FLAC3D使用教程

FLAC3D使用教程

总第115期

　　　　　　西部探矿工程seriesNo.115

2005年第11期WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERINGNov.2005

文章编号:1004—5716(2005)11—0001—04

中图分类号:TV55114+2　文献标识码:B

岩土工程

FLAC3D及其在地下空间开挖分析中的一些问题

尹清锋,白　冰

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)

摘　要:首先阐述了FLAC3D的基本原理、主要特点和适用范围,,给出了在地下空间开挖分析中处理特殊问题的经验,关键词:FLAC3D;显式有限差分法;大变形;地下空间

1　概述

FLAC3D是FastLagrangianin32mensions的简称,—四面体的的表面所围成的空间闭区域;∑———四面体的外表面;

nj———外表面的单位法向向量分量,i,j=1～3。

维显式有限差分程序AC应用软件的拓展,可以模拟土质、,可以精确的模拟屈服、塑性流动、软化直至破坏的整个过程,尤其适用于软弱介质材料的弹塑性分析、大变形分析以及施工过程模拟[1～3],并且可以在初始模型中加入诸如断裂、节理构造等地质因素[4]。

FLAC3D是目前国际岩土工程界十分推崇的计算机软件[5],

对于常应变单元,vi为线性分布,nj在每个面上为常量,由

式(1)可得:　　　　vi,j=-4l(l)(l)

∑vinjS3Vl=1

(2)

式中:上标l表示节点l的变量,上标(l)表示面l的变量。

2.2　运动方程

FLAC3D以节点为计算对象,将力和质量均集中在节点上,然

在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等研究领域[6]。但是,我国直至20世纪90年代初才引进此类软件,主要应用于工程地质和岩土力学分析,如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测,水利枢纽岩体稳定性、采矿巷道稳定性分析等[2]。在建立合理的工程地质模型的基础上,利用FLAC3D定量模拟其流动、力学和动力学过程,探讨、验证并预测、控制地下空间开挖过程中的围岩和支护结构的应力演变和构造变形,是当前地下空间开发利用过程中的重要环节。

2　FLAC3D基本原理

FLAC在求解过程中用了以下三种方法

3D

[6]

后通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式:

ll=

dtml

(3)

式中:Fil(t)———t时步时节点l在i方向的不平衡力分量,可由虚功原理导出。每个四面体对其节点产生的不平衡力的计算公式如下:　　　　pil=

(l)(l)

+bVijnis34

(4)

:

(1)离散模型法。连续介质被离散为若干互相连接的四节点

单元,作用力均被集中在节点上。

(2)有限差分法。变量关于空间和时间的一阶导数均采用有限差分来近似。

(3)动态松弛法。应用质点运动方程求解,通过阻尼使系统衰减至平衡状态。

2.1　空间导数的有限差分近似

FLAC3D采用了混合离散法,区域被划分为常应变六面体单

σ式中:——四面体上对称的应力张量;ij—

ρ———材料密度;

bi———单位质量体积力;

V———四面体的体积。任意一节点的节点不平衡力为包含

该节点的每个四面体对其产生的不平衡力之和。ml为节点l的集中质量,在分析动态问题时,采用实际的集中质量;而在分析静态问题时,则采用虚拟质量以保证其数值稳定,对于每个四面体,其节点的虚拟质量为:

α　　　　ml=[ni(l)s(l)]2,i=1,3

9V

元的集合体,程序内部又将每个六面体分为以六面体的角点为角点的常应变四面体的集合体,变量均在四面体上计算,六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均。

任意一四面体,设其节点编号为1～4,面n表示与节点n相对的面,其内任意一点的速率分量为vi,则可由高斯公式得:　　　　

(5)

α式中:1=K+4/3G,K为体积模量,G为剪切模量。式(5)成立

的前提是计算时步Δt=1。

将式(3)左端用中心差分来近似,则:　　　　vil(t+

l)=vil(t-)+lt22m

(6)

∫

Ω

vi,jdV=

∫∑

vinjdS(1)

式中:vi,j=

9vj

2.3应变与应力

FLAC3D可以由速率求得某一时步单元的应变增量,其公式

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2

Nov.2005

西　部　探　矿　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　

No.11

如下:

Δε(vi,j+vj,i)Δt　　　　il=

2

式中:导数vi,j和vj,i可由式(2)近似。

(7)

输入各种命令,也可以写成命令(集)文件,类似于批处理,由文件来驱动。它虽然有80个主命令和几百个命令变量,但常用的主命令和命令变量仅几十个,记忆简单、使用方便。它含有巨大的三维网格自动生成器,只要设置某些控制点的坐标,软件就可以自动生成计算网格,界面友好且美观。其内部定义了12种基本单元模型,通过这些基本单元模型,能快速、方便的建立模拟规整

c

ij

假设材料的本构关系可以用函数H来表示,则应力增量可表示为:

