巖土工程FLAC3D講義

1、GeoHohaiFLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用 陳育民，左威龍導(dǎo)師：劉漢龍 教授 河海大學(xué)巖土工程研究所河海大學(xué)巖土工程研究所 2007-4-16 東南大學(xué)交通學(xué)院巖土工程研究所GeoHohai2 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai3 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁

2、樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai4 / 77軟件介紹Fast Lagrangian Analysis of Continua美國美國Itasca咨詢公司開發(fā)咨詢公司開發(fā)2D程序程序(1986)1990年代初引入中國年代初引入中國有限差分法有限差分法(FDM)DOS版版2.0 2.1 3.0 3.1Itasca其他軟件其他軟件GeoHohai5 / 77軟件介紹應(yīng)用應(yīng)用 巖土力學(xué)分析，例礦體滑

3、坡、煤礦開采沉陷預(yù)測、水利樞紐巖巖土力學(xué)分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等 巖土工程巖土工程、交通工程交通工程、采礦工程、水利工程、地質(zhì)工程、采礦工程、水利工程、地質(zhì)工程 特色特色 大應(yīng)變大應(yīng)變模擬模擬 完全動態(tài)運動方程使得完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙存在數(shù)值上的障礙 動力動力分析功能分析功能地震工程地震工程 襯砌功能襯砌功能地下工程地下工程 可開發(fā)功能可開發(fā)功能 FISH VC+GeoHohai6 / 77豐富的本構(gòu)模型GeoHohai7 /

4、 77軟件介紹有限差分法有限差分法(FDM) 古老的方法古老的方法(上世紀上世紀40年代年代) 用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式 流體力學(xué)；土工滲流問題；固結(jié)流體力學(xué)；土工滲流問題；固結(jié) FDM & FEM的混合求解的混合求解 FDM的新進展的新進展時間步與時間時間步與時間 時間步的設(shè)置須滿足數(shù)值求解的穩(wěn)定時間步的設(shè)置須滿足數(shù)值求解的穩(wěn)定 Special Option中有特定的時間步要求中有特定的時間步要求 動力、滲流、流變、溫度中是動力、滲流、流變、溫度中是真實時間真實時間GeoHohai8 / 77Lagrangian網(wǎng)格源自流體力學(xué)中的拉格朗日

5、法源自流體力學(xué)中的拉格朗日法 跟蹤流體質(zhì)點的運動狀態(tài)跟蹤流體質(zhì)點的運動狀態(tài) 跟蹤固體力學(xué)中結(jié)點，按時步用跟蹤固體力學(xué)中結(jié)點，按時步用Lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動跟蹤跟蹤 節(jié)點和單元隨材料移動節(jié)點和單元隨材料移動 邊界和接觸面與單元的邊緣一致邊界和接觸面與單元的邊緣一致 積分點隨材料移動積分點隨材料移動 本構(gòu)方程在相同的材料點賦值本構(gòu)方程在相同的材料點賦值固體力學(xué)大變形理論固體力學(xué)大變形理論法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Lagrangian復(fù)雜的復(fù)雜的 邊界邊界條件條件精確描述精確描述 材料材料的發(fā)展的發(fā)展GeoHohai9 / 77大應(yīng)變與小應(yīng)變SET small 默認為

6、小應(yīng)變模式默認為小應(yīng)變模式 不更新節(jié)點坐標不更新節(jié)點坐標 不進行應(yīng)力旋轉(zhuǎn)修正不進行應(yīng)力旋轉(zhuǎn)修正SET large 大位移，大位移梯度，大轉(zhuǎn)角大位移，大位移梯度，大轉(zhuǎn)角巖土工程中的大變形問題巖土工程中的大變形問題 軟土的固結(jié)變形軟土的固結(jié)變形 土體的開挖土體的開挖 軟巖巷道軟巖巷道 地下硐室地下硐室GeoHohai10 / 77空間混合離散技術(shù)結(jié)構(gòu)域離散為可由四面體單元組合形成的五面體或六面結(jié)構(gòu)域離散為可由四面體單元組合形成的五面體或六面體等單元體等單元以以 為基本單元為基本單元(常應(yīng)力、常應(yīng)變常應(yīng)力、常應(yīng)變)體應(yīng)變的計算：體應(yīng)變的計算：偏應(yīng)變的計算：偏應(yīng)變的計算：+)/2=(GeoHohai1

