工程地质数值模拟的基本理论与应用

工程地质数值模拟的基本理论与应用以FLAC3D数值模拟为例TakeNumericalSimulationofFastLagrangianAnalysisofContinuaInThree-DimensionsForExampleThebasictheoryandapplicationofnumericalsimulationofengineeringgeology汇报提纲主要的工程地质问题工程地质数值模拟的特点、方法与软件选取工程地质数值模拟的一般步骤FLAC3D数值模拟的理论基础与实例边坡工程命令流介绍工程地质问题边坡工程（岩质边坡、土质边坡）（边坡稳定性评价、治理、远程监控）地下洞室（围岩强度与变形）地基变形与强度工程地下水问题区域稳定性工程地质数值模拟的特点可以考虑非均质、不连续、各向异性的复杂岩土介质的工程地质问题。岩土介质变形及其性质随着时间变化的工程地质问题可以考虑复杂边界条件下的工程地质问题数值模拟的结果可能精度不高或者不准确，但是却能揭示工程地质现象和本质，指导实践。综上所述可以解决传统解析无法描述或者可以描述却难以获得解析解的问题连续介质的相对性与唯一性工程地质数值模拟的方法与软件有限差分法FLACFLAC3D有限单元法ANSYSADINA边界元离散元UDEC不连续变形法DDA连续介质不连续介质工程岩体是否连续取决于岩体结构和工程的尺寸工程地质数值模拟的一般步骤①工程地质条件调查（六大工程地质条件、岩体结构分类、室内外试验、变形破坏模式）②建立工程地质概念模型（三维地质结构空间组合特征及其工程地质岩体分组、计算范围、地质边界条件、控制工程稳定的断裂与软弱带、水文地质条件）③建立力学模型（本构模型）④建立数值计算模型（建模、本构模型、边界条件、参数）⑤数值计算结果可靠度分析（实测与模型对比）FLAC3D数值模拟的理论基础-软件介绍该程序是由美国ITASCA公司开发的一种基于连续介质的三维显式有限差分数值分析方法,特别适合于模拟岩土类材料和各种支护结构的三维力学行为。将研究对象离散为若干六面体单元,每个单元在给定的边界条件遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法。在有限差分公式中包含运动项的动力方程，这样可以保证被模拟的物理系统是在非稳定的情况下，有限差分数值解仍有稳定解，比如顶板岩层的断裂和煤柱的突然垮塌。采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，非常适合于模拟大变形问题FLAC3D数值模拟的理论基础-主要模块五种分析模块：包括静力分析、渗流分析、蠕变分析、热分析、动力学分析五个模块，还可完成孔隙介质的应力—渗流耦合、热—力耦合等各模块间的耦合分析功能等。十种材料模型：1个空单元模型，模拟隧道及硐室的开挖和煤层的开采等。3个弹性模型（各向同性弹性、正交各项同性弹性、横观各向同性弹性材料）6个塑性模型（莫尔-库仑准则、D-P准则、应变软化/硬化材料、遍布节理材料、双线性屈服塑性材料、修正粘土塑性材料）多种结构单元：砌衬喷层单元、锚杆单元、梁单元、桩单元、护坡格构等;界面单元模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开等行为。FLAC3D求解方法-有限差分法3222,,,,,,13222,,,,,,1hoxfhxfhffhoxfhxfhffksrksrksrksrksrksr3,,1,,,,1,,22hohfffxfksrksrksrksrr,s,kr-1,s,kr+1,s,kh（2）（1）式（1）-式（2）得一阶中心差商公式：x方向同理可求的y方向，z方向差商公式FLAC3D求解原理（摩尔-库伦本构模型）运动方程几何方程本构方程屈服准则3个方程6个方程pijeijijddddtdvfxiijijijjiijxuxu21132sfNcN3ttf6个方程►首先将空间离散化，接着下面的微分方程用有限差分法变为可求解的代数方程。流动法则13sgN3tgFLAC3D求解过程应力速率运动方程针对节点本构方程针对单元高斯散度定理应变率节点力虚功原理,ijijVSvdVvnds4()()()116lllllijijjilvnvnSVFLAC3D数值模拟的理论①在概念模型的基础上建立三维工程地质计算模型（建模要等效性）②生成初始应力场（初始条件）③选取合理的本构关系（描述应力、应变、时间之间的关系和变形与强度的递进关系）④选取边界约束条件（求解本构偏微分方程）⑤FLAC3D求解过程⑥数值计算可靠性（参数识别与校正）FLAC3D数值模拟的理论-建模与剖分网格建模方法(建一些简单的模型）内置fish语言建模（通过C++编程来实现）其他软件导入建模（其他软件建模通过接口程序导入）基本网格的特征网格生成器内置13种基本形状网格块形网格•genzonebrickp0000p1800p2010p3608p4810p5618p6808p7818size818group全风化花岗岩边坡模型genzonebricksize5,6,7p0-10,-10,-20p110,-10,-20&p2-10,10,-20p3-10,-10,0内置fish语言建模借助surfer和c++其他软件导入FLAC3D数值模拟的理论-初始应力场岩土体处在三向地应力中，是自重应力与构造应力的叠加。