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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[e-mail]2007-4-16东南大学交通学院岩土工程研究所GeoHohai2/77主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍GeoHohai3/77主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍GeoHohai4/77软件介绍FastLagrangianAnalysisofContinua美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986)1990年代初引入中国有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.0→3.1Itasca其他软件GeoHohai5/77软件介绍应用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岩土工程、交通工程、采矿工程、水利工程、地质工程特色大应变模拟完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍动力分析功能——地震工程衬砌功能——地下工程可开发功能•FISH•VC++GeoHohai6/77丰富的本构模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型GeoHohai7/77软件介绍有限差分法(FDM)古老的方法(上世纪40年代)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FDM&FEM的混合求解FDM的新进展时间步与时间时间步的设置须满足数值求解的稳定SpecialOption中有特定的时间步要求动力、渗流、流变、温度中是真实时间GeoHohai8/77Lagrangian网格源自流体力学中的拉格朗日法跟踪流体质点的运动状态跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动跟踪节点和单元随材料移动边界和接触面与单元的边缘一致积分点随材料移动本构方程在相同的材料点赋值固体力学大变形理论法国数学家、物理学家Lagrangian复杂的边界条件精确描述材料的发展GeoHohai9/77大应变与小应变SETsmall默认为小应变模式不更新节点坐标不进行应力旋转修正SETlarge大位移，大位移梯度，大转角岩土工程中的大变形问题软土的固结变形土体的开挖软岩巷道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体等单元以为基本单元(常应力、常应变)体应变的计算：偏应变的计算：+)/2=(GeoHohai11/77FLAC3D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)duFmamdtijiijdugdtx,,uuum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：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2GeoHohai14/77例1：自由落体的模拟(movie)GeoHohai15/77不平衡力平衡状态F≈0最大不平衡力有所有单元确定SETmechforce???最大不平衡力比与内力的比值SETmechratio???工程、计算中间阶段10-4论文、最终结果10-5F≈0v≈0v≠0收敛、平衡不收敛、塑性流动GeoHohai16/77BLOCKstate*-n与*-p-n：此时刻进入屈服状态-p：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•液化的判断•温度破坏的判断PLOTblockstate*-n活动塑性区贯通结合速度结果计算模型边界选取的影响GeoHohai17/77分析问题的过程建立网格初始条件边界条件初始应力平衡外荷载求解前处理后处理GeoHohai18/77例2：一个最简单的例子genzonbrisize333;建立网格(前处理)modelelas;材料参数propbulk3e6shear1e6inidens2000;初始条件fixzranz-.1.1;边界条件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveploconzd;后处理切片功能RUNFLAC3DGeoHohai19/77FLAC3D3.1的新特征64-bitVersion(64位计算)ParallelProcessingonMultiprocessorComputers(并行算法)Two-DimensionalGridExtrusionToolNodalMixedDiscretization(节点混合离散方法)EmbeddedStructuralLiner(内置衬砌单元)挡土墙的模拟On-boardHelpFile(内置的帮助系统)GeoHohai20/77主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction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动力荷载动力边界条件力学阻尼与滞回阻尼地震波的调整动孔压的生成GeoHohai22/77FLAC与等效线性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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永久变形计算弹塑性计算GeoHohai23/77动力荷载动力输入的类型加速度时程速度时程应力(压力)时程力时程APPLYINTERIOR(内部)TABLEFISHGeoHohai24/77Quiet边界静态(quiet,粘性)边界LysmerandKuhlemeyer(1969)模型边界法向和切向设置独立的阻尼器性能对于法向p波和s波能很好的吸收对于倾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射人工边界仍应当足够远GeoHohai25/77Quiet边界应用内部振动(如隧道中的列车振动问题)动力荷载直接施加在节点上使用Quiet边界减小人工边界上的反射不需要FF边界外部荷载的底部边界软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件使用应力条件t=-2Csvs地震底部输入的侧向边界扭曲了入射波quietquietquietGeoHohai26/77Free-field边界Cundalletal.(1980)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设置条件底部水平，重力方向为z向侧面垂直，法向分别为x,y向其他边界条件在APPLYff之前自由场边界示意图GeoHohai27/77Free-field边界APPLYff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移ff单元上；设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向)FF边界进行小变形计算，主体网格可大变形，FF边界上的变形要相对较小存在attach的边界将不能设置FF边界边界上的Interface将不能连续动力边界设置需在FF边界设置之前GeoHohai28/77力学阻尼瑞利(rayleigh)阻尼假设阻尼与质量、刚度的线性关系参数确定简单(等价平均应变=60%*emax)•中心频率(共振计算，地震平均频率)•临界阻尼比缺点：计算速度慢局部(local)阻尼FLAC3D的静力分析阻尼参数简单适合简单情况GeoHohai29/77滞回阻尼(HystereticDamping)模拟岩土介质的动模量衰减曲线initialdamphystereticnamesig3(3参数)sig4(4参数)Hardin(1参数)•(哈丁模型)Default（2参数)优点直接采用模量降级曲线阻尼比不会影响时间步缺点输出的曲线会不一致GeoHohai30/77滞回阻尼(HystereticDamping)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(~0.2%刚度比例)，这样也不会降低时步；若初始应力不为0，剪应力-剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始应力时就要调用Hyst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，则使用屈服模型，不用Hyst阻尼参考了Itasca的中国培训资料GeoHohai31/77地震波的调整基线校正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0美国地质调查研究所•BasicStrong-MotionAccelerogramProcessingSoftware(BAP)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