FLAC3D的实例应用分析

1.2、FLAC3D的求解过程
对所有的网格节点 速度 平衡方程 (动量方程)

i ij du gi dt x j
节点力
Gauss定律
单元积分
对所有单元 应力—应变关系 (本构模型)
应变率
. . 2 ij : ij { ij ( K G ) e kk 2G eij }t 3
3.2 、FLAC3D基本称谓
节点 结构单元 模型边界 水平应 力边界
单元
水平应力 边界
内部边界
位移边界
FLAC3D 3.00
Settings: Model Perspective 08:46:55 Sat Jul 29 2006
121
Center: Rotation: X: 2.000e+000 X: 25.000 Y: 2.000e+000 Y: 0.000 Z: 2.000e+000 Z:5 40.000 12 124 120 Dist:1 1.486e+001 Mag.: 0.64 23 119 115 122 118 Ang.: 22.500 11 4
沈阳站地表建筑图
沈阳站 纪念碑 沈铁大旅社 中华路
沈阳站剖切模型图
地下结构模型图
Z
Y
X
Z Y X
Z
Y
X
开挖后地表土体位移分析
Z向位移
X向位移
Y X
Z
Y
Y向位移
Z X
Y
Z
X
基坑开挖后围护结构分析
主应力矢量图
围护结构水平位移图
0
-10
Z
-20
X0
Y
10 20 30 40 50 60 70 80
Axes
86
101 82 80
50 49 49 36 35
Linestyle
77 78 76
45 41
来自百度文库59
71 66 61 43
37 29 33 25 33
57 55
34 20 19
52 33 41 31 21 23 6 51
53 15 11
19
13 9
21 17 5 17
18 4 3
17 7 13
二﹑FLAC3D应用实例 三﹑FLAC3D软件应用 四﹑FLAC3D模拟技巧
2.1、老虎台矿开采诱发矿震的力学机理分析