ΔσΔε)+Δσ　　　　,ij,…ij=H(ijσ

cij

(8)

的三维工程地质体的三维网格;也可以根据实际情况通过某些命令修改网格。它可设置的跟踪变量的点数多达几千个,因此,量点的历史值;(应变)、位移、,(步长)的FLAC3D可以使用或产生的文件类型有初、保存文件、历史文件、日志文件、动画文件。其各阶段的计算结果同时以数据文件和图形文件两种形式保存在微机磁盘。因此,在分析或运行过程中,可以随时查看某个状态的矢量分布或某个矢量的演变历程。它还可以外接SURF等软件自动绘图。输出的图形包括各个施工期的网格、主应力向量图、各应力分量、位移的等值线图、锚杆(锚索)以及结构的受力向量图、塑性区范围等,并且可用18种颜色显示。

3.3　强大的内嵌式编程语言FISH

σ—式中:Δ——在大变形情况下根据时步单元的转角对本时步前的应力进行的旋转修正:

cΔσωikσkj-σωkj)Δt　　　　ij=(ik其中:ωij=

(Vi,j-Vj,i)2

(9)

由各时步的应力增量进一步叠加即可得总应力,然后就可由虚功原理求出下一时步的节点不平衡力,算。

2.4　阻尼力

对于静态问题,FLAC3D)尼,()。此时式(3)变为:

lll　　　　=

dtml

(10)

阻尼力fil(t)为:

　　fil(t)=-αFil(t)sign(vil)α—式中:——阻尼系数,其默认值为0.8;而

+1　　　(y>0)

(11)

宏语言FLACish(简称FISH)是FLAC3D程序的内嵌式编程语言。它的引入在很大程度上的方便了程序的复杂建模。它不但可以嵌入命令流文件里工作,还可以引用FLAC3D本身的任何命令。用户可以利用它自定义新的变量、函数甚至本构模型以满足各种工程计算问题的需求,如设置区域范围内材料性质的变化、获得计算过程中自定义变量的参数、设置程序内部不具有的特殊单元形态、在数值试验中进行伺服控制、完成循环和指定特殊的边界条件、自动进行参数分析等。

3.4　优越的程序算法

(1)“混合离散法”的应用。拉格朗日法适用于连续介质的非

　sign(y)=-1　　　(y<0)　　　　　　　　　　(12)0　　　　(y=0)

2.5　一般的计算步骤

利用FLAC3D进行分析,首先要建立计算模型,然后就可以获得模型的初始平衡状态,也就是模拟开挖前的原岩应力状态,接着进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析。

FLAC3D采用一种显式的时间步来求解代数方程,利用最大不平

衡力来刻划其计算的收敛过程。若单元的最大不平衡力随着时步的增加而逐渐趋于极小值,则计算是稳定的;否则,就不稳定[7]。如果计算是稳定的,进行一系列时步循环后收敛至问题的解;若问题本身就不收敛(如发生塑性流动),则可以跟踪塑性流动的全过程[8]。

3　FLAC3D主要特点3.1　较低的硬件配置要求

FLAC3D是采用ANSIC++语言编写的应用显式法求解方

线性大变形分析,而离散元法适用于不连续介质问题的分析[1]。

FLAC3D采用了它们相结合的“混合离散法”,实现了优化互补。

它在力学上比常规有限元法中通常采用的“离散集成法”更为合理。它可以像有限元那样求解多种介质材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题,并且其计算结果与有限元法的计算结果(对于常应变四面体)相同,还可以对连续介质进行非线性大变形分析。

(2)动态方程的应用。无论是动态问题还是静态问题,

FLAC3D均由运动方程用显式法进行求解。对显式法来说非线性

程的程序,计算过程中不必形成与有限元程序那样的整体刚度矩阵,每一步计算所需要的计算机内存很小。与隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题相比,显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间,几乎与线性本构关系相同;模拟大变形问题几乎并不比模拟小变形问题多消耗计算时间。因此,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题,并且解决问题的速度大大提高。

3.2　强大的前后处理功能

(1)前处理功能。FLAC3D的输入可以用交互的方式,从键盘

本构关系和线性本构关系并无算法上的区别。在求解线性问题时,FLAC3D比有限元程序运行得要慢,但当模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生破坏和塑性流动的力学行为,特别是分析渐进破坏或失稳以及模拟大变形问题时,FLAC3D最有效。这是一般有限元方法所不能解决的。