7、1 / 77FLAC3D的求解過程平衡方程(動量方程)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)模型)Gauss定律單元積分應(yīng)變率速度節(jié)點力新的應(yīng)力對所有的網(wǎng)格節(jié)點對所有單元GeoHohai12 / 77Lagrangian格式動量平衡方程F(t)duFm amdtijiijdugdtx, ,u u u m牛頓運動定律對于連續(xù)體在靜力平衡條件下，加速度項為0，方程變?yōu)槠胶夥匠蘂eoHohai13 / 77例1：自由落體的模擬G = mgS = 1/2gt2 = 20m命令流：命令流：config dyngen zon bri size 1 1 1ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1model e

8、lasprop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 1000set grav 0 0 -10solve age 2GeoHohai14 / 77例1：自由落體的模擬(movie)GeoHohai15 / 77不平衡力平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) F0最大不平衡力最大不平衡力 有所有單元確定有所有單元確定 SET mech force ?最大不平衡力比最大不平衡力比 與內(nèi)力的比值與內(nèi)力的比值 SET mech ratio ? 工程、計算中間階段工程、計算中間階段10-4 論文、最終結(jié)果論文、最終結(jié)果10-5F 0v0v0收斂、平衡收斂、平衡不收斂、塑性流動不收斂、塑性流動GeoHohai1

9、6 / 77BLOCK state*-n與與*-p -n：此時刻進入屈服狀態(tài)：此時刻進入屈服狀態(tài) -p：曾經(jīng)進入屈服狀態(tài)，現(xiàn)已退出：曾經(jīng)進入屈服狀態(tài)，現(xiàn)已退出 程序預(yù)留了多個狀態(tài)空間供用戶定義程序預(yù)留了多個狀態(tài)空間供用戶定義 液化的判斷 溫度破壞的判斷破壞的判斷 PLOT block state *-n 活動塑性區(qū)貫通活動塑性區(qū)貫通 結(jié)合速度結(jié)果結(jié)合速度結(jié)果 計算模型邊界選取的影響計算模型邊界選取的影響GeoHohai17 / 77分析問題的過程建立網(wǎng)格建立網(wǎng)格 初始條件初始條件 邊界條件邊界條件 初始應(yīng)力平衡初始應(yīng)力平衡 外荷載外荷載 求解求解 前處理前處理 后處理后處理 GeoHohai1

10、8 / 77例2：一個最簡單的例子gen zon bri size 3 3 3 ;建立網(wǎng)格建立網(wǎng)格(前處理前處理)model elas ;材料參數(shù)材料參數(shù)prop bulk 3e6 shear 1e6ini dens 2000 ;初始條件初始條件fix z ran z -.1 .1 ;邊界條件邊界條件fix x ran x -.1 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1 .1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0 -10solve ;求解求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplo con z

11、d ;后處理后處理切片功能切片功能RUN FLAC3DGeoHohai19 / 77FLAC3D3.1的新特征64-bit Version (64位計算位計算)Parallel Processing on Multiprocessor Computers (并行并行算法算法) Two-Dimensional Grid Extrusion Tool Nodal Mixed Discretization (節(jié)點混合離散方法節(jié)點混合離散方法) Embedded Structural Liner (內(nèi)置襯砌單元內(nèi)置襯砌單元) 擋土墻的模擬擋土墻的模擬On-board Help File (內(nèi)置的幫助系

12、統(tǒng)內(nèi)置的幫助系統(tǒng)) GeoHohai20 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai21 / 77完全非線性的動力分析與等效線性方法的比較與等效線性方法的比較動力荷載動力荷載動力邊界條件動力邊界條件力學(xué)阻尼與滯回阻尼力學(xué)阻尼與滯回阻尼地震波的調(diào)整地震波的調(diào)整動孔壓的生成動孔壓的生成GeoHohai22 / 77FLAC與等

