岩土工程的数值方法

Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA
二、FLAC3D 和CivilFEM 对ANSYS的CivilFEM是有限元分析程序，用于 高级土木结构工程、重型土木结构工程，重型 土木工程和高风险建筑。CivilFEM是对强大的 ANSYS程序扩充定制的。用CivilFEM与FLAC3D 协力可以创建一个双向连接在预处理期易于模 型的生成（材料、几何图形和网格）。 CivilFEM模型可以输出到FLAC3D 中。在后期处 理期，FLAC3D 结构单元结果可以返回到 CivilFEM中用于进一步的分析。
(3)蠕变分析：八个附加的材料模式可以模 拟粘弹性和粘塑性（蠕变）行为，它们构成蠕 变选项：古典的粘弹性马克斯威尔(Maxwell)模 式，Burger的材料粘弹性模式（薛夫曼模型）， 两元件激励法则，参考蠕变公式（WIPP模型） 工具用于核废料隔离研究，Burger 蠕变的粘塑 性模式，WIPP蠕变的粘塑性模型，激励法则的 粘塑性模型，和(crushed-salt)碎盐晶体基本模 式。FLAC3D网格可以配置成蠕变计算和动态计 算两种方式，但是，两种方式不能同时激活， 因为时步相差太大。蠕变和动态计算在动态/蠕 变分析中固定在一起。
六、一些成果图像
FLAC3D 2.00
Step 19143 Model Perspective 10:38:41 Wed Nov 12 2003 Center: X: 1.923e+002 Y: 1.963e+002 Z: 5.636e+002 Dist: 1.145e+003 Rotation: X: 10.000 Y: 0.000 Z: 200.000 Mag.: 1 Ang.: 22.500
第六章 岩土工程的数值方法
FLAC3D的应用介绍
一、关于FLAC3D FLAC3D 是针对工程进行力学计算的三维 有限差分程序，它可以模拟由土体、岩体或其 它材料组成的结构体的三维表现行为，包括这 些结构体在满足屈服极限后发生塑性流动的行 为。 由于FLAC3D 的应用对象是地质岩土工程 ， 它可以模拟各种不同的地质体材料及其各种不 同的行为模式，因而，广泛应用于斜坡稳定性、 基础工程、矿山开采、隧道工程等等岩土工程 中的数值模拟分析和工程设计。
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA
FLAC3D 2.00
Step 19143 Model Perspective 10:08:58 Wed Nov 12 2003 Center: X: 2.052e+002 Y: 1.927e+002 Z: 5.934e+002 Dist: 1.145e+003 Rotation: X: 40.000 Y: 0.000 Z: 220.000 Mag.: 0.8 Ang.: 22.500
三、在FLAC3D 中进行模型模拟分析流程如下：
开始
模型建立 1.生成网格，定形为需要的形状 2.定义基本行为和材料参数 3.指定边界和初始条件
计算到平衡状态
结果不合理
检验模型的反应
模型合理 完成变化
例如

挖除材料 改变边界条件
Leabharlann Baidu
计算求解
更多测试 检查模型的响应
可以接受的结果 是 需要参数研究
否
3.快速性 FLAC3D运行在所有的Window平台上，命令模式 可以用于标准输出窗口。FLAC3D提供内置的图元图形， 和快速、高分辨的图形能力来加速建模过程。求解参 数可以由用户指定，让用户可以在最大程度上控制持 续时间、长度和模型运行的效率。通过FLAC3D的强有 力的内建语言——FISH，用户可以进行附加的控制和 专用定制。 4.检验性 FLAC3D已经应用了七年，应用于工程、咨询和 大学教育和研究之中。FLAC3D目前的使用许可遍布42 个国家，超过500用户，使它成为世界上应用最广泛 的岩土工程分析的三维数值建模工具。
环境发展的变迁建模和分析； 设计和评估土和地下水的补救措施； 补救措施和相关费用的最优化； 有助于对首选补救措施进行适应性调整和变通； 模拟地质化学退化，计算自然事件和人造有机物 的衰减腐败率； 开发和检查计算程序，用于地质化学过程和在土 与含水系统中溶解运移的建模； 发展水文地质概念模型，用于地质、水力和地质 化学系统中相互作用的解释和预测。
五、贵州构皮滩水电站右岸引水洞边坡三维分析建模的说明 1.立体图形和网格剖分 整个立体模型由241个四方体、棱锥体、四面体等基本图形定形而成， 并网格化为52056个单元和54901个网格节点。 2.材料行为模式和参数取值 引水洞边坡的力学行为均定义为莫尔库伦模式，即材料的强度特征 符合莫尔库伦理论：岩体材料是在剪切荷载作用下发生变形和屈服破坏，且 屈服应力仅取决于最大主应力和最小主应力。 根据地质资料和模型分析需要，将边坡岩层概化：倾向为305°，倾 角45°，四个不同参数层。将这四个有不同参数的材料层各自定义命名为一 个域，以便分别进行参数赋值和调整。 在莫尔库伦模式中，需用的参数有：质量密度、体积模量、剪切模 量、抗拉强度、内摩擦角和内聚力。体积模量和剪切模量根据地质报告中的 岩石的弹性模量和泊松比计算求得，其余参数均参考报告中相关数据所得。 需要注意的是，由于岩石和岩体力学参数的非均质性和差异性，所有的参数 均取波动范围内的低值进行试算和运行。 3.模型边界条件和初始条件 在模型的南北边界上应用y方向上的固定位移条件，在东西边界上应 用x方向上的固定位移边界，在基底上应用固定边界。 地质资料没有提供初始的构造应力条件，因而，假定模型的初始应 力是由岩体自重引起的，可以分为有垂向和水平向初始应力
