力学扰动,渗
26、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。,例6：真空预压的模拟,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:,例6：真空预压的模拟(movie),主要内容,软件介绍动力分析Dynamic Option桩-土相互作用分析Interface隧道分析Structure Element流固耦合分析Fluid-Mechanical
27、 Interaction学习方法及经验介绍,FLAC/FLAC3D的使用心得,很好的岩土工程专业软件本构模型丰富强大的动力分析功能对内存的要求不高可开发性好FISHC+,时步受网格尺寸的影响很大长期动力计算的时间很长长期渗流计算的时间很长前处理功能需提高手册说明仍需完善,FLAC3D的学习经验,Manuals for Details.(dynamax)But manual is not enough.中间时步表现出一些不合实际的结果，需要足够的专业和数学知识进行判断与解释。(qinjianshe)充分了解你写的每一条命令的含义。(qinjianshe)少量单元的数值试验帮助理解软件的功能关键变
28、量的参数化编程设计参数 模型 方法(软件)由简到繁，循序渐进,FLAC3D的学习方法,看ManualGetting Started基本了解Problem Solving with FLAC3D基本使用Special Option可选模块FISH高级应用静力计算是一切高级功能的基础大多计算中问题都来源于初始应力设置不正确静力渗流动力(流变、温度)不要迷信Manual中的例子仅为某个特定功能而设定全面了解手册内容,FLAC3D的应用经验,得到正确、合理的初始应力状态从gpfix,fap,prop,szz,pp,state等各方面检查模型具备一定的理论基础和工程经验少量网格的试算大大减少计算时间量级
29、 精度学会解释计算结果不要“想当然”理论是计算的基础学会处理错误积累常见错误提示的处理方法灵活运用模型检查的命令,参考文献及资料,FLAC3D ManualFLAC3D Training in Dalian,2006D.Billaux et al.FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics 2001.P.Andrienux et al.FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics 2003.R.Hart et al.FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics 2006.秦建设.盾构施工开挖面变形与破坏机理研究D.河海大学.2005刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南SimWe仿真论坛 D01：FLAC3D/FLAC2D,谢谢大家!敬请大家批评指正!,