13、效線性方法等效線性方法是巖土地震工程中的常用方法等效線性方法是巖土地震工程中的常用方法動本構(gòu)模型動本構(gòu)模型 等效線性模型等效線性模型 剪切模量的降級曲線 阻尼比隨剪應(yīng)變的變化 FLAC 常規(guī)模型(MC)多種頻率成分的干涉和混合多種頻率成分的干涉和混合永久變形計算永久變形計算彈塑性計算彈塑性計算GeoHohai23 / 77動力荷載動力輸入的類型動力輸入的類型 加速度時程加速度時程 速度時程速度時程 應(yīng)力應(yīng)力(壓力壓力)時程時程 力時程力時程APPLY INTERIOR (內(nèi)部內(nèi)部) TABLE FISHGeoHohai24 / 77Quiet邊界靜態(tài)靜態(tài)(quiet,粘性粘性)邊界邊界 Lys

14、mer and Kuhlemeyer(1969) 模型邊界法向和切向設(shè)置獨立的阻尼器模型邊界法向和切向設(shè)置獨立的阻尼器性能性能 對于法向?qū)τ诜ㄏ騪波和波和s波能很好的吸收波能很好的吸收 對于傾斜入射的波和對于傾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射波也有所吸收，但存在反射 人工邊界仍應(yīng)當足夠遠人工邊界仍應(yīng)當足夠遠GeoHohai25 / 77Quiet邊界應(yīng)用內(nèi)部振動內(nèi)部振動(如隧道中的列車振動問題如隧道中的列車振動問題) 動力荷載直接施加在節(jié)點上動力荷載直接施加在節(jié)點上 使用使用Quiet邊界減小人工邊界上的反射邊界減小人工邊界上的反射 不需要不需要FF邊界邊界外部荷載的底部邊

15、界外部荷載的底部邊界 軟土地基上的地震荷載不適合用加速度或速度邊界條件軟土地基上的地震荷載不適合用加速度或速度邊界條件 使用應(yīng)力條件使用應(yīng)力條件t t = -2Cs vs地震底部輸入的側(cè)向邊界地震底部輸入的側(cè)向邊界 扭曲了入射波扭曲了入射波quietquietquietGeoHohai26 / 77Free-field邊界Cundall et al. (1980)自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合粘性阻尼器，自由場網(wǎng)格自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合粘性阻尼器，自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上設(shè)置條件設(shè)置條件 底部水平，重力方向為底部水平，重力方向為z向向 側(cè)面垂直，法

16、向分別為側(cè)面垂直，法向分別為x, y向向 其他邊界條件在其他邊界條件在APPLY ff之前之前自由場邊界示意圖自由場邊界示意圖GeoHohai27 / 77Free-field邊界APPLY ff將邊界上單元的屬性、條件和變量全部轉(zhuǎn)移將邊界上單元的屬性、條件和變量全部轉(zhuǎn)移ff單元上；單元上；設(shè)置以后主體網(wǎng)格上的改動將不會被設(shè)置以后主體網(wǎng)格上的改動將不會被FF邊界所響應(yīng)邊界所響應(yīng)可存在任意的本構(gòu)模型以及流體耦合可存在任意的本構(gòu)模型以及流體耦合(僅豎向僅豎向)FF邊界進行小變形計算，主體網(wǎng)格可大變形，邊界進行小變形計算，主體網(wǎng)格可大變形，F(xiàn)F邊界邊界上的變形要相對較小上的變形要相對較小存在存在at

17、tach的邊界將不能設(shè)置的邊界將不能設(shè)置FF邊界邊界邊界上的邊界上的Interface將不能連續(xù)將不能連續(xù)動力邊界設(shè)置需在動力邊界設(shè)置需在FF邊界設(shè)置之前邊界設(shè)置之前GeoHohai28 / 77力學(xué)阻尼瑞利瑞利(rayleigh)阻尼阻尼 假設(shè)阻尼與質(zhì)量、剛度的線性關(guān)系假設(shè)阻尼與質(zhì)量、剛度的線性關(guān)系 參數(shù)確定簡單參數(shù)確定簡單(等價平均應(yīng)變等價平均應(yīng)變=60%*e emax) 中心頻率(共振計算，地震平均頻率) 臨界阻尼比 缺點：計算速度慢缺點：計算速度慢局部局部(local)阻尼阻尼 FLAC3D的靜力分析阻尼的靜力分析阻尼 參數(shù)簡單參數(shù)簡單 適合簡單情況適合簡單情況GeoHohai29 /

