FLAC 5.0介绍

2.4 与其他软件的对比
FLAC3D 与其他软件如 ABQUS 和 MIDAS 等的对比是广泛讨论的问题之一，总 体体，对于常规性的一般问题而言，这些商业软件之间的差别不大。FLAC3D 的 优势体现在通用性和解决复杂问题的能力， 前者指适合于不同行业绝大多数岩土 体工程问题的需要，应用广度大（尤其是与 MIDAS 相比） 。后者体现了 FLAC3D 的专业优势和技术能力， 其根本是开发团队世界领先水平的强大技术积累，这方 面的具体优势即为上面叙述的程序独特能力，主要包括： 解决大变形问题的能力：能够有效模拟岩土体介质可能出现的大变形， 甚至是宏观上的破坏现象，如矿山崩落开采导致的地表沉陷等； 追踪破坏发生、发展过程的能力：直观表达破坏形态和发生过程，更直 接地揭示现实问题； 非连续力学问题处理能力：界面单元、遍布节理模型、以及 DFN 等手段， 满足不同研究对象的需要； 特定问题的解决能力：既包括针对动力、渗流、流变等不同力学问题开 发的功能模块， 也包括针对特定工程需求如崩落法开采开发的模拟能力。
图 4 是 FLAC3D 复杂地下工程应用的典型实例，是目前其他软件如 ABQUS 和 MIDA 所不具备的能力，揭示了深埋（970-2500m）大型矿体（宽度 1100m） 崩落开采导致的地表崩落和错落范围，用以评价矿山布置合理性。该实例的难点 包括： 大范围模型的高精度求解：由于矿体规模巨大，包括矿体的该模型长、 宽、高分别为 16km、8km 和 2km，而研究内容中包括井巷稳定（参见图 5） ，后者的断面尺寸为数米； 崩落过程与地表沉陷变形的直观模拟：矿体开采导致顶板围岩崩落高度 超过 1000m，研究中通过模拟崩落发生和发展过程，可靠地揭示了地表 崩落区和错动区轮廓线，直观地评价矿山布置设计的合理性。注意左下 的剖面图直观展示了地表沉陷区的形态。
图 2：基坑变形和支护受力的 FLAC3D 计算
2.2 地下工程
地下工程围岩稳定和支护安全评价是 FLAC3D 的常见应用领域，FLAC3D v5.0 新增的通过二维和三维 CAD 图形建模技术 （内置或外接 Kubrix） 为快速模拟复杂 硐室结构形态提供了强大的技术保障，软件大变形、深埋高应力破坏、支护安全 性等都属于 FLAC3D 的传统优势研究方向。

用户特定项目的技术指导：Itasca（武汉）咨询公司专家具备为全世界范 围内矿山、石油、水电、工民建等行业 100 多个复杂专题问题的研究经 验，具有国际一流水平的软件应用能力。对于用户遇到的复杂问题，鼓 励以委派技术人员带项目的方式到 Itasca 公司所在地接受技术指导，确 保在最有效地完成项目的同时，掌握专题性复杂问题的高级分析技巧。 该公司已经为中南大学、南京大学、黄河水利委员会、水电顾问集团成 都勘测设计研究院、 广东省电力设计研究院等机构提供了这类技术服务。
图 5： FLAC3D v5.0 中对 CAD 模型进行“喷涂”处理以后的效果
图 5 表示了 FLAC3D v5.0 与 CAD 交互技术在成果后处理时的应用， 该图是图 4 所示实例的延续，采用颜色差异表示竖井安全度的不同。其中竖井的安全评价 采用岩石力学专业研究成果，即认为沿竖井每米长度允许出现不超过 1mm 的变 形。