不考虑构造应力的条件下地应力可用以下公式表示：vh1ghv初始应力生成方法-弹性求解法•resmoxing.sav调用建好的模型•setg00-10重力加速度•modelas弹性本构模型•propdens1900bulk1.04E+07shear3.73E+06rangegroup6•propdens1850bulk1.53E+07shear6.25E+06rangegroup5•propdens1800bulk1.47E+07shear5.64E+06rangegroup4•propdens1900bulk2.92E+07shear1.35E+07rangegroup3•propdens1950bulk6.82E+07shear3.52E+07rangegroup2•propdens1950bulk8.96E+07shear4.72E+07rangegroup1•fixxyzranz-49.9-50.1•fixxranx174.9175.1•fixxranx-74.9-75.1•fixy•hisunbal记录不平衡力•solve求解•saveyingli.sav保存初始应力文件物理力学参数边界条件参数分组FLAC3D数值模拟的理论-初始应力场竖直自重应力（Z方向）命令流：plotconszzFLAC3D数值模拟的理论-初始应力场水平自重应力(Y方向）命令流：plotconsyyFLAC3D数值模拟的理论-初始应力场水平自重应力(X方向)命令流：plotconsxx选取合理的本构模型本构方程是应力、应变、时间之间的数学表达式。弹性（线弹性、非线弹性）弹塑性（摩尔-库伦、德鲁克-普拉克等）蠕变模型（Burgerc材料粘弹性材料等）本构模型建立了变形与破坏之间的递进关系，体现了变形与破坏之间的内在统一关系，破坏是变形的最终产物。选取边界约束条件（求解本构偏微分方程）总共有三种边界条件位移边界应力边界混合边界(位移边界和应力边界都有）FLAC3D计算命令流•resyingli.sav•modmohr摩尔-库伦本构模型•propdens1900coh1.6E+04fric18bulk1.04E+07shear3.73E+06tens0rangegroup6•propdens1850coh2E+04fric20bulk1.53E+07shear6.25E+06tens0rangegroup5•propdens1800coh2.3E+04fric20bulk1.47E+07shear5.64E+06tens0rangegroup4•propdens1900coh3.0E+04fric25bulk2.92E+07shear1.35E+07tens0rangegroup3•propdens1950coh4.5E+04fric30bulk6.82E+07shear3.52E+07tens0rangegroup2•propdens1950coh1E+05fric30bulk8.96E+07shear4.72E+07tens0rangegroup1•inixd0yd0zd0初始位移为零•inixv0yv0zv0初始速度为零•inista0初始塑性状态为零•hisunbal•solvefos•savezhihuqian.savFLAC3D数值模拟计算结果采矿地面塌陷z方向下沉位移云图命令流：plotconzdFLAC3D数值模拟计算结果用fish编程调用节点数据塌陷范围等值线与三维效果图FLAC3D数值模拟计算结果边坡工程（加固前）塑性云图剪应变云图剪应变示意图命令流plotconssi命令流plotblockstateFLAC3D数值模拟计算结果边坡工程（加固后）塑性云图剪应变云图selcablebegin=(53,0.5,41)end=(68.5,0.5,37)nseg=16selcablepropemod=1.25e10yTens=1.1e5xcarea=2.5e-3gr_p0.35gr_k=2.5e8gr_coh=8.8e5;锚杆（索)命令流：锚杆（索）结构单元欢迎批评指正Thepurposeofcomputingisin-sight,notnumbers.—FLACManuals