（一）、FLAC3D 的特点 1.灵活性 FLAC3D 是连续（介质）体程序，用于在岩土、 市政和采矿工程的分析、测试和设计。FLAC3D有很大 的应用范围，因为它的分析潜力不仅仅限于特定问题 的定义或分析的类型。FLAC3D 的设计适用于任何岩土 工程项目所需的连续体分析。 2.强大性 FLAC3D 是准确和有效的岩土分析工具，它采用 显式有限差分公式。FLAC3D可以模拟许多不宜用FEM 程序的复杂综合性行为，诸如：由几个阶段组成的问 题、大位移和大应变、非线性材料行为和不稳定系统 （甚至在大面积上发生屈服/失效或者全部倒塌的情 况）。
5.可选择性 (1)动态分析：用这个选项，可以完全模拟时域中 系统的动态反应。FLAC3D 标准性质所增加的能力包括： 指定的加速度、速度或应力波输入，静止边界，自由 场条件，衰减，液化建模，和完全动力结构公式。此 外，动态选项可以用于联合地下水流模型进行完全耦 合分析。动态选项用非线性法则和适当塑性公式—— 通过对材料、频率、位移和损害等方面认可的自然描 述，提供一个动态系统的准确观察。 (2)热力学分析：热力选项允许对材料的热瞬间流 动以及热力引起应力的后续发展进行建模。用该选项， 模型可以独立运行，或者与机械应力计算或孔隙压力 计算联系起来，在静态模式或动态模式任意一个中。
（二）、工作的范围 设计和进行原位调查，包括土和地下水的采取 样和分析； 设计和实现地下水和渗流区监测程序； 评价、分析和解释化学和水文地质数据； 开发和管理化学和水文地质数据库； 测试含水层和渗流区，评估水力参数； 评估当地和区域地下水和地表水的运动和灌抽 关系； 地下水流的数值化模型； 绘制土和地下水污染地图，并确定污染源；
(4)用户定义的基本模式： 用户定义的基 本模式现在可以用C++编写，并编译为DLL （动态连接库）文件，它们在FLAC3D 模拟需 要的时候加载上。DLL模式的运行与内置模式 的速度一样。用Visual C++ 6.0版本的编译器来 编译DLL文件。对所有FLAC3D C++ 模块的源 文件都提供给用户，相同的DLL 也被FLAC和 即将到来的3DEC 和UDEC所采用。这样，一 个用户定义的单个模块可以被好几个Itasca程 序利用。
Contour of SMax
Gradient Calculation -1.3757e+006 to -5.0000e+005 -5.0000e+005 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0000e+005 5.0000e+005 to 1.0000e+006 1.0000e+006 to 1.5000e+006 1.5000e+006 to 2.0000e+006 2.0000e+006 to 2.5000e+006 2.5000e+006 to 3.0000e+006 3.0000e+006 to 3.5000e+006 3.5000e+006 to 3.5463e+006 Interval = 5.0e+005
Contour of cohesion
Gradient Calculation 1.6929e+008 to 3.0000e+008 3.0000e+008 to 4.0000e+008 4.0000e+008 to 5.0000e+008 5.0000e+008 to 6.0000e+008 6.0000e+008 to 7.0000e+008 7.0000e+008 to 8.0000e+008 8.0000e+008 to 9.0000e+008 9.0000e+008 to 1.0000e+009 1.0000e+009 to 1.1000e+009 1.1000e+009 to 1.2000e+009 1.2000e+009 to 1.3000e+009 1.3000e+009 to 1.4000e+009 1.4000e+009 to 1.4255e+009 Interval = 1.0e+008
结 束
四、地质（岩土）工程建模的一些特点 地质工程的模型化过程不同于一般金属材料的分析计算， 这是由于在地质工程中，通常只有很少的原位测试数据，而且 变形和强度等设计参数的取值范围变化很大，有时想要获取岩 土体内某处的原位数据也是不可能的。因而，在进行设计分析 时，模型系统的输入数据是极为有限的，这样，岩土工程中力 学数值分析的主要作用是理解影响和控制着模型系统行为的控 制性的力学机制。我们一旦理解了系统的行为原因，可以通过 直接的计算来完成设计过程。 可见，由于在模型数值模拟中的输入数据中存在着大量 的不确定性，使得希望模型可以提供设计数据（如，预期位移 等）是无益的。这时，数值模型的作用是刻画特定的实际系统 的力学机制，并由模型的力学行为来洞察和领会工程设计。 当然，如果有大量的原位测试数据可以利用，通过建立 全面综合性的模型进行计算，可以直接获得设计所需要的数据 信息。