FLAC3D在岩土工程中的应用

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1、GeoHohaiFLAC3D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GeoHohai2 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai3 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩

2、桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai4 / 77软件介绍Fast Lagrangian Analysis of Continua美国美国Itasca咨询公司开发咨询公司开发2D程序程序(1986)1990年代初引入中国年代初引入中国有限差分法有限差分法(FDM)DOS版版2.0 2.1 3.0 3.1Itasca其他软件其他软件GeoHohai5 / 77软件介绍应用应用 岩土力学分析，例矿体滑

3、坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩岩土力学分析，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体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等 岩土工程岩土工程、交通工程交通工程、采矿工程、水利工程、地质工程、采矿工程、水利工程、地质工程 特色特色 大应变大应变模拟模拟 完全动态运动方程使得完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍存在数值上的障碍 动力动力分析功能分析功能地震工程地震工程 衬砌功能衬砌功能地下工程地下工程 可开发功能可开发功能 FISH VC+GeoHohai6 / 77丰富的本构模型GeoHohai7 /

4、 77软件介绍有限差分法有限差分法(FDM) 古老的方法古老的方法(上世纪上世纪40年代年代) 用差分格式转化控制方程中的微商格式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；固结流体力学；土工渗流问题；固结 FDM & FEM的混合求解的混合求解 FDM的新进展的新进展时间步与时间时间步与时间 时间步的设置须满足数值求解的稳定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中有特定的时间步要求 动力、渗流、流变、温度中是动力、渗流、流变、温度中是真实时间真实时间GeoHohai8 / 77Lagrangian网格源自流体力学中的拉格朗日法源自流

5、体力学中的拉格朗日法 跟踪流体质点的运动状态跟踪流体质点的运动状态 跟踪固体力学中结点，按时步用跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动法研究网格节点的运动跟踪跟踪 节点和单元随材料移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边界和接触面与单元的边缘一致 积分点随材料移动积分点随材料移动 本构方程在相同的材料点赋值本构方程在相同的材料点赋值固体力学大变形理论固体力学大变形理论法国数学家、物理学家Lagrangian复杂的复杂的 边界边界条件条件精确描述精确描述 材料材料的发展的发展GeoHohai9 / 77大应变与小应变SET small 默认为小应变模

6、式默认为小应变模式 不更新节点坐标不更新节点坐标 不进行应力旋转修正不进行应力旋转修正SET large 大位移，大位移梯度，大转角大位移，大位移梯度，大转角岩土工程中的大变形问题岩土工程中的大变形问题 软土的固结变形软土的固结变形 土体的开挖土体的开挖 软岩巷道软岩巷道 地下硐室地下硐室GeoHohai10 / 77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体等单元以以 为基本单元为基本单元(常应力、常应变常应力、常应变)体应变的计算：体应变的计算：偏应变的计算：偏应变的计算：+)/2=(GeoHohai11 /

7、77FLAC3D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GeoHohai12 / 77Lagrangian格式动量平衡方程F(t)duFm amdtijiijdugdtx, ,u u u 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GeoHohai13 / 77例1：自由落体的模拟G = mgS = 1/2gt2 = 20m命令流：命令流：config dyngen zon bri size 1 1 1ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1model elasp

8、rop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 1000set grav 0 0 -10solve age 2GeoHohai14 / 77例1：自由落体的模拟(movie)GeoHohai15 / 77不平衡力平衡状态平衡状态 F0最大不平衡力最大不平衡力 有所有单元确定有所有单元确定 SET mech force ?最大不平衡力比最大不平衡力比 与内力的比值与内力的比值 SET mech ratio ? 工程、计算中间阶段工程、计算中间阶段10-4 论文、最终结果论文、最终结果10-5F 0v0v0收敛、平衡收敛、平衡不收敛、塑性流动不收敛、塑性流动GeoHohai16 /

9、77BLOCK state*-n与与*-p -n：此时刻进入屈服状态：此时刻进入屈服状态 -p：曾经进入屈服状态，现已退出：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程序预留了多个状态空间供用户定义 液化的判断 温度破坏的判断破坏的判断 PLOT block state *-n 活动塑性区贯通活动塑性区贯通 结合速度结果结合速度结果 计算模型边界选取的影响计算模型边界选取的影响GeoHohai17 / 77分析问题的过程建立网格建立网格 初始条件初始条件 边界条件边界条件 初始应力平衡初始应力平衡 外荷载外荷载 求解求解 前处理前处理 后处理后处理 GeoHohai18 /