普通入门培训：完成软件销售以后提供，为没有应用经验的用户了解产 品和上手应用提供必要的培训；

日常性技术支持：新用户在技术支持期限内（1 年）就应用过程遇到的 相关问题通过电话、邮件等提供技术支持；

集中性专题培训：即 Itasca 不定期举办的培训班，定位于具备一定经验 的中级用户，突出如何利用软件解决某一类工程问题，如岩质边坡、深 埋地下洞室等。迄今为止，该公司已经独立地、或者与相关机构（如中 国岩石力学与工程学会、中科院岩土所、同济大学、四川大学、大连理 工大学）合作开展这类培训活动；
图 6： FLAC3D v5.0 中新增的 DFN 技术可以在一定程度考虑随机节理网络的影响
当 FLAC3D 在应用于分析评价节理岩体问题时遇到的基础性问题是如何处理 随机节理网络，传统的方法是等效折减岩体参数、如 Hoek 的参数取值方法，这 一处理方式适合于裂隙发育相对均匀、从宏观角度把握问题的情形。在 FLAC3D
中还包括其余两种处理方式，如遍布节理模型和 v5.0 中新增的 DNF 功能，前者 适合于某一种节理处于优势地位导致的各向异性问题， 后者则根据每个单元中所 包括的节理数目和方位等其力学特性进行等效处理， 能够同时体现结构面导致的 各向异性和不均匀性问题等， 是采用连续力学方法等效处理非连续问题的最新进 展。
2.3 高级应用
与早期版本相比，FLAC3D v5.0 在很多环节出现了很大的变化，比如改进的 多线程计算功能更好地利用计算机能力，加快计算速度；强化与 CAD 技术的结
合，提高建模能力和成果展示水平；增加基于 Hoek—Brown 强度准则和工作方 法下的相关本构模型进一步强化专业能力；嵌入的 DFN 技术极大程度拓展了 FLAC3D 在岩体工程的应用空间。
3 技术支持与售后服务
Itasca（武汉）咨询有限公司是 Itasca 集团在华设立的外商独资公司，全权负 责 Itasca 在华业务。与其他任何相似类型软件供应商所不同的是，Itasca（武汉） 咨询有限公司业务内容包括开发、应用、和销售。其中开发和应用营业收入超过 销售收入，强大的技术能力为软件的技术支持和售后服务提供强大保障。 在成立 Itasca（武汉）咨询有限公司之后，Itasca 集团向中国委派了两名高级 技术人员（均获得博士学位和 20 年以上的工作经验） ，分别负责科研应用、软件 开发两个方向。Itasca 提供的售后服务方式包括：
图 3：复杂条件下地下硐室围岩稳定和支护安全评价
图 3 表示了 FLAC3D 在地下工程的应用实例，其主要技术特点是： 硐室结构相对复杂，如异性硐室形态的交叉； 深埋软件大变形，应用了 FLAC3D 处理大变形问题的能力；

