FLAC数值模拟软件及其在地学中的应用

FLAC是以拉格朗日差分法为基础的一种数值模拟应用软件,主要用于岩土力学工程。近年地质学家将其应用到地质构造和块体运动学、动力学研究中,以证实或证伪地球学家们提出的相关地球动力学模型。本文初步介绍了FLAC应用软件的基本原理、使用方法以及它在国内外地质学上的几个应用实例。     

数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介

拉格朗日元法是一种常见的数值计算方法,以有限差分程序FLAC软件为例,简单论述其原理,分析了它的优缺点并叙述其工作流程,表明其非常适合解决非线性、大变形问题.同时通过介绍了在国内外地学方面的一些应用实例,对数值模拟技术在国内地学方面的应用和研究提出一些建议.     

岩土力学数值模拟中力学参数的确定方法

力学参数的选取是进行岩土力学数值模拟的关键，它直接决定了模拟结果的合理性。不同的力学模型需要选取不同的计算参数，经验值在参数的确定过程中具有一定程度的参考价值，几种变形参数和强度参数的现场尺度转化方法解决了室内土工实验参数的现场应用问题，提出了进行力学参数和计算模型合理确定的推断模型的概念，并对推断模型实现的思想和步骤进行了较为详细的讨论。     

加筋陡坡路基应力变形特性的数值模拟分析

针对日益增长的山区公路建设需求,利用有限元法,通过自然边坡状况、回填土强度和填筑高度这3个设计参数的敏感性分析,对修筑于不同开挖角下加筋路基的应力变形特性进行了对比研究。结果表明：与修筑在水平场地上的路基相比,回填土强度的降低或填筑高度的增加都会更加显著地增大陡坡路基的变形,同时,由于其回填土容易沿着边坡产生整体下滑,导致了其变形、基底压力和面板侧移等过大的问题。在不同坡面摩擦系数、回填土强度和填筑高度下,开挖角为45的加筋陡坡路基的位移比开挖角为63.4（坡比2：1）和90（水平场地）的路基的变形分别高6.8%～96.8%和29.4%～192.3%、6.8%～33.1%和29.4%～77.9%、7.7%～37.9%和27.2%～91.6%。研究结论可为日益增长的山区公路建设提供指导。     

应力路径对地表变形特性影响的数值模拟

针对不同环境条件及工程因素对地表变形影响的不同特点,研究了不同应力状态下土的变形特性,得出其影响地表变形的基本规律。通过典型三轴试验对比分析了变形规律,由试验数据空间反演了各应力路径下的本构模型空间,编制相应的模块嵌入有限元程序,模拟了几种不同路径下地表沉降算例,得到了导致地表变形的几个基本规律：①不同的地表变形问题对应的应力路径千差万别,需要用不同的应力路径条件下的本构模型进行分析;②应力路径的影响是不可忽略的,甚至在诸多因素中起主导作用;③数值建模方法建立起来的模型通过权值系列的不同反映应力路径的影响,能较好应用于此类问题的分析;④CTC与TC路径极限体变相差近20 %;⑤CTC路径的剪缩区范围比CTE路径大,两种路径下剪缩体应变值最大相差近17.3 %;CTE路径较CTC路径的剪胀更为明显,剪胀体应变最大相对差值近98 %。     

盾构掘进过程土体变形特性数值模拟

运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构掘进工程进行了数值仿真,仿真过程中考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素,得到了地表沉降槽和土体纵向变化规律,并与实测结果进行了对比,结果表明,吻合较好。     

岩溶洼地形成演化过程的FLAC数值模拟初探

以典型喀斯特洼地——贵州省平塘县高务洼地为地质原型，在查清其发育特征的基础上，用FLAC^3D数值模拟方法，对其发展演化过程进行了三维动态仿真，从而从地质力学的角度得出岩溶洼地形成的动力演化机制。     