10、77例2：一个最简单的例子gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格建立网格(前处理前处理)model elas ;材料参数材料参数prop bulk 3e6 shear 1e6ini dens 2000 ;初始条件初始条件fix z ran z -.1 .1 ;边界条件边界条件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 -10solve ;求解求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplo con zd ;后

11、处理后处理切片功能切片功能RUN FLAC3DGeoHohai19 / 77FLAC3D3.1的新特征64-bit Version (64位计算位计算)Parallel Processing on Multiprocessor Computers (并行并行算法算法) Two-Dimensional Grid Extrusion Tool Nodal Mixed Discretization (节点混合离散方法节点混合离散方法) Embedded Structural Liner (内置衬砌单元内置衬砌单元) 挡土墙的模拟挡土墙的模拟On-board Help File (内置的帮助系统内置的

12、帮助系统) GeoHohai20 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai21 / 77完全非线性的动力分析与等效线性方法的比较与等效线性方法的比较动力荷载动力荷载动力边界条件动力边界条件力学阻尼与滞回阻尼力学阻尼与滞回阻尼地震波的调整地震波的调整动孔压的生成动孔压的生成GeoHohai22 / 77FLAC与等效线性方

13、法等效线性方法是岩土地震工程中的常用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动本构模型 等效线性模型等效线性模型 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多种频率成分的干涉和混合永久变形计算永久变形计算弹塑性计算弹塑性计算GeoHohai23 / 77动力荷载动力输入的类型动力输入的类型 加速度时程加速度时程 速度时程速度时程 应力应力(压力压力)时程时程 力时程力时程APPLY INTERIOR (内部内部) TABLE FISHGeoHohai24 / 77Quiet边界静态静态(quiet,粘性粘性)边界边界 Lysmer

14、and Kuhlemeyer(1969) 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器模型边界法向和切向设置独立的阻尼器性能性能 对于法向对于法向p波和波和s波能很好的吸收波能很好的吸收 对于倾斜入射的波和对于倾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射波也有所吸收，但存在反射 人工边界仍应当足够远人工边界仍应当足够远GeoHohai25 / 77Quiet边界应用内部振动内部振动(如隧道中的列车振动问题如隧道中的列车振动问题) 动力荷载直接施加在节点上动力荷载直接施加在节点上 使用使用Quiet边界减小人工边界上的反射边界减小人工边界上的反射 不需要不需要FF边界边界外部荷载的底部边界外部荷

15、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 使用应力条件使用应力条件t t = -2Cs vs地震底部输入的侧向边界地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波扭曲了入射波quietquietquietGeoHohai26 / 77Free-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的不平衡力施加到主体网格边界上设置条件设置条件 底部水平，重力方向为底部水平，重力方向为z向向 侧面垂直，法向分别为

16、侧面垂直，法向分别为x, y向向 其他边界条件在其他边界条件在APPLY ff之前之前自由场边界示意图自由场边界示意图GeoHohai27 / 77Free-field边界APPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移将边界上单元的属性、条件和变量全部转移ff单元上；单元上；设置以后主体网格上的改动将不会被设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向仅竖向)FF边界进行小变形计算，主体网格可大变形，边界进行小变形计算，主体网格可大变形，FF边界边界上的变形要相对较小上的变形要相对较小存在存在attach

17、的边界将不能设置的边界将不能设置FF边界边界边界上的边界上的Interface将不能连续将不能连续动力边界设置需在动力边界设置需在FF边界设置之前边界设置之前GeoHohai28 / 77力学阻尼瑞利瑞利(rayleigh)阻尼阻尼 假设阻尼与质量、刚度的线性关系假设阻尼与质量、刚度的线性关系 参数确定简单参数确定简单(等价平均应变等价平均应变=60%*e emax) 中心频率(共振计算，地震平均频率) 临界阻尼比 缺点：计算速度慢缺点：计算速度慢局部局部(local)阻尼阻尼 FLAC3D的静力分析阻尼的静力分析阻尼 参数简单参数简单 适合简单情况适合简单情况GeoHohai29 / 77滞