3.5　对多种材料和多种工况模拟的实现

(1)10种材料模型和5种计算模式。FLAC3D包含了1个

“空”模型、3个弹性模型和6个塑性模型等10种材料模型和静

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力、动力、蠕变、渗流、温度等5种计算模式[3],各模式间可以相互耦合,以模拟各种复杂的工程力学行为。耦合作用主要包括以下三种形式:水力耦合、热力耦合以及水热耦合。其它,诸如毛细作用、电力、化学力等参与的耦合作用可通过FISH语言来实现。

(2)4种结构单元和一种界面单元。FLAC3D含有梁、锚杆、桩、板壳等四种结构单元,可以模拟各种支护构件,如梁、锚元、桩、板壳以及衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等人工结构物。因此,用户可较方便的设置混凝土衬砌和锚杆,且不受网格划分和节点分布的影响。锚杆的锚固方式又可以是端锚、全长锚固、任意长度锚固或预应力锚固。FLAC3D还有一种界面单元。它能够模拟两种或多种材料界面的不同材料性质的间断特性,比如岩层中的断层、节理、层理等不连续面的滑动和离层、虚拟物理边界的特性等。

此外,FLAC3D可以给以不同的材料模型,,,。

4　FLAC3DFLAC3D、验证和设计连

算机内存小。但它是逐个的解运动方程且方程数量大,故计算速度受影响。遇到大范围的计算问题,所设置的单元数量太少,会影响计算精度;所设置的单元数量过大,又会降低平衡和收敛速度,延长解题时间。这时,可采用全放射性网格,或局部密集、周边疏松的网格形式,但相邻单元的尺度变化比率最好不要超过

1∶10;[9],否则,计算精度也将受到影响。若所分析的工程问题

是结构对称的,网格也宜划分为对称网格,否则,会引起一定的误差。划分网格时也应确保网格几何形状的合理性,有时即使是个。网格的划分还应确保位移协调,因此,节点,;,。

,可以调整网格的数量、质量、布局、位移协;程序一旦执行了运算指令,网格的各种参数就不应该改变,但可以改变单元的材料模型和性质,也可以改变边界条件。

5.4　初次混凝土支护单元的设置

续问题的程序。它分析问题的类型不局限于某一具体方面,因此适用范围很广。它可以研究的岩土工程问题主要有以下几方面:①材料(主要是岩土材料)承受荷载的能力和变形分析:用于边坡和地基基础设计及稳定性分析;②破坏和坍塌作用的发育与演化:用于矿山巷道、隧道等地下工程的变形和破坏分析;③断层构造的影响:用于采矿设计;④构件对地质材料的约束行为:用于地下工程中的混凝土衬砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的分析;⑤完全饱和流体的流动及排水和不排水加载条件下孔隙压力的聚集与消散:用于岩土保持结构、土质滑坡体的固化、地下水的渗流和储藏工程;⑥粘性材料的时间蠕变特性:用于盐类矿山设计,如碳酸钾盐矿设计;⑦陡滑面地质结构的动态加载:用于地震工程和矿山岩石爆破的研究;⑧爆炸荷载和振动的动态响应:用于隧道开挖和采矿的设计与计划;⑨结构的地震感应:用于土坝、混凝土坝及地基的设计;⑩材料的热软化形变和失稳:用于地下高辐射性核废料的储藏库在热作用下产生的变形和稳定问题的分析;λ 大变形材料的分析:用于研究仓库谷物流动和利用崩落法采矿时的矿石流动。

5　FLAC在地下空间开挖分析中的一些问题5.1　计算步数的确定

3D

若设置初次混凝土支护,首先在生成网格的同时必须定义好所要设置初次混凝土支护的区域,其次在设置初次支护时,必须限定好初次混凝土支护的设置范围。否则,程序显示的将不是预期的结果。

5.5　锚杆的设置

设置锚杆时,应注意其起始点和终点的实际位置。在程序执行了一部分区域的开挖后,所有的围岩都已经发生了变形,这时为其余将要开挖区域设置锚杆,应设置在围岩发生变形以后的边界位置上,而不是初始边界。

6　针对FLAC3D改进的一些想法和建议6.1　复杂模型的建立

由于FLAC3D在建立计算模型时采用键入数据/命令行的方式,且FISH语言具有其独特的源代码表达方式,一般工程技术人员在利用其建立较复杂的地质体模型时十分困难,造成三维模拟计算周期长、难度大。如果采用以下两种方法,复杂模型的建立将很容易实现。

(1)利用前处理包括建模和划分网格等相对较为简单的

ANSYS程序建立三维模型,然后通过自编程序将其转化为FLAC3D程序的前处理数据文件;