18、 77滯回阻尼(Hysteretic Damping)模擬巖土介質(zhì)的動模量衰減曲線模擬巖土介質(zhì)的動模量衰減曲線initial damp hysteretic name sig3 (3參數(shù)參數(shù)) sig4 (4參數(shù)參數(shù)) Hardin(1參數(shù)參數(shù)) (哈丁模型) Default（2參數(shù)參數(shù))優(yōu)點優(yōu)點 直接采用模量降級曲線直接采用模量降級曲線 阻尼比不會影響時間步阻尼比不會影響時間步缺點缺點 輸出的曲線會不一致輸出的曲線會不一致GeoHohai30 / 77滯回阻尼(Hysteretic Damping)低循環(huán)應(yīng)變下得到的阻尼比要小于試驗結(jié)果，這會導(dǎo)致低級的噪聲，尤低循環(huán)應(yīng)變下得到的阻尼比要小于試

19、驗結(jié)果，這會導(dǎo)致低級的噪聲，尤其在高頻情況下?？梢栽谥行念l率上增加一個小量的其在高頻情況下?？梢栽谥行念l率上增加一個小量的Rayleigh阻尼阻尼(0.2%剛度比例剛度比例)，這樣也不會降低時步；，這樣也不會降低時步；若初始應(yīng)力不為若初始應(yīng)力不為0，剪應(yīng)力，剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線可能不匹配。因此在生成初始應(yīng)剪應(yīng)變曲線可能不匹配。因此在生成初始應(yīng)力時就要調(diào)用力時就要調(diào)用Hyst阻尼；阻尼；Hyst阻尼不僅會增加能量損失，還會導(dǎo)致在大循環(huán)應(yīng)變下的平均剪切模阻尼不僅會增加能量損失，還會導(dǎo)致在大循環(huán)應(yīng)變下的平均剪切模量的降低，在輸入波的基頻接近共振頻率的時候，可能會導(dǎo)致動力反應(yīng)量的降低，在輸入波的基頻接近

20、共振頻率的時候，可能會導(dǎo)致動力反應(yīng)幅值的增大；幅值的增大；Hyst阻尼之前要做一次彈性無阻尼求解，以獲得發(fā)生循環(huán)應(yīng)變的最大水阻尼之前要做一次彈性無阻尼求解，以獲得發(fā)生循環(huán)應(yīng)變的最大水平，若循環(huán)應(yīng)變過大導(dǎo)致剪切模量過多的降低，那么用平，若循環(huán)應(yīng)變過大導(dǎo)致剪切模量過多的降低，那么用Hyst阻尼是有問阻尼是有問題的；題的；即使應(yīng)變較小，使用屈服模型也會增大應(yīng)變，因此若有廣泛屈服的現(xiàn)象，即使應(yīng)變較小，使用屈服模型也會增大應(yīng)變，因此若有廣泛屈服的現(xiàn)象，則使用屈服模型，不用則使用屈服模型，不用Hyst阻尼阻尼參考了參考了Itasca的中國培訓(xùn)資料的中國培訓(xùn)資料GeoHohai31 / 77地震波的調(diào)整基線

21、校正基線校正 對于地震分析的加速度時程，其積分得到的速度和位移應(yīng)歸對于地震分析的加速度時程，其積分得到的速度和位移應(yīng)歸0 美國地質(zhì)調(diào)查研究所美國地質(zhì)調(diào)查研究所 Basic Strong-Motion Accelerogram Processing Software (BAP) 對網(wǎng)格施加一個固定速度從而使殘余的位移變?yōu)閷W(wǎng)格施加一個固定速度從而使殘余的位移變?yōu)?動力荷載的頻率與單元尺寸的雙向調(diào)整動力荷載的頻率與單元尺寸的雙向調(diào)整 高頻的輸入要求單元尺寸很小高頻的輸入要求單元尺寸很小 一定的單元尺寸對應(yīng)輸入的最大頻率一定的單元尺寸對應(yīng)輸入的最大頻率 一般進行濾波處理一般進行濾波處理 濾掉低能量的

22、高頻 FFT.FIS Origin SeismoSignalGeoHohai32 / 77地震波的調(diào)整051015202530-300-200-1000100200300400acc (cm/s2)t (s) EI centuo051015202530-300-200-1000100200300400acc (cm/s2)t (s) 20 Hz Low Pass Filter on EI_B02468101214161820222426280200040006000800010000120001400016000 EI centuoFrequency (Hz)Amplitude02468101