地质条件
F1
F26
F18
F25
F7-1
E5200剖面图
老虎台矿开采历史
老虎台矿自1907年开始开采，至今已有近百年的开采历史。
矿震事件统计
1988年1月至2000年5月，随着老虎台矿开采深度增大和向 断裂构造逼近，矿震频率和震级都呈上升趋势，平均每月 发生矿震52.2次，远远超出了抚顺地区天然地震的数量， 最大震级达到3.6ML。
剖面图
700m 280m
杨 吕 寨
420m 750m F7
51
300m 430m
4F204
51
706m
4F206
63.5
4F105
54
2000m
中央条带两翼长壁开采方案
150m
80m
150m
三维计算模型图
1800 m
F7 4F105 4F206 4F204 1500 m
650 m
中央条带两翼长壁工作面开采后地表下沉
矿震震级 (ML) 矿震数目 (次) 5721 1675 298 63 19 7776 11.5 1.62.0 2.12.5 2.63.0 3.13.6
合计
矿震震级、频度与时间特征
计算模型
F1-A F1 F16 F18
F26 F25
1100m
F7-1
z y x 3800m
3000m
1999-2000
200 400 600 800 1000 1200 1400
x(m)
x(m)
(a) X-方向
(b) Y-方向
2.4 综放采场围岩应力分布与稳定性研究
600m
500m
三 维 模 型
314.17m
模型剖面图
走向剖面
314.17m
500m
倾向剖面
600m
314.17m
综放工作面煤层内垂直应力分布三维视图
E5200
E6000
破坏场发展趋势
~1992
~2000
1999-2000
E5200
E6000
近断层岩体的动力学响应
0.9
（井田西部）
Shear Disp., mm
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 7.8
3
(1992-2000)
78001-1
F25断层露头
8.0
1.1、有限差分法
h f f1 f 0 h x 0 2
2
f x 2
2
0
y
12 8 11 3 7 4 0 2 10 h 5 1 6 9
h
h f f 2 f 3 f 0 h 2 x 0 x
beam
cable pile
shell
geogrid
liner
1.5﹑FLAC3D接触单元
接触单元原理
1. 三角形单元(无厚度!) 2. 三种工作模式 a. 粘结界面 b. 粘接滑移 c. 库伦滑动
1.6、FLAC3D界面介绍
命令栏
1.6、FLAC3D界面介绍
图形显示窗口
提
纲
一﹑FLAC3D软件简介
Z 4 Y 3
1
Z
9
2 1
X 2
Y
1
X
节点
单元
3.3、基本单元生成
1﹑FLAC3D软件简介
4. 采用“混合离散法”用以精确模拟塑性坍塌和塑性流动。 这种方法比有限元法中采用的渐进迭代更为有效。 5. 采用全动力运动方程，即时对于静力问题也是如此。这使 得FLAC3D能够没有任何障碍地模拟物理不稳定性问题。 6. 采用显示求解方式（与常用的隐式方法比较）。显示方法 在求解非线性问题的（应力－应变关系）时间几乎等同于 线性关系问题，而隐式算法可能花费很长时间，因为它并 不需要储存任何矩阵，因此，不需要修改刚度矩阵，这就 意味着：（a）具有中等内存的计算机能够采用较多的计 算单元模拟；（b）模拟大应变问题比小应变问题几乎不 多花计算时间。
2.2 程潮铁矿主溜井特大塌方治理
24 m
N
措施井
1# 主 溜 井
2# 主 溜 井
西风井
1#、2#主溜井的布置图
“托斗法”法方案主视图
“托斗法”方案局部剖视图
加固前后主溜井围岩位移矢量场
卸矿水平剖面
加固前
加固后
加固前后主溜井围岩位移矢量场
卸矿井筒剖面
加固前
加固后
2.3 鹤壁四矿村庄下厚煤层特殊开采
0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
x(m)
中央条带两翼长壁工作面开采后地表水平变形
1600
mm/m
10 8
1600
mm/m
12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -6.0 -8.0 -10.0 -12.0 -14.0
1400
1800
mm
1600 0 1400 -500 -1000 -1500 1200 -2000 -2500 1000 -3000 -3500 -4000 800 -4500 -5000 600 -5500 -6000 -6500 400 -7000
y(m)
200
W(max) = -6507.68(mm)
限制应用的材料： 具有低摩擦角的软土介质 松散和粘结的颗粒材料； 土质、岩石和混凝土 应变硬化或软化的非线性 颗粒介质 显现为强度各向异性的 薄层叠合结构材料 表现为非线性硬化或软化的 层状材料
加载低于强度极限下的 柱状玄武岩 加载低于极限强度的 层状结构体 同隐式有限元程序通用的模型
一般岩土力学 （如边坡稳定性和地下开挖） 研究峰后破坏特性 （如渐进蹋落、矿柱屈服、冒落） 在密集层理地层中的开挖 研究层状材料的峰后破坏特性 土体介质中的岩土结构
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6
Step
(1992-2000)
2.5
Shear Disp., mm
78001-1
2 1.5 1 0.5 0 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 Step
F25断层-200m
近断层岩体的动力学响应
Shear Disp., mm
横观各向同性弹性模型 德鲁克－普拉格模型
摩尔－库仑塑性模型 应变硬化/软化摩尔－库仑模型 遍布节理模型 双线性应变 硬化/软化遍布节理模型 修正的Cam粘土模型
变形和剪切强度是体积变量函数 的材料
1.4、FLAC3D结构单元
结构单元类型 1. 梁(beam)单元 2. 锚索(cable)单元 3. 桩(pile)单元 4. 壳(shell)单元 5. 格栅(geogrid)单元 土工织物；土工格栅 6. 衬砌(liner)单元
提
纲
一﹑FLAC3D软件简介 二﹑FLAC3D应用实例
三﹑FLAC3D软件应用
四﹑FLAC3D模拟技巧
3.1、建模与模拟过程
基本步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
根据研究目的对实际模型进行构思与概化，计算模型 所涉及的复杂程度取决于研究目的。 根据工程影响区域确定计算模型的尺寸, 单元类型的 确定、网格划分，形成计算网格。 安排工程对象（开挖、支护等）。 输入力学参数 。 确定边界条件 。 进行模拟计算。 结果分析 。
117 112 113 106 111
3.3 、FLAC3D节点与单元编号
64 63 62
110 109 107 105 103
60 59 56 55 54 51 50 52 51 52
61 57 61 57
84
58
116
108
Block Group 1 0 4
102 None
53 49 53
96 91
（井田西部）
F25断层-400m
20 15 10 5 0 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6
(1992-2000)
78001-1
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6 Step
30
(1992-2000)
25
Shear Disp., mm
F25断层—煤层 （-595m）
78001-1
20 15 10 5 0 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 Step
新的应力
1.3、FLAC3D本构模型
1. 开挖模型null 2. 3个弹性模型 a. 各向同性弹性 b. 横观各向同性弹性 c. 正交各向同性弹性 3. 8个塑性模型 a. Drucker-Prager模型 b. 双线性应变硬化/软化遍布节理模型 c. Morh-Coulomb模型 d. 应变硬化/软化模型 e. 遍布节理模型 f. 修正剑桥模型和胡克布朗模型
1400
1200
6 4
1200
1000
2 0
1000
y(m)
800
-2 -4
y(m)
800
600
-6 -8
600
400
-10 -12
400
200
Ex = (-11.8236,11.3979)(mm/m)
200 400 600 800 1000 1200 1400
200
Ey =(-12.8346,12.839) (mm/m)
2 2
0
x
f f3 f 1 2h x 0
2 f x 2 f1 f 3 2 f 0 h2 0
f f2 f4 y 2h 0
2 f 2 y
f2 f4 2 f0 h2 0
沿煤层走向综放工作面中部围岩主应力场
140.8m
老顶岩层
采空区
沿煤层倾斜剖面工作面前方150m围岩主应力 场
沿煤层倾斜剖面工作面前方15m围岩主应力 场
沿煤层倾斜剖面工作面处围岩主应力场
沿煤层倾斜剖面工作面后方200m围岩主应力 场
2.5﹑沈阳地铁沈阳站施工力学行为分析
沈阳地铁一号线线路图
主讲：王金安
教授
提
纲
一﹑FLAC3D软件简介 二﹑FLAC3D应用实例
三﹑FLAC3D软件应用 四﹑FLAC3D模拟技巧
1﹑FLAC3D软件简介
1. FLAC3D——Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions 2. FLAC3D建立在拉格朗日算法基础上，采用有限差分显式算 法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从 而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究岩土工程设计 是非常重要的。 3. FLAC3D适用模拟计算岩土材料力学行为，特别适合模拟大 变形和扭曲，包括材料的高度非线性(应变硬化/软化)、不可 逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变)、孔隙介质的应力—渗流耦 合、热—力耦合以及动力学问题等。
1.3、FLAC3D本构模型
模型 开挖模型 弹性模型 正交各向同性弹性模型 代表性材料 空区 均质、各向同性、连续介质 线性应力应变关系 可能应用范畴 孔、开挖体、嗣后充填体 制造材料（如钢）；加载低于极限强度； 安全系数计算
具有3个相互正交轴方向上 弹性介质 显现为各向异性弹性 薄层叠合结构材料