砂土液化大变形模型在FLAC3D中的开发与应用

通过FLAC3D二次开发平台,在VC++环境下实现了基于砂土液化大变形机制的变动映射中心边界面弹塑性模型的二次开发。基于饱和砂土液化大变形本构理论,该模型符合三维应力空间边界面映射规则,并引入临界状态变量,可实现对不同密度和围压状态下砂土液化大变形分析。针对FLAC3D程序混合离散技术与数据调用模式和模型的体积相容性条件,测试分析了将模型采用不同植入方案的计算稳定性,开发了在FLAC3D混合离散技术下不同子区共享映射中心,进入与离开液化状态保持同步的开发方案,并给出模型开发的关键技术与实施方法。利用开发的模型,对饱和砂土开展了不排水/排水/循环三轴试验与不排水循环扭剪试验模拟,及三维地基的动力反应分析。计算结果表明,模型及所开发程序具有很好的模拟与分析砂土液化后大变形的能力。     

锚固体应力分布规律的数值模拟分析

采用非线性有限元法,分析了全长粘结式锚杆在荷载作用下剪应力的分布规律,同时研究了被加固岩土体的性质对锚固体剪应力分布规律的影响。并将数值模拟的结果与理论计算以及试验结果进行了对比分析。分析表明,锚固体剪应力的分布非常不均匀;当荷载不大时,锚杆所受的剪应力分布范围较小,而最大剪应力数值较大;随着荷载的加大,剪应力的分布范围有向下扩展的趋势,但扩展的速度比较慢;锚固体所受的剪应力的大小和分布与岩体性质有密切的关系,岩石越坚硬,剪应力分布越集中,最大剪应力的数值越大;而岩体越松软,剪应力分布就越均匀,最大剪应力的数值就越小。     

HDD铺管引起地表工后变形的数值模拟分析

水平定向钻进（HDD）是一种重要的非开挖铺管技术,在非开挖领域应用非常广泛。由于其会扰动周围地层以及造成地层损失,进而造成一定程度的地表变形,如地表沉降、地表水平变形等。本文采用有限差分数值模拟方法,运用FLAC3D软件分析了HDD铺管的引起的地表工后变形问题;综合考虑了不同地层内聚力、地表荷载及扩孔级数情况下的地表工后变形。     

Assessment of damping models in FLAC

Geotechnical materials dissipate energy as mechanical waves propagate through them. This form of energy dissipation is known as material damping and can be introduced into formulations for dynamic analyses in different ways. Particularly, the finite difference code FLAC contains some alternatives to represent material damping in seismic analyses. In the present review paper these damping models were assessed simulating the free field response of a particular site in Mexico City, induced by the 1985 Michoacán Earthquake. It is concluded that, for the conditions studied here, Rayleigh damping turned out to be the most suitable alternative to represent energy dissipation of soil elements.     

统一弹塑性本构模型在FLAC3D中的计算格式

统一强度理论是一个有着坚实理论基础、可表达各种岩土材料强度特性且被广泛应用的新的强度理论。FLAC3D是一个具有强大的计算分析功能且专门针对岩土工程问题开发并被广泛应用的数值分析软件。若能将二者结合起来,无疑会大大促进岩土工程领域相关问题的解决。针对这一问题,研究了统一弹塑性本构模型在有限差分方法中应用的基本理论格式。根据FLAC3D软件中UDM接口计算格式的要求,将统一强度理论引入其中,详细推导了统一弹塑性本构模型在FLAC3D软件中应用的计算公式。由于统一屈服面在应力空间内由12个面组成,在应力角为[0,π/3]的范围内,统一屈服面由两个相交面组成,为计算塑性因子及处理计算中应力超出屈服面的应力调整问题,利用应力角分析了应力空间的分区,推导了区域分界面的公式。最后,编制了相应的UDM接口程序对一圆形隧洞进行了弹塑性分析,对比了计算结果与解析解,结果很好地验证了此计算格式及相应接口程序的正确性。统一强度理论和FLAC3D软件的结合,将使二者的优点得以充分发挥,以解决更多的岩土工程问题。     

Numerical Method for Modeling the Constitutive Relationship of Sand under Different Stress Paths

Overonehundredconstitutivemodelsforsand havebeenproposed,howeveronlyafewmodelsare widelyappliedinengineering.Therearetwochief reasonsforthis.(1)Sandiscomposedofgeological materialsandsituatedinaneutralenvironmentthat hassufferedvariousactions.Therefore,itisdifficult todescribethecomplexbehaviorofsoilsbyusinga simplemathematicalmodelwithonlyafewparame ters.(2)Therealsoexistsabasicparadoxintradi tionalmodelingmethods.Oneaspectofthemodelsis neededtodescribetheconstitutiverelationofsoilac curatel…     