23、214161820222426280200040006000800010000120001400016000 20Hz Low pass EIFrequency (Hz)AmplitudeEl-Centro波FFT修正后的時程修正后FFT5HzGeoHohai33 / 77動孔壓的生成液化干沙剪應(yīng)變循環(huán)加載試驗干沙剪應(yīng)變循環(huán)加載試驗 初始加載階段，沙土通常先壓實再膨脹。卸載時，沙土遵循與初始加載階段，沙土通常先壓實再膨脹。卸載時，沙土遵循與加載相似的路徑，但在零應(yīng)變時，有些殘余體積應(yīng)變存在。取加載相似的路徑，但在零應(yīng)變時，有些殘余體積應(yīng)變存在。取決于初始孔隙率，這可能代表純粹的壓實決于初始孔隙

24、率，這可能代表純粹的壓實假定孔隙中充滿水假定孔隙中充滿水 對于常體積測試，有效應(yīng)力降低，孔隙水壓保持不變對于常體積測試，有效應(yīng)力降低，孔隙水壓保持不變 對于常荷載測試，對于常荷載測試，(例如，盒子上法向荷載固定例如，盒子上法向荷載固定)，孔隙水壓增，孔隙水壓增加，有效應(yīng)力減小加，有效應(yīng)力減小有效應(yīng)力為零時發(fā)生液化有效應(yīng)力為零時發(fā)生液化GeoHohai34 / 77動孔壓的生成液化因此孔隙水壓增加不是液化的基本原因因此孔隙水壓增加不是液化的基本原因由于顆粒間由于顆粒間(重組以后重組以后)的低接觸力導(dǎo)致有效應(yīng)力的減小的低接觸力導(dǎo)致有效應(yīng)力的減小描述液化的模型描述液化的模型 高級模型：高級模型：BS

25、HP (邊界面低塑性本構(gòu)模型邊界面低塑性本構(gòu)模型, Wang et al. 1990) 簡單模型：簡單模型：MC + 體積應(yīng)變增量模型體積應(yīng)變增量模型 Finn模型： Byrne模型：GeoHohai35 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai36 / 77Interface單元簡介用途用途 巖體介質(zhì)中的解理、斷層、巖

26、層面巖體介質(zhì)中的解理、斷層、巖層面 地基與土體的接觸地基與土體的接觸 箱、槽及其內(nèi)充填物的接觸箱、槽及其內(nèi)充填物的接觸 空間中無變形的固定空間中無變形的固定“障礙障礙”原理原理 三角形單元三角形單元(無厚度無厚度!) 8參數(shù)參數(shù) 三種工作模式三種工作模式 粘結(jié)界面 粘接滑移 庫倫滑動GeoHohai37 / 77Interface的建立(1)關(guān)鍵關(guān)鍵要形成同一位置的兩個節(jié)點要形成同一位置的兩個節(jié)點(面面)“移來移去移來移去”(推薦推薦) 建兩個分開的模型建兩個分開的模型 建立接觸單元建立接觸單元 通過通過INI * add使模型接觸使模型接觸 注意注意dist的含義的含義 NO merge,

27、NO attach!接觸面dist1234GeoHohai38 / 77Interface的建立(2)“導(dǎo)來導(dǎo)去導(dǎo)來導(dǎo)去” 利用利用expgrid, impgrid命令進行網(wǎng)格導(dǎo)出與導(dǎo)入命令進行網(wǎng)格導(dǎo)出與導(dǎo)入 配合配合DELETE命令命令 適于內(nèi)部接觸面的建立，或適于內(nèi)部接觸面的建立，或 其他前處理工具建立的網(wǎng)格其他前處理工具建立的網(wǎng)格GeoHohai39 / 77Interface的建立(2)save 1.savdel ran grop 2 notInterface 1 facesave 2.savrest 1.savdel ran group 2expgrid 1.fac3drest 2.