支护计算，尤其是支护（锚杆、喷层）和围岩的相互作用。
图 4： FLAC3D 应用与评价崩落矿山开采导致的地表变形
4 附录
4.1 FLAC 基本原理
拉格郎日方法是一种数学方法， 与传统有限元程序中采用大型线性方程组求 解偏微分方程对应地， ITASCA 软件中采用了拉格郎日逼近方法求解岩土介质的力 学关系，这种方法最早被使用在 UDEC 程序中，后来针对连续介质开发出专门的 二维和三维程序，即 FLAC 和 FLAC3D。 FLAC 系列软件主要用于描述连续介质系统应力—应变关系的数值分析系统， 其二维和三维程序分别于 1982、1994 年推出，该系列软件的设计初衷是解决采 矿工程中出现的边坡及其巷道围岩稳定性及支护评价分析，之后又陆续在 Itasca 所参与的岩土工程咨询项目中采用过这些软件，经过一系列工程实践检验后，系 统被正式投放到国际市场实现商业化，经过三十余年的发展，FLAC 系列软件已 经在世界范围内拥有庞大的用户群，应用行业和领域也非常广泛。中国大致在上 世纪 90 年代早期出现 FLAC 系列软件的应用报道，随着国内用户对 FLAC 系列软 件的深入认知，该系统已经拓展到岩土工程、采矿工程、水利工程和铁道工程等 领域，对岩体力学科学研究及其设计起到重要的辅助作用。 从数值计算和计算岩石力学的角度来讲，FLAC 系列软件的基本原理即是通 过几何拓扑理论将二维、三维空间内的岩土体结构离散成由四边形（FLAC）或六 面体（FLAC3D）单元组成的差分网格集合，并利用高斯积分、线性插值方法将 每个差分网格的质量（m） 、内部应力和外部荷载形成的不平衡力（F）向相邻网 格点平均， 由此便可以在每个网格节点处建立牛顿第二定律控制性方程 F=ma （其 中 a 为网格节点加速度） ，再基于微分算法对加速度 a 项进行离散化，以单位时 间内网格节点的速度变化率来表示， 最终将网格节点处的牛顿第二定律转化成由 网格节点速度所表达的中心差分型（显式）控制性方程。FLAC 系统对这些节点 差分型控制性方程进行迭代求解过程中，为了保证数值算法的完备性，程序强制 求解过程中每隔一定迭代步即进行一次网格单元之间内部变量信息的传递， 完成 不平衡力和网格位置更新，进入下一轮循环。 图 7 概述了 FLAC 基本计算原理，其中特别强调某一迭代过程不同数值对象 （节点 gridpoint 或单元 zone）所遵循的求解序列，简单概括为：
1 基本情况
FLAC3D 是 Itasca 国际咨询集团公司开发的若干软件之一，最早的开发目的 是满足矿山行业复杂岩石力学问题分析，因为软件一些独特的能力和功能，随后 被迅速地应用于分许几乎所有相关行业的复杂岩体工程问题， 是目前国际上岩土 工程界应用最广泛、功能最强大的专业软件之一。 FLAC3D 的技术优势建立在开发团队基础上， Itasca 是世界上岩体工程领域的 高科技机构，公司员工在英国、美国、瑞典、加拿大等国际拥有 5 席院士席位， 1 人次任国际岩石力学学会主席，2 人次任国际岩石力学学会副主席，强大的技 术团队保障了技术产品的先进性和完善性。 Itasca 是目前世界上唯一集“科研、开发、应用”于一体的科技机构，FLAC3D 的开发需求首先来源于公司自身从事工程科研设计工作的需要， 且由岩土工程专 业人员主持开发，工程实用性强、针对性突出是该软件产品的最大特色之一。其 独特的技术能力和功能包括： 采用显示差分求解方法，解决传统有限元线性方程组求解时在复杂条件 下计算不收敛问题。在工程应用中表现为能够方便地解决大应变和大变 形问题，避免在解决大变形问题时传统有限元方法经常遇到计算不收敛 后无法获得成果的局限； 能够追踪、记录、和展示破坏发展过程，清晰揭示破坏发生的时间、部 位、和演化历程，避免数值计算数据应用于工程应用存在的依据不清、 针对性不强的问题； 非连续力学行为模拟：土体和支护之间界面往往是工程中关心的对象， FLAC3D 采离用散元理论元方法的界面单元（Interface）直接模拟其非连 续力学行为；而对岩体中的断层，则采用内置的裂隙网络（ DFN）技术 等效模拟其工程影响； 专业和丰富的岩土体本构：专业技术能力强大是所有 Itasca 数值计算软 件的重要特点之一。 FLAC3D 系列软件几乎植入了岩土体领域内全部成 熟、 广泛应用的材料本构模型。模型按照计算模式区分可以分为四大类： 静力模型、动力模型、蠕变模型、和地下水模型。特别地，FLAC3D v5.0
中针对岩体结构面增加的遍布节理模型和三维裂隙网络模拟技术、以及 针对矿山崩落法开采开发的 HoekCave 本构模型等， 体现了新版软件专业 能力上的国际前沿地位； 多种岩土体加固措施（结构单元技术） ：结构单元技术是 FLAC3D 软件一 大特色，具备真正意义上的岩土体-结构耦合分析能力，结构单元和岩土 体之间可以实现协调变形、和非协调变形两者模式，后者对应于现实中 锚杆系统内注浆层破坏导致杆体与围岩错动变形、或混凝土隧洞衬砌破 坏和围岩体脱离等屈服现象。 FLAC3D 系列软件提供丰富的支护结构模拟 形式，如锚杆/索、桩结构、梁结构、和衬砌结构单元等。
2 功能与应用情况
2.1 地表工程
FLAC3D 被广泛应用于岩土地表工程的变形和稳定分析，包括土坝、边坡、 基坑等，这里列举 Itasca 完成的两个工程实例，说明 FLAC3D 具备的强大功能。
图 1：考虑渗流场的地震条件下土石坝坝体变形稳定性分析
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图 1 上图为矿山尾矿坝的应用实例， 技术难点为流—固耦合与地震动力响应 的联合分析， 计算工程中在模型底版施加真时间历程地震波，在模拟地震波在坝 体内传播的同时， 计算孔隙水压力变化 （右上曲线） 及其对坝体变形稳定的影响。 图 2 是地表基坑与基础工程的 FLAC3D 应用实例，其中的左上为计算模型， 同时模拟了多个土层结构和基坑设计开挖形态， 包括右上所示的基坑支护结构和 桩基础形态。 下图则显示了计算结果，左下和右下分别为基坑开挖导致的土体变 形、以及变形引起的支护受力情况。