FLAC3D与3DEC特性简介

FLAC3D与3DEC特性简介

FLAC3D主要适于模拟计算地质材料和岩土上程的力学行为。特别是材枓达到屈服极限后产生的塑性流动、材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构成相应的网格。每个单元在外载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力—应变关系产生力学响应。由于FLAC3D程序主要是为岩上工程应用而开发的岩石力学计算程序，程序中包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能，可计算地质类材料的高度非线性(包括应变硬化/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－力耦合以及动力学行为等。

FLAC3D程序设有多种本构模型： (1)各向同性弹性材料模型； (2)横观各向同性弹性材枓模型； (3)莫尔—库仑弹塑材料模型； (4)应变软化/硬化塑性材科模型； (5)双屈服塑性材料模型； (6)遍布节理材料模型；

(7)空单元模型，可用来模拟地下硐室的开挖和煤层开采；

另外，程序设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构如砌衬、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩的相互作用也可以在FLAC3D中进行模拟。同时、用户可根据需要在FLAC3D中创建自己的本构模型，进行各种特殊修正和补充。

FLAC3D程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟大变形和扭曲。FLAC3D采用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，这对研究采矿设计是非常重要的。此外，程序允许输入多种材枓类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程序使用的灵活性。极大地方便了在计算上的处理。FLAC3D程序具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。用户还可根据需要，将若干个变量合并在同一幅图形中进行研究分析。

3DEC 是基于离散模型的显式单元法的三维的计算机数值程序。它是在

UDEC(Itasca1996 )程序的基础上发展起来的。3DEC用来模拟在静态或动态的载荷作用下的离散介质(如节理岩体)的力学反应。

离散介质表示为离散块的集合。块体之间的不连续被当着块体的边界条件处理，允许沿着块的不连续面产生大的位移性和块的旋转。单个块体可以是刚性的也可以是可变形的材料。可变形块体被再次细化成有限差分单元网格，并且每一个单元都根据规定的线性(的)或者非应力－应变规律响应。节理的运动由线性或非线性的在切向或法向上应力－位移关系来控制。对于完整块和节理3DEC 中有几个嵌入的材料本构模型，用来模拟地质材料或相似材料的力学行为。 3DEC是基于“拉格朗日算法”，适合于多块的系统的运动和大变形的模拟计算。

在下面概述3DEC 的特性：

1、岩体被认为是刚性块或可变形块的3D集合；

2、不连续面被认为是块体相互作用的边界；节理的力学行为就是描述这些相互的作用。

3、能在统计基础上生成连续或不连续的节理模式，能根据地质学地图在模型中直接建立节理模型。

4、3DEC 使用显式时间递步法，适应大变形和旋转的工程计算。 5、3DEC提供的图形界面允许用户对模型进行交互式操纵。

3DEC 也含有强大嵌入的编程语言FISH，用户可以根据需要，运用FISH编写程序以扩展3DEC的有效性。

3DEC主要被用于岩石工程分析设计中，其应用范围从岩石边坡失稳的发展研究到地下工程挖掘和岩石地基工程中节理岩体，断层，层理等结构影响的模拟估算。3DEC是研究直接由于存在不连续特点而引起潜在失稳定的理想方法。

当地质条件清楚时，如有地质地图等，3DEC很方便的可以定义节理。程序可以自动或手动生成一个或一组节理结构。为了方便开挖，3DEC还提供了两种巷道生成模式，该模式可以生成规则性状的巷道。

3DEC内置了一个前处理程序——PGEN，该程序可以读出根据块体截面绘制的Auto CAD的DXF文件中的数据，生成3DEC数字文件，以生成复杂的不规则性状的

块体模型。

3DEC可以模拟不同节理材料的力学行为。基本模型是莫尔－库仑模型，它要求对节理赋弹性刚度，摩擦角，内聚力，抗拉强度和剪胀角等属性。对这个模型的修正是由于发生剪切屈服时内聚力和抗拉强度丧失而导致位弱化。连续屈服节理模型是更为复杂的模型，其可用来模拟由于塑性剪切位移的累积而导致的弱力学行为。3DEC 模型中，节理本构关系和材料属性可以分别赋给单个节理或节理组。

3DEC中的单元块可以是刚性的也可以是可变形的。程序中内置有五中可变形模型的本构关系，从表示开挖的“空”模型，到可以模拟应变硬化/软化和非线性不可以剪切破断的剪切屈服模型。这样，程序就可以模拟充填和完整的岩石类似的岩土材料。3DEC还可以模拟孔隙压力引起的岩体应力的分布。另外，3DEC还提供了选项特性，在选项特性中，用户可以根据自己的需要，编写本构模型。

3DEC可以将可变形单元块自动划分成有限差分的有四面的单元。用户可以根据需要，将需要重点分析的区域划分的细致些，而远离这些区域的单元块可以划分得粗糙些。

3DEC应用的显式时间递步法可以进行岩土工程的静态或动态的分析。其中静态分析是缺省的计算模式。

3DEC可以进行渗流的模拟。

3DEC提供了可以模拟锚杆，锚索，碹体，金属网，单体支柱等支护的结构单元。可以模拟实际支护中的所有支护形式以及多种支护的共同作用。

3DEC内置的编程语言——FISH ，允许用户定义新变量和函数，以满足不同用户的实际需要。

3DEC和FLAC3D都是适应岩土工程的数值模拟软件，但是各有自身的特点，因此其适应的情况也不同。根据需要选择合适的数值模拟软件是很必要的。

总体讲，采矿中模拟采场问题，分析工作面顶板的各种形态需要选择3DEC，模拟岩层离层等与节理面裂隙面有关的，或直接分析裂隙性质等问题的，应该选择离散元——3DEC；而分析巷道的支护问题，开采引起的应力分布状态等问题，可以选择FLAC3D。

下面从开采后引起的围岩移动后的表现形式分析两个软件之间的差别。

图1和图2是3DEC和FLAC3D模拟工作面开采和巷道开挖后的顶板形态，由图可以看出，3DEC模拟工作面开采后顶板的最终形态符合裂隙体梁的特征，并且块体的开裂和裂隙的存在形式与现场裂隙形态符合，图（a）显示了有块体的下沉，回转等块体运动特征；在图（b）中，还可以看到由于岩层的运动不一致而导致的岩层的离层。图2显示的是FLAC3D模拟采场的效果图，可以看出FLAC3D不可能出现离层，其顶板的运动形式是连续梁的形式。岩层中没有裂隙等细观结构的存在。

图1（a）顶板下沉块体开裂形态图1（b）地板翘曲形成离层

图2 FLAC3D模拟采场问题的顶板形态

图3、图4分别显示了3DEC和FLAC3D模拟的巷道开挖后的围岩形态。

图33DEC模拟巷道开挖后的围岩块体形态图4 Flac3d模拟巷道开挖后的围岩块体形态

由图可以看出3DEC可以模拟不同围岩类型巷道的围岩分布形态，能形成顶板离层形态，岩块垮落等块体形态，见图3所示，这些功能在FLAC3D中无法实现，FLAC3D模拟开挖后形成的围岩变形是光滑的，岩层是在整体运动中变形。但是，比较图3与图4，FLAC3D的优点是应力分布规律性强，计算速度快等，如果不需要分析细观的机构影响，只分析应力分布找出其中的规律性，FLAC3D比3DEC有效。

总之，3DEC对于模拟结构，分析岩层块体的运动形态等更合适，而FLAC3D对于模拟岩层应力分布等规律性较强的宏观概念更合适。

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