28、savimpgrid 1.flac3dGeoHohai40 / 77Interface的建立(3)GEN separate INTERFACE wrap 指定正確的指定正確的groupGeoHohai41 / 77Interface參數(shù)的確定虛構(gòu)的為了合并節(jié)點而設(shè)置的接觸面虛構(gòu)的為了合并節(jié)點而設(shè)置的接觸面 kn=ks=10*真實的剛性接觸面真實的剛性接觸面 如料倉下料如料倉下料 c,D,Tension重要，重要，kn,ks不重要不重要真實的柔性接觸面真實的柔性接觸面 斷層；斷層；水力劈裂水力劈裂材料材料 試驗得到參數(shù)試驗得到參數(shù) 對于對于kn,ks：巖石斷層：巖石斷層10100MPa/m(粘土

29、粘土); 100GPa(巖石巖石) 反分析方法反分析方法：通過斷層中巖石的變形與原巖的變形：通過斷層中巖石的變形與原巖的變形GeoHohai42 / 77例3：單樁承載力分析軟土地基軟土地基 bulk 1.6878E6 shear 3.6167E5 coh 15E3 fric 12 dens 1.73E3樁體樁體 bulk 5e9 shear 3.75e9 dens 2.5e30.5m 8m 10m 20m GeoHohai43 / 77計算過程施加樁頂荷載施加樁頂荷載計算結(jié)果計算結(jié)果GeoHohai44 / 77影響因素水平因素水平因素knksfriccoh1100e100e203.00E+

30、04210k10g0.7friccoh/0.73kgfric7.50E+03GeoHohai45 / 77計算工況設(shè)計 水平因水平因素素工況工況knksfriccoh(1)1111(2)1222(3)1333(4)2123(5)2231(6)2312(7)3132(8)3213(9)3321GeoHohai46 / 77計算結(jié)果Ks取取1 Ks取取2 Ks取取3 水平因素knksfriccohRa差異度(1)111137.8%(2)122242.9%(3)133396.9%(4)212337.8%(5)22317.1%(6)231296.9%(7)313254.1%(8)321322.4%(9

31、)332196.9%GeoHohai47 / 77最優(yōu)方案水平因素knksfriccohk159.2%43.2%52.4%47.3%k247.3%24.1%59.2%64.6%k357.8%96.9%52.7%52.4%極差11.9%72.8%6.8%17.3%最優(yōu)方案2211102211112222GeoHohai48 / 77合理步驟單樁分析單樁分析簡單網(wǎng)格簡單網(wǎng)格接觸面參數(shù)接觸面參數(shù)多次試算多次試算理論、實測理論、實測加密網(wǎng)格加密網(wǎng)格接觸參數(shù)接觸參數(shù)理想結(jié)果理想結(jié)果群樁分析群樁分析Pile結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元單元參數(shù)單元參數(shù)理想結(jié)果理想結(jié)果Pile結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元單元參數(shù)單元參數(shù)理想結(jié)果理想

32、結(jié)果GeoHohai49 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai50 / 77FLAC3D中的結(jié)構(gòu)單元有限單元有限單元梁梁(beam)單元單元錨索錨索(cable)單元單元樁樁(pile)單元單元 錨桿錨桿: rockbolt殼殼(shell)單元單元格柵格柵(geogrid)單元單元 土工織物；土工格柵土工織物；土工

33、格柵初襯初襯(liner)單元單元beamcablepileshellgeogridlinerGeoHohai51 / 77結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)用土與結(jié)構(gòu)的相互作用土與結(jié)構(gòu)的相互作用 樁基樁基；基坑；邊坡錨固；基坑；邊坡錨固 地下硐室的支撐結(jié)構(gòu)；采礦；盾構(gòu)地下硐室的支撐結(jié)構(gòu)；采礦；盾構(gòu) 土工織物；土工合成材料土工織物；土工合成材料結(jié)構(gòu)不宜復(fù)雜結(jié)構(gòu)不宜復(fù)雜 巖土工程軟件，不宜單純的結(jié)構(gòu)分析巖土工程軟件，不宜單純的結(jié)構(gòu)分析 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬很困難復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬很困難 結(jié)構(gòu)單元仍不完善結(jié)構(gòu)單元仍不完善 plot顯示 雙向接觸結(jié)構(gòu)(擋土墻) 結(jié)構(gòu)單元的厚度GeoHohai52 / 77Liner結(jié)構(gòu)單元三節(jié)點扁