(2)采用FLAC3D体系中的FISH语言,发展适合实际工程的

由于FLAC3D是时间渐进的,相应的计算步隐含了时间因素,和物理时间有一定的对应关系。一般来讲,计算步数越多,对应的时间越长,模型发生的变形也越大。在FLAC中,达到问题所需的计算步能够通过程序或用户加以控制。若用户自己控制,用户必须具有足够的经验来确定设置的计算步数能达到问题的最终解;否则,计算所得结果并不是最终解,无实际意义,而且若用这样的结果指导工程设计与施工可能导致工程事故。为了真实的模拟开挖的时间效应,在计算时应特别注意模拟工作面的推进度,要根据开挖一定长度所需要的时间来确定计算步数。

5.2　计算精度的控制

3D

建模工具。

6.2　初次混凝土支护单元的设置

程序设置初次混凝土支护采用了没有厚度的壳单元,很方便;但初次混凝土支护是有厚度的。若将它设置为具有厚度的网格单元,其计算结果会更符合实际情况。

6.3　一些项目的显示

程序本身无法实现二次混凝土支护的受力情况、设置为具有厚度的网格单元的初次混凝土支护的受力情况等的显示问题。它虽然能生成锚杆的轴力分布图,但是数值上只能给出锚杆的最大轴力,而不能像显示围岩应力一样给出以不同颜色代表

(下转第6页)

虽然FLAC在计算过程中不必形成整体刚度矩阵,所占计

3D

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一问题,在我们小组技术骨干的带领下,查阅相关规范规程、学习仪器说明书,访问仪器厂家网站,解决实际操作中遇到的难题。通过试验对比,我们在保证仪器正常工作的前提下替换了仪器的发射器,进行锚杆检测时的操作人员也由原来的四人减少为现在的二人,使得操作更加简单、便捷,并取得了良好的经济效益。

6　效果检查

工生产提供了强有力的保障。

(3)改进和简化操作。仪器的发射机构采用发射器,采用该

方法有两个缺点:一、现场操作复杂;二、操作人员过多。我们小组通过研究,在保证仪器正常工作的前提下替换了仪器的发射器,减少了资金投入,仪器的操作人员也由四人减少为二人,取得了良好的经济效益。

6.2　经济效益

(1)替换发射器,节省投资约3万余元;(2)减少操作人员2人,1.5万元;

(3),保证了施工

通过近半年的摸索学习、技术攻关,我们QC小组不但熟练的掌握了超声波物探仪进行砂浆密实度和锚杆长度检测技术,并且在保证仪器正常工作的条件下将测试过程中使用的发射器进行了替换,减少了工作人员,产生了良好的效果。

6.1　目标完成情况

(1)相关检测人员已经熟练掌握了使用超声波物探仪进行砂

,,。

7　浆密实度和锚杆长度检测技术,用,保证了锚杆施工质量,得到了多方好评“鲁班奖”提供了有利条件。

(2)、“锚杆密实度“、锚杆密实度检测规定”等三个内部试用操作规程,并将其纳入到我单位日常试验检测管理体系中。

8　结束语

提出的要求。48小时内出具报告,缩短为现在的8小时内出具报告,为指导施

锚杆无损检测技术经过近半年来的技术攻关、巩固,检测结果一直保持稳定,未出现过失实的检测结果,满足业主、设计、监理等各方要求。

(上接第3页)

不同的轴力大小的锚杆轴力分布图。这方面功能若能实现,其可用性将更强。

6.4　某些问题的模拟

FLAC3D一般假定所有区域都为饱和的,因此不能模拟包含

2101-2108,Rotterdam,Balkema.

[7]　金衍,陈勉,柳贡慧.盐膏岩地层的井眼缩径变形分析[J].石油大学

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version2.0User’sManual[R],USA:ItascaConsultingGroupInc.,1997

FLAC3DandItsSomeProblemsintheAnalysis

浅层地下水面的问题。但是,在FLAC3D2.1中,引进了新的流体运动方式解决了这方面的模拟问题,这是值得提倡的。又由于程序求解时间取决于最长的自然周期与最短的自然周期之比,某些问题对模型可能无效,比如:利用实体单元而不是用结构单元生成的梁构件、包含材料的弹性模量或单元尺寸相差很大的问题等。这些问题若能解决,其适用范围会更广。

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Abstract:Thefoundationalprinciples,mainfeaturesandapplicationran2gesofFLAC3Dareintroducedfirstly;thenaccordingtotheconcretepracticeofusingthisprogramtheexperienceoftreatingspecialproblemsintheanalysisofundergroundspaceexcavationisgiven,someideaandadvicebeingaimedatprogramimprovementareputforward.

Keywords:FLAC3D;explicitfinitedifferencemethod;largedeformation;undergroundspace

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ssdj.html