18、回阻尼(Hysteretic Damping)模拟岩土介质的动模量衰减曲线模拟岩土介质的动模量衰减曲线initial damp hysteretic name sig3 (3参数参数) sig4 (4参数参数) Hardin(1参数参数) (哈丁模型) Default（2参数参数)优点优点 直接采用模量降级曲线直接采用模量降级曲线 阻尼比不会影响时间步阻尼比不会影响时间步缺点缺点 输出的曲线会不一致输出的曲线会不一致GeoHohai30 / 77滞回阻尼(Hysteretic Damping)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，尤低循环应变下得到的阻尼比要小于试验结果，

19、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阻尼阻尼(0.2%刚度比例刚度比例)，这样也不会降低时步；，这样也不会降低时步；若初始应力不为若初始应力不为0，剪应力，剪应力-剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始应剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始应力时就要调用力时就要调用Hyst阻尼；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量的降低，在输入波的基频接近共振频率

20、的时候，可能会导致动力反应幅值的增大；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阻尼是有问阻尼是有问题的；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，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，不用则使用屈服模型，不用Hyst阻尼阻尼参考了参考了Itasca的中国培训资料的中国培训资料GeoHohai31 / 77地震波的调整基线校正基线

21、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定的单元尺寸对应输入的最大频率 一般进行滤波处理一般进行滤波处理 滤掉低能量的高频 F

22、FT.FIS Origin SeismoSignalGeoHohai32 / 77地震波的调整051015202530-300-200-1000100200300400acc (cm/s2)t (s) EI centuo051015202530-300-200-1000100200300400acc (cm/s2)t (s) 20 Hz Low Pass Filter on EI_B02468101214161820222426280200040006000800010000120001400016000 EI centuoFrequency (Hz)Amplitude024681012141

23、61820222426280200040006000800010000120001400016000 20Hz Low pass EIFrequency (Hz)AmplitudeEl-Centro波FFT修正后的时程修正后FFT5HzGeoHohai33 / 77动孔压的生成液化干沙剪应变循环加载试验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决于初始孔隙率，这可

24、能代表纯粹的压实假定孔隙中充满水假定孔隙中充满水 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，对于常荷载测试，(例如，盒子上法向荷载固定例如，盒子上法向荷载固定)，孔隙水压增，孔隙水压增加，有效应力减小加，有效应力减小有效应力为零时发生液化有效应力为零时发生液化GeoHohai34 / 77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因此孔隙水压增加不是液化的基本原因由于颗粒间由于颗粒间(重组以后重组以后)的低接触力导致有效应力的减小的低接触力导致有效应力的减小描述液化的模型描述液化的模型 高级模型：高级模型：BSHP (

25、边界面低塑性本构模型边界面低塑性本构模型, Wang et al. 1990) 简单模型：简单模型：MC + 体积应变增量模型体积应变增量模型 Finn模型： Byrne模型：GeoHohai35 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai36 / 77Interface单元简介用途用途 岩体介质中的解理、断层、岩层面岩体

26、介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定空间中无变形的固定“障碍障碍”原理原理 三角形单元三角形单元(无厚度无厚度!) 8参数参数 三种工作模式三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动GeoHohai37 / 77Interface的建立(1)关键关键要形成同一位置的两个节点要形成同一位置的两个节点(面面)“移来移去移来移去”(推荐推荐) 建两个分开的模型建两个分开的模型 建立接触单元建立接触单元 通过通过INI * add使模型接触使模型接触 注意注意dist的含义的含义 NO merge, NO a

27、ttach!接触面dist1234GeoHohai38 / 77Interface的建立(2)“导来导去导来导去” 利用利用expgrid, impgrid命令进行网格导出与导入命令进行网格导出与导入 配合配合DELETE命令命令 适于内部接触面的建立，或适于内部接触面的建立，或 其他前处理工具建立的网格其他前处理工具建立的网格GeoHohai39 / 77Interface的建立(2)save 1.savdel ran grop 2 notInterface 1 facesave 2.savrest 1.savdel ran group 2expgrid 1.fac3drest 2.savi