34、平有限單元三節(jié)點扁平有限單元每個節(jié)點有每個節(jié)點有6個自由度個自由度 3個移動，個移動，3個旋轉(zhuǎn)個旋轉(zhuǎn)能夠抵抗膜及彎矩荷載能夠抵抗膜及彎矩荷載能夠承受主方向的拉壓應(yīng)力能夠承受主方向的拉壓應(yīng)力能夠模擬管片與土體之間的分離及隨后的重新接觸能夠模擬管片與土體之間的分離及隨后的重新接觸能夠模擬管片與土體之間的摩擦相互作用能夠模擬管片與土體之間的摩擦相互作用 法向法向切向切向GeoHohai53 / 77例4：隧道與土體的相互作用半圓隧道直徑半圓隧道直徑3.25m上覆土層厚度上覆土層厚度5m計算范圍計算范圍3r土體彈性計算土體彈性計算 (K=30MPa, G=10MPa)參數(shù)化編程參數(shù)化編程 幾何尺寸幾何

35、尺寸 模型參數(shù)模型參數(shù) 網(wǎng)格形狀網(wǎng)格形狀hthbrBGeoHohai54 / 77計算步驟模型網(wǎng)格模型網(wǎng)格初始應(yīng)力生成初始應(yīng)力生成施加管片施加管片計算結(jié)果計算結(jié)果GeoHohai55 / 77管片的連接冷連接冷連接 彎矩和剪力不能直接在環(huán)與彎矩和剪力不能直接在環(huán)與環(huán)間傳遞，只能通過其相鄰環(huán)間傳遞，只能通過其相鄰的介質(zhì)傳遞的介質(zhì)傳遞全連接全連接 相鄰的相鄰的Liner單元在連接處單元在連接處共用一個節(jié)點，連接處重疊共用一個節(jié)點，連接處重疊單元不能發(fā)生移動或旋轉(zhuǎn)單元不能發(fā)生移動或旋轉(zhuǎn) 結(jié)點連接結(jié)點連接 即結(jié)點間的連接在即結(jié)點間的連接在6個方向個方向的自由度上用的自由度上用彈簧彈簧來模擬，來模擬，每

36、個自由度都可具有一定的每個自由度都可具有一定的特性特性 通縫拼接錯縫拼接GeoHohai56 / 77連接方式的影響變形結(jié)果變形結(jié)果zr屬性更改6屬性更改注：變形放大200倍GeoHohai57 / 77例5：結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)config dynsel pile id=1 beg 0 0 0 end 0 0 1sel pile prop dens 2400 & Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3 & XCJ 0.16375 XCIy 0.00625 XCIz 0.01575 & Per 2.8 CS_sK 1.3e11 CS_nK 1.3e11&a

37、mp; CS_nGap off sel node fix x y z xr yr zr ran id=1sel set damp combined def f1 whilestepping f0=10000*sin(10*dytime) np = nd_head loop while np # null if nd_pos(np,1,3)=1 nd_apply(np,1)=f0 endif np = nd_next(np) endloopendsolve age 1 pile10000*sin(10*t)GeoHohai58 / 77例5：結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)GeoHohai59 / 77主要內(nèi)容軟

38、件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai60 / 77FLAC3D流-固耦合分析(單相流)基本功能基本功能理論框架理論框架計算模式計算模式滲流邊界條件，初始條件滲流邊界條件，初始條件單滲流計算及滲流耦合計算單滲流計算及滲流耦合計算 GeoHohai61 / 77基本功能滲流各向同性、各向異性滲流各向同性、各向異性不同的滲流模型和屬性不同的

39、滲流模型和屬性流體壓力，涌入量，滲漏量和不滲水邊界流體壓力，涌入量，滲漏量和不滲水邊界抽水井、點源、體積源抽水井、點源、體積源飽和滲流可采用顯式差分法、隱式差分法飽和滲流可采用顯式差分法、隱式差分法 非飽和滲流非飽和滲流采用顯式差分法采用顯式差分法滲流滲流-固體固體-熱熱的耦合的耦合流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒(骨架骨架)的壓縮的壓縮程度，用程度，用Biot系數(shù)表示顆粒的可壓縮程度系數(shù)表示顆粒的可壓縮程度循環(huán)荷載引起的動水壓力變化和循環(huán)荷載引起的動水壓力變化和土體液化土體液化GeoHohai62 / 77地下水模擬方法有效應(yīng)力計算有效應(yīng)力計算 不耦合不耦

