邊坡模擬過(guò)程介紹

近幾年來(lái)，各種數(shù)值模擬技術(shù)在巖土力學(xué)中有了很大的發(fā)展和應(yīng)用。由美國(guó)明尼蘇達(dá)ITASCA軟件公司開(kāi)發(fā)發(fā)展的快速拉格朗日分析(FastLagrangianAnalysisofContinua，簡(jiǎn)稱FLAC)是一種基于顯式有限差分分析方法的新型數(shù)值分析方法，它可以模擬巖土或其它材料的力學(xué)行為。這種算法可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)等，尤其在材料的彈塑性、大變形分析等領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。FLAC程序基本原理類同于離散單元法，但它能像有限元那樣適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問(wèn)題求解，在求解過(guò)程中，F(xiàn)LAC又采用了離散元的動(dòng)態(tài)松弛法，不需求解大型聯(lián)立方程組。同時(shí)該數(shù)值分析方法還可考慮錨桿、擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，廣泛應(yīng)用于邊坡和路基的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定分析、淺基和深基工程、土石壩和混凝土壩設(shè)計(jì)、隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)等方面，是巖土工程中的一種重要研究工具?，F(xiàn)將FLAC-3D用于邊坡穩(wěn)定分析模擬的基本過(guò)程介紹如下：一、建模簡(jiǎn)單的模型一般在FLAC-3D中直接建立，F(xiàn)LAC-3D中建模主要使用網(wǎng)格生成器generate命令，通過(guò)匹配、連接由網(wǎng)格生成器生成局部網(wǎng)格，能夠方便地生成所需要的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。還可以自動(dòng)產(chǎn)生交叉結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(比如說(shuō)相交的巷道)，三維網(wǎng)格由整體坐標(biāo)系x,y,z系統(tǒng)所確定，不同于FLAC-2D程序是由行列方式確定。這就提供了比較靈活的產(chǎn)生和定義三維空間參數(shù)。generate命令可以調(diào)出網(wǎng)格生成器：使用generatezone命令可以生成一些基本形狀的網(wǎng)格；使用generatepoint命令可以在網(wǎng)格中定義點(diǎn)，這些點(diǎn)可以用作網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)；generatemerge命令通常是用來(lái)確定獨(dú)立的網(wǎng)格間的連接是否合適，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置必須一致或相差小于容許值，才能使兩個(gè)基本形狀的網(wǎng)格連接。當(dāng)兩個(gè)連接面上的單元大小不同時(shí)，可用attach命令來(lái)連接。如果模型形狀很復(fù)雜，則可使用fish程序來(lái)生成網(wǎng)格。使用generatesurface命令可以在最后的網(wǎng)格中定義獨(dú)立的網(wǎng)格區(qū)域。generatezone命令可調(diào)用的基本形狀的網(wǎng)格列于下表 1。表1FLAC-3D的基本形狀網(wǎng)格關(guān)鍵詞含義關(guān)鍵詞含義Brick塊體形狀網(wǎng)格Radbrick塊體周圍等分的放射狀網(wǎng)格Wedge楔體形狀網(wǎng)格Radtunnel平行六面體隧道周圍放射狀的網(wǎng)格Tetra四面體形狀網(wǎng)格Radcylinder圓柱體隧道周圍放射狀的網(wǎng)格Pyramid棱錐形狀網(wǎng)格Cshell柱形殼體網(wǎng)格Cylinder圓柱體網(wǎng)格Cylint交叉的圓柱體隧道網(wǎng)格Dbrick簡(jiǎn)化的塊體網(wǎng)格Tunint交叉的平行六面體隧道網(wǎng)格由于地質(zhì)計(jì)算模型一般比較復(fù)雜，因此可以選用一些三維有限元軟件或能處理三維數(shù)據(jù)處理的軟件如： ABAQUS、ANASYS、GOCAD、ADINA、SURFER等。實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)選用ANASYS作為前處理，該軟件前處理功能比較強(qiáng)大，當(dāng)開(kāi)挖階梯很多時(shí)選取一個(gè)剖面在ANASYS中建立一二維平面，沿剖面法線方向拖拉一定距離（與最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)相適應(yīng)）得到三維計(jì)算模型，該計(jì)算模型中主要包括邊界幾何形狀（原始和開(kāi)挖后的邊坡形狀）、材料模型（與FLAC計(jì)算中的各個(gè)材料模型相對(duì)應(yīng)）和網(wǎng)格信息。該模型是為能在FLAC-3D中計(jì)算而建立的準(zhǔn)三維模型，如果地形和地質(zhì)資料比較詳盡，且地質(zhì)界限簡(jiǎn)單、開(kāi)挖邊界的尖角轉(zhuǎn)折較少時(shí)可以在ANASYS中建立三維模型。二、模型導(dǎo)入FLAC-3D使用各不同軟件建模后都需要將模型導(dǎo)入 FLAC-3D中，但都需要自己編制相應(yīng)的導(dǎo)入程序。ANASYS導(dǎo)入FLAC-3D的具體步驟是，將ANASYS中的節(jié)點(diǎn)（node）和單元（element）信息以list文本文件類型保存，再利用一些轉(zhuǎn)換軟件如，anasystoflac將文件轉(zhuǎn)換為能被FLAC-3D使用的dat文件，然后就可以在FLAC-3D中讀取該文件，再保存就成為FLAC-3D的計(jì)算模型。該模型中繼承了ANASYS中的網(wǎng)格和材料模型信息，不過(guò)ANASYS中的材料模型在FLAC-3D中變?yōu)間roup，并且在后面的FLAC-3D模擬計(jì)算中主要也是對(duì)group來(lái)進(jìn)行操作，因此，在建模前首先要規(guī)劃準(zhǔn)備建立多少個(gè)group（一般分步的開(kāi)挖每一部分為一個(gè)group，不同的材料模型為不同的group，不同的地質(zhì)參數(shù)部分為不同的group）。例如：在下圖1中（）中的數(shù)字代表ANASYS中不同材料的類別編號(hào)，導(dǎo)入