28、mpgrid 1.flac3dGeoHohai40 / 77Interface的建立(3)GEN separate INTERFACE wrap 指定正确的指定正确的groupGeoHohai41 / 77Interface参数的确定虚构的为了合并节点而设置的接触面虚构的为了合并节点而设置的接触面 kn=ks=10*真实的刚性接触面真实的刚性接触面 如料仓下料如料仓下料 c,D,Tension重要，重要，kn,ks不重要不重要真实的柔性接触面真实的柔性接触面 断层；断层；水力劈裂水力劈裂材料材料 试验得到参数试验得到参数 对于对于kn,ks：岩石断层：岩石断层10100MPa/m(粘土粘土);

29、 100GPa(岩石岩石) 反分析方法反分析方法：通过断层中岩石的变形与原岩的变形：通过断层中岩石的变形与原岩的变形GeoHohai42 / 77例3：单桩承载力分析软土地基软土地基 bulk 1.6878E6 shear 3.6167E5 coh 15E3 fric 12 dens 1.73E3桩体桩体 bulk 5e9 shear 3.75e9 dens 2.5e30.5m 8m 10m 20m GeoHohai43 / 77计算过程施加桩顶荷载施加桩顶荷载计算结果计算结果GeoHohai44 / 77影响因素水平因素水平因素knksfriccoh1100e100e203.00E+0421

30、0k10g0.7friccoh/0.73kgfric7.50E+03GeoHohai45 / 77计算工况设计 水平因水平因素素工况工况knksfriccoh(1)1111(2)1222(3)1333(4)2123(5)2231(6)2312(7)3132(8)3213(9)3321GeoHohai46 / 77计算结果Ks取取1 Ks取取2 Ks取取3 水平因素knksfriccohRa差异度(1)111137.8%(2)122242.9%(3)133396.9%(4)212337.8%(5)22317.1%(6)231296.9%(7)313254.1%(8)321322.4%(9)332

31、196.9%GeoHohai47 / 77最优方案水平因素knksfriccohk159.2%43.2%52.4%47.3%k247.3%24.1%59.2%64.6%k357.8%96.9%52.7%52.4%极差11.9%72.8%6.8%17.3%最优方案2211102211112222GeoHohai48 / 77合理步骤单桩分析单桩分析简单网格简单网格接触面参数接触面参数多次试算多次试算理论、实测理论、实测加密网格加密网格接触参数接触参数理想结果理想结果群桩分析群桩分析Pile结构单元结构单元单元参数单元参数理想结果理想结果Pile结构单元结构单元单元参数单元参数理想结果理想结果Ge

32、oHohai49 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai50 / 77FLAC3D中的结构单元有限单元有限单元梁梁(beam)单元单元锚索锚索(cable)单元单元桩桩(pile)单元单元 锚杆锚杆: rockbolt壳壳(shell)单元单元格栅格栅(geogrid)单元单元 土工织物；土工格栅土工织物；土工格栅初衬

33、初衬(liner)单元单元beamcablepileshellgeogridlinerGeoHohai51 / 77结构单元的应用土与结构的相互作用土与结构的相互作用 桩基桩基；基坑；边坡锚固；基坑；边坡锚固 地下硐室的支撑结构；采矿；盾构地下硐室的支撑结构；采矿；盾构 土工织物；土工合成材料土工织物；土工合成材料结构不宜复杂结构不宜复杂 岩土工程软件，不宜单纯的结构分析岩土工程软件，不宜单纯的结构分析 复杂结构的模拟很困难复杂结构的模拟很困难 结构单元仍不完善结构单元仍不完善 plot显示 双向接触结构(挡土墙) 结构单元的厚度GeoHohai52 / 77Liner结构单元三节点扁平有限单

34、元三节点扁平有限单元每个节点有每个节点有6个自由度个自由度 3个移动，个移动，3个旋转个旋转能够抵抗膜及弯矩荷载能够抵抗膜及弯矩荷载能够承受主方向的拉压应力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能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用 法向法向切向切向GeoHohai53 / 77例4：隧道与土体的相互作用半圆隧道直径半圆隧道直径3.25m上覆土层厚度上覆土层厚度5m计算范围计算范围3r土体弹性计算土体弹性计算 (K=30MPa, G=10MPa)参数化编程参数化编程 几何尺寸几何尺寸 模

