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。     

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。     

免共振沉桩过程对地表振动影响的FLAC3D数值模拟

为研究免共振沉桩过程对地表振动影响,采用密度放大法以消除模型桩弹性模量过大对计算效率的影响,在有限差分软件FLAC^3D中建立了相应的连续振动沉桩模型,并和文献中的现场测试结果进行了比较,分析了激振力幅值和振动频率这两个施工参数对地表振动响应的影响。结果表明：密度放大法可有效提高数值模拟的计算效率,模拟沉桩7.0倍桩径（4.9 m）所需计算时间约为12.0 h,数值结果较好地模拟了现场测试中免共振沉桩的地表振动影响;激振力幅值和振动频率均主要对近场（水平距离为5.0倍桩径范围内）的地表振动有明显影响;临界沉桩深度与地表振动影响峰值相对应,该深度随水平距离先增大后趋于稳定;激振力幅值对临界沉桩深度的改变不明显,振动频率对远场临界沉桩深度则有较明显影响。     

库水位下降条件下和平广场滑坡稳定性分析

首先介绍了和平广场滑坡体的地质条件,然后用FLAC3D建立了三维计算模型,对现状条件下及三峡水库库水位下降时的地下水进行了计算,并对滑坡的稳定性进行了分析,得出了不同工况滑坡体应力场分布规律及塑性区分布范围.结果表明:在现状条件下,滑坡体总体上处于稳定状态,但在滑坡体后部及中前部基岩面较陡区域附近出现一定程度的塑性区;三峡水库的运营不会危及滑坡整体的稳定性,但在库水位下降的过程中,由于滑坡体前部基岩面较陡,地下水的渗透压力增大,导致下滑力增大,从而可能使其前缘局部地段产生破坏.     

基于FLAC3D数值模拟的老采空区剩余沉降量分析计算—以山东枣庄安博化工项目为例

空区的剩余沉降值计算是采空区地质灾害危险程度一种定量分析的方法,利用FLAC3D直接模拟早期采煤形成的老采空区塌陷状态,计算出老采空区的剩余沉降量。以山东枣庄安博化工项目为例,首先采用物探、钻探手段探测老采空区深度、顶板塌落与破碎状况以及地质地层信息,其次结合岩心试验地质材料参数结果进行FLAC3D模拟,计算自重作用下采空区剩余沉降量,以及加载建筑后老采空区剩余沉降值,对比了传统概率积分法计算沉降值,结果基本一致,说明计算方法是可靠的。最后分析加载应力与破碎带剩余沉降值的数量关系。为老采空区土地稳定性评估以及剩余沉降量的计算方法提供科学依据与借鉴。     

基于地层信息插值的FLAC3D简易建模方法

为建立一种简易的FLAC3D建模方法,降低FLAC3D前处理时的建模难度,本文基于Python编程语言开发了建模文件生成程序。该程序以岩体各层位的高程信息为基础,采用Kriging插值生成离散网格点数据;并采用离散网格点自动生成建模所需要的网格数据文件;将该文件导入FLAC3D软件中,即可生成与真实钻孔数据和地层信息吻合的三维模型。程序提供了3种FLAC3D内置单元模型可供选择。该方法采用Kriging插值算法,可生成精确的三维地层模型数据。与FLAC3D软件自身的脚本建模语言相比,该方法简单快速。本文使用3类应用数据进行建模,验证提出的插值建模方法可以针对复杂的地形和地质信息生成精确的三维模型。研究成果为采用FLAC3D进行复杂地质区域数值模拟计算提供了一种简单、高效、准确的建模工具。     

陕西省金堆城露天矿排土场高边坡稳定性评价

通过野外实地调研,在详细研究金堆城露天矿排土场高边坡地质条件和边坡变形破坏特征的基础上,分析了该边坡的变形破坏机制,将破坏方式归纳为两种类型:蠕滑-拉裂破坏,拉裂-滑移破坏。通过圆弧法和破坏概率法计算和分析了高边坡在天然、爆破振动和地震条件下5个不同剖面地段的稳定性状态,并利用FLAC数值模拟进行验证,最后,根据变形破坏方式提出了相应的处理措施。为高边坡的稳定性评价、预测和防治提供了有价值的参考。     

渗流自由面的数值分析

在岩土边坡、土坝、地下洞室及地下水运动等渗流分析中,均存在有渗流自由面问题。渗流自由面的确定,对于正确认识地下水在边坡稳定以及变形中地应用,了解地下水在边坡中的赋存特性及其运动过程等具有重大意义。本文用FLAC数值软件对影响渗流自由面的形态的相关参数,包括渗透系数、孔隙率、水头压力的大小、渗流路径长短、岩土体的各向异性程度等分别建模进行计算分析,得到相关结论。     

Assessment of soil–pile–structure interaction influencing seismic response of mid-rise buildings sitting on floating pile foundations

The role of the seismic soil–pile–structure interaction (SSPSI) is usually considered beneficial to the structural system under seismic loading since it lengthens the lateral fundamental period and leads to higher damping of the system in comparison with the fixed-base assumption. Lessons learned from recent earthquakes show that fixed-base assumption could be misleading, and neglecting the influence of SSPSI could lead to unsafe design particularly for structures founded on soft soils. In this study, in order to better understand the SSPSI phenomena, a series of shaking table tests have been conducted for three different cases, namely: (i) fixed-base structure representing the situation excluding the soil–structure interaction; (ii) structure supported by shallow foundation on soft soil; and (iii) structure supported by floating (frictional) pile foundation in soft soil. A laminar soil container has been designed and constructed to simulate the free field soil response by minimising boundary effects during shaking table tests. In addition, a fully nonlinear three dimensional numerical model employing FLAC3D has been adopted to perform time-history analysis on the mentioned three cases. The numerical model adopts hysteretic damping algorithm representing the variation of the shear modulus and damping ratio of the soil with the cyclic shear strain capturing the energy absorbing characteristics of the soil. Results are presented in terms of the structural response parameters most significant for the damage such as foundation rocking, base shear, floor deformation, and inter-storey drifts. Comparison of the numerical predictions and the experimental data shows a good agreement confirming the reliability of the numerical model. Both experimental and numerical results indicate that soil–structure interaction amplifies the lateral deflections and inter-storey drifts of the structures supported by floating pile foundations in comparison to the fixed base structures. However, the floating pile foundations contribute to the reduction in the lateral displacements in comparison to the shallow foundation case, due to the reduced rocking components.     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。