FLAC-3D中后轉(zhuǎn)換為group的編號(hào)，其中（1）（2）（4）（5）對(duì)應(yīng)微、弱、強(qiáng)風(fēng)化巖體和殘破積物，在FLAC-3D中為莫爾-庫(kù)倫模型，如果某幾個(gè)部分的材料模型和參數(shù)完全一致，則可以定義為一個(gè)編號(hào)，下圖中的（2）和（4）就是這種情況,都包括兩個(gè)部分；（3）為較破碎巖體，在FLAC中賦予遍布節(jié)理模型；（6）?（17）為分步開(kāi)挖的編號(hào)，在FLAC-3D中對(duì)應(yīng)null模型。(5) (6)⑺⑻(4)F(9)原地面線(14)(12— (13)(15)(16)三、FLAC-3D的模擬計(jì)算(1)圖1材料編號(hào)示意圖計(jì)算循環(huán)原理：FLAC3D程序?qū)⒂?jì)算原地面線(14)(12— (13)(15)(16)三、FLAC-3D的模擬計(jì)算(1)圖1材料編號(hào)示意圖計(jì)算循環(huán)原理：FLAC3D程序?qū)⒂?jì)算單元之間的不平衡力（Unbal-force），將此不平衡力重新加到各節(jié)點(diǎn)上，再進(jìn)行下步的迭代運(yùn)算，直到不平衡力足夠小或者各節(jié)點(diǎn)的位移趨于平衡為止。圖FLAC3D程序的計(jì)算循環(huán)示意圖。一平衡方程（運(yùn)動(dòng)方程）I新的速新的應(yīng)度和位移力和力11應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系（本構(gòu)方程）1為邊坡數(shù)值計(jì)算的基本步驟:邊坡數(shù)值計(jì)算的基本步驟:圖2為FLACD程序計(jì)算循環(huán)示意（1）接觸面的建立一一在模型中存在軟弱接觸面時(shí)，在 ANASYS中建模時(shí)就要單獨(dú)把它移動(dòng)到某一合適位置，導(dǎo)入 FLAC-3D后再移到剖面原始位置。然后定義接觸面即interface，再賦予產(chǎn)狀、內(nèi)摩擦角等參數(shù)。無(wú)接觸面的直接進(jìn)行下（2）初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算一一給計(jì)算模型加上約束和邊界力，并分別給各巖層賦予相應(yīng)的強(qiáng)度及變形參數(shù)值，在自重作用下形成初始應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算至各單元力系平衡。（3）開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的模擬一一將初始自重應(yīng)力作用產(chǎn)生的變形歸零，然后利用null模型實(shí)現(xiàn)分布開(kāi)挖過(guò)程的模擬，利用cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿的加固作用（如有擋墻或抗滑樁則由shell或pile結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)），迭代收斂后，再進(jìn)行下一級(jí)邊坡的開(kāi)挖、支護(hù)，直到開(kāi)挖完畢。（4） 結(jié)果的輸出一一在計(jì)算過(guò)程中可以設(shè)置跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)輸出跟蹤點(diǎn)的位移變形情況來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性。同時(shí)利用FLAC-3D自身的輸出結(jié)果（應(yīng)力、應(yīng)變、位移、塑性區(qū)分布等）來(lái)進(jìn)行結(jié)果分析。（5） 結(jié)果分析一一由應(yīng)力圖可以看出哪些區(qū)域?qū)ζ麦w穩(wěn)定不利，比如在某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中或變異，以及在某些部位出現(xiàn)拉應(yīng)力。還可以結(jié)合塑性分布圖來(lái)共同判斷，在這些部位是否會(huì)發(fā)生破壞。從塑性狀態(tài)圖可看出兩種類型的破壞機(jī)制：剪切破壞和拉伸破壞一一在圖上用不同的顏色給于表示。塑性狀態(tài)圖可以顯示的狀態(tài)有： （1）某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)入屈服狀態(tài)（如某區(qū)域正處于破壞階段時(shí)用-n表示）；（2）某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力在模型運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入過(guò)屈服狀態(tài)，但現(xiàn)在已經(jīng)退出了屈服狀態(tài)，用 -p表示。（3）某一區(qū)域在開(kāi)始階段出現(xiàn)塑性流動(dòng)，后來(lái)由于應(yīng)力重分