35、型参数模型参数 网格形状网格形状hthbrBGeoHohai54 / 77计算步骤模型网格模型网格初始应力生成初始应力生成施加管片施加管片计算结果计算结果GeoHohai55 / 77管片的连接冷连接冷连接 弯矩和剪力不能直接在环与弯矩和剪力不能直接在环与环间传递，只能通过其相邻环间传递，只能通过其相邻的介质传递的介质传递全连接全连接 相邻的相邻的Liner单元在连接处单元在连接处共用一个节点，连接处重叠共用一个节点，连接处重叠单元不能发生移动或旋转单元不能发生移动或旋转 结点连接结点连接 即结点间的连接在即结点间的连接在6个方向个方向的自由度上用的自由度上用弹簧弹簧来模拟，来模拟，每个自由度

36、都可具有一定的每个自由度都可具有一定的特性特性 通缝拼接错缝拼接GeoHohai56 / 77连接方式的影响变形结果变形结果zr属性更改6属性更改注：变形放大200倍GeoHohai57 / 77例5：结构的动力响应config dynsel pile id=1 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

37、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(np,1,3)=1 nd_apply(np,1)=f0 endif np = nd_next(np) endloopendsolve age 1 pile10000*sin(10*t)GeoHohai58 / 77例5：结构的动力响应GeoHohai59 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dyna

38、mic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai60 / 77FLAC3D流-固耦合分析(单相流)基本功能基本功能理论框架理论框架计算模式计算模式渗流边界条件，初始条件渗流边界条件，初始条件单渗流计算及渗流耦合计算单渗流计算及渗流耦合计算 GeoHohai61 / 77基本功能渗流各向同性、各向异性渗流各向同性、各向异性不同的渗流模型和属性不同的渗流模型和属性流体压力，涌入量，渗漏量和

39、不渗水边界流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界抽水井、点源、体积源抽水井、点源、体积源饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法 非饱和渗流非饱和渗流采用显式差分法采用显式差分法渗流渗流-固体固体-热热的耦合的耦合流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架骨架)的压缩的压缩程度，用程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度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循环荷载引起的动水压力变化和土体液化土体液化GeoHohai62 / 77地下水模拟方法有效应力计算有效应力计算 不耦合不耦合 孔压为了正确计算有效应力孔压为了正确

40、计算有效应力渗流计算已得到孔压分布渗流计算已得到孔压分布 饱和饱和 有水面线的部分饱和有水面线的部分饱和力学变形产生孔压力学变形产生孔压 静力或者动力静力或者动力 不排水孔压或液化不排水孔压或液化流固耦合计算模式流固耦合计算模式 时间比例时间比例GeoHohai63 / 77有效应力计算不设置不设置CONFIG Fluid孔压不改变孔压不改变设置孔压分布设置孔压分布 INITIAL pp WATER table WATER density WATER table face SET gravity手动设置手动设置干湿密度干湿密度设置设置CONFIG fluid设置土体设置土体干密度干密度 渗流模

41、型渗流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null SET fluid offset WATER bulk = 0无渗流模式渗流模式GeoHohai64 / 77不耦合计算CONFIG fluidSET mech off正确的渗透系数正确的渗透系数得到孔压分布和水面线得到孔压分布和水面线稳态渗流可以减小稳态渗流可以减小KfCONFIG fluidSET fluid off正确的流体模量正确的流体模量Kf不需要渗透系数不需要渗透系数单渗流模式单力学模式GeoHohai65 / 77流固耦合计算CONFIG fluidSET fl

42、uid on真实的流体模量真实的流体模量Kf和渗透系数和渗透系数耦合方式耦合方式 D Dp DeDev D D DeDev D Dp计算模式计算模式 手动调整的手动调整的STEP求解求解 主从进程的主从进程的SOLVE求解求解 自动自动STEP求解求解GeoHohai66 / 77流固耦合的计算方法手动调整的手动调整的STEP求解求解SET fluid on mech offSTEPSET fluid off mech onSTEP主从进程的主从进程的SOLVE求解求解SET mech forceSET mech substep n auto (从进程)SET mech substep m(主