40、合 孔壓為了正確計算有效應(yīng)力孔壓為了正確計算有效應(yīng)力滲流計算已得到孔壓分布滲流計算已得到孔壓分布 飽和飽和 有水面線的部分飽和有水面線的部分飽和力學(xué)變形產(chǎn)生孔壓力學(xué)變形產(chǎn)生孔壓 靜力或者動力靜力或者動力 不排水孔壓或液化不排水孔壓或液化流固耦合計算模式流固耦合計算模式 時間比例時間比例GeoHohai63 / 77有效應(yīng)力計算不設(shè)置不設(shè)置CONFIG Fluid孔壓不改變孔壓不改變設(shè)置孔壓分布設(shè)置孔壓分布 INITIAL pp WATER table WATER density WATER table face SET gravity手動設(shè)置手動設(shè)置干濕密度干濕密度設(shè)置設(shè)置CONFIG flu

41、id設(shè)置土體設(shè)置土體干密度干密度 滲流模型滲流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null SET fluid offset WATER bulk = 0無滲流模式滲流模式GeoHohai64 / 77不耦合計算CONFIG fluidSET mech off正確的滲透系數(shù)正確的滲透系數(shù)得到孔壓分布和水面線得到孔壓分布和水面線穩(wěn)態(tài)滲流可以減小穩(wěn)態(tài)滲流可以減小KfCONFIG fluidSET fluid off正確的流體模量正確的流體模量Kf不需要滲透系數(shù)不需要滲透系數(shù)單滲流模式單力學(xué)模式GeoHohai65 / 77流固耦合

42、計算CONFIG fluidSET fluid on真實的流體模量真實的流體模量Kf和滲透系數(shù)和滲透系數(shù)耦合方式耦合方式 D Dp DeDev D D DeDev D Dp計算模式計算模式 手動調(diào)整的手動調(diào)整的STEP求解求解 主從進程的主從進程的SOLVE求解求解 自動自動STEP求解求解GeoHohai66 / 77流固耦合的計算方法手動調(diào)整的手動調(diào)整的STEP求解求解SET fluid on mech offSTEPSET fluid off mech onSTEP主從進程的主從進程的SOLVE求解求解SET mech forceSET mech substep n auto (從進程)

43、SET mech substep m(主進程)SOLVE age自動自動STEP求解求解STEPGeoHohai67 / 77滲流問題(CONFIG fluid)分析步驟時間比例時間比例(ts, tc) 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 不排水狀態(tài)不排水狀態(tài) 相當相當擾動類型擾動類型 力學(xué)擾動力學(xué)擾動 孔壓擾動孔壓擾動流固剛度比流固剛度比Rk 是否是否1完全耦合模式完全耦合模式 時間比例相當；力學(xué)擾動時間比例相當；力學(xué)擾動GeoHohai68 / 77滲流邊界條件，初始條件默認的邊界條件是不透水邊界默認的邊界條件是不透水邊界 孔隙壓力自由孔隙壓力自由(不透水邊界不透水邊界 )固定孔隙水壓力固定孔隙水壓力(透水邊界透水

44、邊界) 如：井如：井 孔隙壓力，孔隙率，飽和度和流體屬性的初始分布可以孔隙壓力，孔隙率，飽和度和流體屬性的初始分布可以用用INITIAL命令或者命令或者PROPERTY命令定義。命令定義。 GeoHohai69 / 77例6： 真空預(yù)壓的模擬孔壓邊界條件孔壓邊界條件tstc 長期分析長期分析(排水排水)Rk1 骨架很軟骨架很軟孔壓擾動孔壓擾動 進行進行biot_mod調(diào)整調(diào)整砂層軟土層粘土層PVD2m8m10mVacuum.txtGeoHohai70 / 77例6： 真空預(yù)壓的模擬(movie)GeoHohai71 / 77主要內(nèi)容軟件介紹軟件介紹動力分析動力分析 Dynamic Option樁樁-土相互作用分析土相互作用分析 Interface隧道分析隧道分析 Structure Element流固耦合分析流固耦合分析 Fluid-Mechanical Interaction學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹學(xué)習(xí)方法及經(jīng)驗介紹GeoHohai72 / 77FLAC / FLAC3D的使用心得 很好的巖土工程很好的巖土工程專業(yè)專業(yè)軟