隧道爆破开挖围岩动力损伤效应数值模拟

采用数值模拟技术预估岩体开裂深度及爆破损伤影响范围对工程设计可以起到事先指导作用,对施工安全具有重大意义,其中科学的、合理的损伤模型及迭代计算方法是关键。基于FLAC3D程序的用户自定义本构模块,将考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型与Mohr-Coulomb弹塑性本构进行耦合,将围岩破坏过程中的损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成了弹塑性动力损伤本构模型,详细推导了损伤应力修正迭代计算方法。对一圆形隧道爆破开挖进行模拟,探讨了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律。分析结果表明,爆破产生的质点振动速度峰值与其所造成的损伤具有很好的相关性。该爆破损伤模型及模拟方法可以为类似工程提供一定参考     

基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的二次开发及应用

Zienkiewicz-Pande屈服准则是Mohr-Coulomb准则的改进,在p-q子午面和π平面上都是光滑曲线,不存在尖点,不仅在数值迭代计算过程中易于处理,而且在一定程度上考虑了屈服曲线与静水压力的关系以及中主应力σ2对屈服的影响。该准则已应用于多个水电站地下洞室开挖支护计算中,但并未被大型数值计算软件所采用。根据弹塑性力学原理,详细推导了基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的增量迭代计算格式;在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,利用VC++程序语言实现了计算过程,并编译成动态链接库文件进行加载和调用。将自编的本构模型对一理想圆形隧洞进行模拟,计算结果与Mohr-Coulomb准则一致,验证了计算格式的正确性。将此本构模型应用于一大型地下洞室群的开挖围岩稳定分析中,得到的塑性区、位移场、应力场分布与Mohr-Coulomb准则计算结果分布规律相符,进一步验证了模型的适用性和可靠性。     

对岩土工程数值分析的几点思考

首先,介绍了笔者对我国岩土工程数值分析现状的调查结果及分析,然后,分析了采用连续介质力学分析岩土工程问题的关键,并讨论分析了岩土本构理论发展现状,提出对岩土本构理论发展方向的思考,最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明,岩土工程数值分析结果是岩土工程师在岩土工程分析过程中进行综合判断的重要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验才能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。     

FLAC3D在边坡数值分析及位移监测中应用

以辽宁省岫岩县某山头边坡为例,通过槽探、钻探、大型剪切试验等多种手段,找出合理潜在滑动面。利用FLAC3D软件对该边坡进行三维数值模拟,分析应力应变关系,得出变形较大及应力集中区域,同时利用强度折减法得出边坡的安全系数,评价其稳定性。将从边坡后缘张拉裂隙上布设的位移监测点采集到的数据,与数值模拟结果进行对比分析,验证数值模拟的可靠性,为边坡抗滑设计提供依据。     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

节理岩体爆破数值模型及模拟研究

运用多刚体系统动力学及接触冲击理论建立了节理岩体弹塑性动态本构模型。基于DYNA－2D程序原理及其框架,利用所建模型,模拟了节理岩体的爆破过程,量化了节理岩体在爆炸载荷作用下不同时刻的应力场。     

Correction to the gas phase pressure term in the continuum model for partially saturated granular media presented by Pietruszczak and co‐workers

Pietruszczak and coworkers (Internat. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 1994; 18 (2):93–105; Comput. Geotech. 1991; 12 ( ):55–71) have presented a continuum‐based model for predicting the dynamic mechanical response of partially saturated granular media with viscous interstitial liquids. In their model they assume that the gas phase is distributed uniformly throughout the medium as discrete spherical air bubbles occupying the voids between the particles. However, their derivation of the air pressure inside these gas bubbles is inconsistent with their stated assumptions. In addition the resultant dependence of gas pressure on liquid saturation lies outside of the plausible range of possible values for discrete air bubbles. This results in an over‐prediction of the average bulk modulus of the void phase. Corrected equations are presented. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.