43、进程)SOLVE age自动自动STEP求解求解STEPGeoHohai67 / 77渗流问题(CONFIG fluid)分析步骤时间比例时间比例(ts, tc) 稳态稳态 不排水状态不排水状态 相当相当扰动类型扰动类型 力学扰动力学扰动 孔压扰动孔压扰动流固刚度比流固刚度比Rk 是否是否1完全耦合模式完全耦合模式 时间比例相当；力学扰动时间比例相当；力学扰动GeoHohai68 / 77渗流边界条件，初始条件默认的边界条件是不透水边界默认的边界条件是不透水边界 孔隙压力自由孔隙压力自由(不透水边界不透水边界 )固定孔隙水压力固定孔隙水压力(透水边界透水边界) 如：井如：井 孔隙压力，孔隙率，

44、饱和度和流体属性的初始分布可以孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分布可以用用INITIAL命令或者命令或者PROPERTY命令定义。命令定义。 GeoHohai69 / 77例6： 真空预压的模拟孔压边界条件孔压边界条件tstc 长期分析长期分析(排水排水)Rk1 骨架很软骨架很软孔压扰动孔压扰动 进行进行biot_mod调整调整砂层软土层粘土层PVD2m8m10mVacuum.txtGeoHohai70 / 77例6： 真空预压的模拟(movie)GeoHohai71 / 77主要内容软件介绍软件介绍动力分析动力分析 Dynamic Option桩桩-土相互作用分析土相互作用分析 In

45、terface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction学习方法及经验介绍学习方法及经验介绍GeoHohai72 / 77FLAC / FLAC3D的使用心得 很好的岩土工程很好的岩土工程专业专业软件软件 本构模型丰富本构模型丰富 强大的动力分析功能强大的动力分析功能 对内存的要求不高对内存的要求不高 可开发性好可开发性好 FISH C+ 时步受网格尺寸的影响很大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动力计算的时间很长 长期渗流计算的时间很长长期渗流计算的时间很长 前处理功能需提高前处理功

46、能需提高 手册说明仍需完善手册说明仍需完善GeoHohai73 / 77FLAC3D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。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。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少量单元的数值试验帮助理解软件的功能关键变量的参数化编程设计关键变量的参数化编程设计参数参数 模型模

47、型 方法方法(软件软件)由简到繁，循序渐进由简到繁，循序渐进GeoHohai74 / 77FLAC3D的学习方法看看Manual Getting Started基本了解基本了解 Problem Solving with FLAC3D基本使用基本使用 Special Option可选模块可选模块 FISH高级应用高级应用静力计算是一切高级功能的基础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大多计算中问题都来源于初始应力设置不正确 静力静力渗流渗流动力动力(流变、温度流变、温度)不要迷信不要迷信Manual中的例子中的例子 仅为某个特定功能而设定仅为某个特定功能而设定

48、全面了解手册内容全面了解手册内容GeoHohai75 / 77FLAC3D的应用经验得到正确、合理的初始应力状态得到正确、合理的初始应力状态 从从gpfix, fap, prop, szz, pp, state等各方面检查模型等各方面检查模型 具备一定的理论基础和工程经验具备一定的理论基础和工程经验少量网格的试算少量网格的试算 大大减少计算时间大大减少计算时间 量级量级 精度精度学会解释计算结果学会解释计算结果 不要不要“想当然想当然” 理论是计算的基础理论是计算的基础学会处理错误学会处理错误 积累常见错误提示的处理方法积累常见错误提示的处理方法 灵活运用模型检查的命令灵活运用模型检查的命令G

49、eoHohai76 / 77参考文献及资料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.秦建设秦建设. 盾构施工开挖面变形与破坏机理研究盾构施工开挖面变形与破坏机理研究D. 河海大学河海大学. 2005刘波，韩彦辉刘波，韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南原理、实例与应用指南SimWe仿真论坛仿真论坛 D01：FLAC3D/FLAC2D GeoHohai谢谢大家谢谢大家! !敬请大家批评指正敬请大家批评指正! !