边坡模拟过程介绍

近几年来，各种数值模拟技术在岩土力学中有了很大的发展和应用。由美国明尼苏达ITASCA软件公司开发发展的快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua，简称FLAC)是一种基于显式有限差分分析方法的新型数值分析方法，它可以模拟岩土或其它材料的力学行为。这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动等，尤其在材料的弹塑性、大变形分析等领域有独特的优点。FLAC程序基本原理类同于离散单元法，但它能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解，在求解过程中，FLAC又采用了离散元的动态松弛法，不需求解大型联立方程组。同时该数值分析方法还可考虑锚杆、挡土墙等支护结构与围岩的相互作用，广泛应用于边坡和路基的设计与稳定分析、浅基和深基工程、土石坝和混凝土坝设计、隧道围岩稳定性评价与支护设计等方面，是岩土工程中的一种重要研究工具。现将FLAC-3D用于边坡稳定分析模拟的基本过程介绍如下： 一、建模

简单的模型一般在FLAC-3D中直接建立，FLAC-3D中建模主要使用网格生成器generate命令，通过匹配、连接由网格生成器生成局部网格，能够方便地生成所需要的三维结构网格。还可以自动产生交叉结构网格（比如说相交的巷道），三维网格由整体坐标系x,y,z系统所确定，不同于FLAC-2D程序是由行列方式确定。这就提供了比较灵活的产生和定义三维空间参数。

generate命令可以调出网格生成器：使用generate zone 命令可以生成一些基本形状的网格；使用generate point 命令可以在网格中定义点，这些点可以用作网格的节点；generate merge 命令通常是用来确定独立的网格间的连接是否合适，相应节点的位置必须一致或相差小于容许值，才能使两个基本形状的网格连接。当两个连接面上的单元大小不同时，可用attach命令来连接。如果模型形状很复杂，则可使用fish程序来生成网格。使用generate surface命令可以在最后的网格中定义独立的网格区域。

generate zone命令可调用的基本形状的网格列于下表1。

关键词 Brick Wedge Tetra 含义 表1 FLAC-3D的基本形状网格

关键词 Radbrick Radtunnel 含义 块体周围等分的放射状网格 平行六面体隧道周围放射状的网格 块体形状网格 楔体形状网格 四面体形状网格 Radcylinder 圆柱体隧道周围放射状的网格 Cshell Cylint 柱形壳体网格 交叉的圆柱体隧道网格 交叉的平行六面体隧道网格 Pyramid 棱锥形状网格 Cylinder 圆柱体网格 Dbrick 简化的块体网格 Tunint

由于地质计算模型一般比较复杂，因此可以选用一些三维有限元软件或能处理三维数据处理的软件如： ABAQUS、ANASYS、GOCAD、ADINA、 SURFER等。

实际应用中大多数选用ANASYS作为前处理，该软件前处理功能比较强大，当开挖阶梯很多时选取一个剖面在ANASYS中建立一二维平面，沿剖面法线方向拖拉一定距离（与最小网格边长相适应）得到三维计算模型，该计算模型中主要包括边界几何形状（原始和开挖后的边坡形状）、材料模型（与FLAC计算中的各个材料模型相对应）和网格信息。该模型是为能在FLAC-3D中计算而建立的准三维模型，如果地形和地质资料比较详尽，且地质界限简单、开挖边界的尖角转折较少时可以在ANASYS中建立三维模型。 二、模型导入FLAC-3D

使用各不同软件建模后都需要将模型导入FLAC-3D中，但都需要自己编制相应的导入程序。

ANASYS导入FLAC-3D的具体步骤是，将ANASYS中的节点（node）和单元（element）信息以list文本文件类型保存，再利用一些转换软件如，anasys to flac 将文件转换为能被FLAC-3D使用的dat文件，然后就可以在FLAC-3D中读取该文件，再保存就成为FLAC-3D的计算模型。该模型中继承了ANASYS中的网格和材料模型信息，不过ANASYS中的材料模型在FLAC-3D中变为group，并且在后面的FLAC-3D模拟计算中主要也是对group来进行操作，因此，在建模前首先要规划准备建立多少个group（一般分步的开挖每一部分为一个group，不同的材料模型为不同的group，不同的地质参数部分为不同的group）。

例如：在下图1中（）中的数字代表ANASYS中不同材料的类别编号，导入

FLAC-3D中后转换为group的编号，其中（1）（2）（4）（5）对应微、弱、强风化岩体和残破积物，在FLAC-3D中为莫尔-库伦模型，如果某几个部分的材料模型和参数完全一致，则可以定义为一个编号，下图中的（2）和（4）就是这种情况，都包括两个部分；（3）为较破碎岩体，在FLAC中赋予遍布节理模型；（6）～（17）为分步开挖的编号，在FLAC-3D中对应null模型。 (5)(6)(7)(4)(8)(9)(10)(11)(2)原地面线(12)(13)(14)(15)(16)(17)(3)(4)(1)(2) 图1 材料编号示意图 平衡方程（运动方程）三、FLAC-3D的模拟计算 计算循环原理：FLAC3D程序将计算单元之间的不平衡力（Unbal-force），将此不平衡力重新加到各节点上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的位移趋于平衡为止。图1为FLAC3D程序的计算循环示意图。 边坡数值计算的基本步骤： 新的速度和位移新的应力和力 应力、应变关系 （本构方程）图2为FLAC程序计算循环示意3D（1）接触面的建立——在模型中存在软弱接触面时，在ANASYS中建模时就要单独把它移动到某一合适位置，导入FLAC-3D后再移到剖面原始位置。然后定义接触面即interface，再赋予产状、内摩擦角等参数。无接触面的直接进行下一步。

（2）初始应力场的计算——给计算模型加上约束和边界力，并分别给各岩层赋予相应的强度及变形参数值，在自重作用下形成初始应力场，计算至各单元力系平衡。

（3）开挖支护过程的模拟——将初始自重应力作用产生的变形归零，然后利用null模型实现分布开挖过程的模拟，利用cable结构单元模拟锚杆的加固作用（如

有挡墙或抗滑桩则由shell或pile结构单元实现），迭代收敛后，再进行下一级边坡的开挖、支护，直到开挖完毕。

（4）结果的输出——在计算过程中可以设置跟踪一些关键点，通过输出跟踪点的位移变形情况来分析边坡稳定性。同时利用FLAC-3D自身的输出结果（应力、应变、位移、塑性区分布等）来进行结果分析。

（5）结果分析——由应力图可以看出哪些区域对坡体稳定不利，比如在某些部位产生应力集中或变异，以及在某些部位出现拉应力。还可以结合塑性分布图来共同判断，在这些部位是否会发生破坏。

从塑性状态图可看出两种类型的破坏机制：剪切破坏和拉伸破坏——在图上用不同的颜色给于表示。塑性状态图可以显示的状态有：（1）某一区域内的应力进入屈服状态（如某区域正处于破坏阶段时用-n表示）；（2）某一区域内的应力在模型运行过程中进入过屈服状态，但现在已经退出了屈服状态，用-p表示。（3）某一区域在开始阶段出现塑性流动，后来由于应力重分布这一区域卸载而退出塑性状态，用shear-p 或 tension-p表示。

由跟踪位移、速度图可以看出节点位移、速度发展趋势，以此可以判断该节点随着时间的增加是否趋于稳定。如果位移值趋于某一恒定值，且速度趋于零，那么该节点是稳定的，反之，如果位移和速度值不断增大，那么该节点则是不稳定的，再结合塑性区分布图与之相符合，那么更可以肯定该点会破坏失稳。这时就可以利用这种方法考察是否该点附近区域也破坏。

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