FLAC3D在岩土工程中的应用.ppt

FLAC3D在岩土工程中的应用,报告人：陈育民 导 师：刘汉龙 河海大学岩土工程研究所 ,2/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,3/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,4/74,FLAC3D简介,Fast Lagrangian Analysis of Continua 美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986) 1990年代初引入中国 有限差分法(FDM) DOS版2.0 2.1 3.0 Itasca其他软件,5/74,FLAC3D简介,应用： 岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等 岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程 特色： 大应变模拟 完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍 显示求解具有较快的非线性求解速度,6/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,7/74,基本原理,有限差分法 Lagrangian网格 空间混合离散技术 Lagrangian格式动量平衡方程 FLAC3D的求解过程 FLAC3D的本构模型,8/74,有限差分法,古老的方法(上世纪40年代) 用差分格式转化控制方程中的微商格式 流体力学；土工渗流问题；固结 FDM & FEM的混合求解 FDM的新进展,9/74,Lagrangian网格,源自流体力学中的拉格朗日法 跟踪流体质点的运动状态 跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动 节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致 固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家拉格朗日,10/74,空间混合离散技术,结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等单元 以 为基本单元(常应力、常应变) 体应变的计算： 偏应变的计算：,11/74,空间混合离散技术,+,/2,=,12/74,Lagrangian格式动量平衡方程,F(t),m,牛顿运动定律,对于连续体,在静力平衡条件下，加速度项为0，方程变为平衡方程,13/74,Case-1自由落体的模拟,G = mg,S = 1/2gt2 = 20m,命令流： config dyn gen zon bri size 1 1 1 ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1 model elas prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 1000 set grav 0 0 -10 solve age 2,14/74,Case-1自由落体的模拟(movie),15/74,FLAC3D的求解过程,16/74,FLAC3D中的本构模型,开挖模型null 3个弹性模型 各向同性弹性 横观各向同性弹性 正交各向同性弹性 8个塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型）,17/74,FLAC3D中的本构模型,18/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,19/74,FLAC3D的前后处理,命令驱动(推荐) 程序控制 图形界面接口 计算模型输出 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出,20/74,菜单驱动(计算模式),命令栏,21/74,菜单驱动(Plot),22/74,Case-2 一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格 model elas ;材料参数 prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 2000 ;初始条件 fix z ran z -.1 .1 ;边界条件 fix x ran x -.1 .1 fix x ran x 2.9 3.1 fix y ran y -.1 .1 fix y ran y 2.9 3.1 set grav 0 0 -10 solve ;求解 app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2 solve,RUN FLAC3D,23/74,前后处理功能的优点,多种zone类型 后处理快捷、方便、丰富 计算过程中的hist变量动态显示 FISH可进行参数化模型设计 单元状态的可编程 计算暂停时的后处理与可保存,24/74,前后处理功能的缺点,复杂模型的建模功能不强 可以编程导入其他软件形成的网格(比如：Ansys、Adina、GeoCAD) 无等值线的后处理功能(3D) 可编程将.sav文件写入TecPlot等其他后处理软件 全命令操作，学习困难 鼠标功能单一(双击取击点坐标),25/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,26/74,流-固耦合分析(单相流),基本功能 理论框架 计算模式 渗流边界条件，初始条件 单渗流计算及渗流耦合计算,27/74,基本功能,渗流各向同性、各向异性 不同的渗流模型和属性 流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界 抽水井、点源、体积源 饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法 非饱和渗流采用显式差分法 渗流-固体-热的耦合 流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架)的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度。 循环荷载引起的动水压力变化和土体液化。,28/74,理论框架,准静态Biot理论 多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流 描述多孔介质中流体渗流的变量 孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量 质量守恒定律 达西定律 本构定律 考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应变改变和温度改变,29/74,流-固耦合的计算模式,无渗流模式 孔压计算 有渗流模式 瞬态渗流分析 流-固耦合计算,30/74,无渗流模式,不设置CONFIG Fluid 孔压不改变 INITIAL pp WATER table WATER density SET gravity WATER table face 手动设置干湿密度,设置CONFIG fluid 瞬态渗流分析 有效应力计算 不排水计算 设置土体干密度 渗流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null,渗流模式,31/74,渗流边界条件，初始条件,默认的边界条件是不透水边界 孔隙压力自由(不透水边界 ) 固定孔隙水压力(透水边界) 如：井 孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定义。,32/74,单渗流计算及渗流耦合计算,时间比例 完全耦合分析方法 孔压固定分析(有效应力分析) 单渗流得到孔压分布 无渗流计算孔压的力学响应 流-固耦合计算,33/74,时间比例(scale),力学过程的特征时间 流体扩散过程的特征时间,34/74,完全耦合分析方法,时间比例 短期行为 (不排水) ts(分析时间)tc 施加扰动的属性 流体扰动：渗流可不与力学过程耦合 力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比 流固刚度比,35/74,单渗流得到孔压分布,用途：排水沟；抽水井；耦合计算 计算步骤 CONFIG fluid SET mech off SET fluid implicit on/off MODEL fl_; PROP STEP; SOLVE age; SET fluid ratio SET fluid off mech on PROP biot_c 0 (or INI fmod 0),36/74,无渗流计算孔压的力学响应,不排水短期响应 两种分析方法：干法和湿法 干法：Ku=K+a2M 两种破坏形式 WATER或INI获得常孔压，不排水的c, (孔压改变较小) =0,c=cu (MK+4/3G) 湿法：耦合体系的短期行为 使用排水的K, c, 若SET fluid off, Biot_mod(fmod)真实,37/74,流-固耦合计算,CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数) 真实，则FLAC3D默认耦合计算 pv vp 预估流/力特征时间 耦合计算前先达到一个平衡状态 SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m (=1) STEP:渗流步足够小,38/74,Case-3真空预压的简单模拟,孔压边界条件 tstc 长期分析(排水) Rk1 骨架很软 孔压扰动 进行biot_mod调整,砂层,软土层,粘土层,PVD,2m,8m,10m,Data file:,39/74,数值分析过程(movie),40/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,41/74,接触面单元的用途,岩体介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定“障碍”,42/74,接触面的原理,三角形单元(无厚度!) 参数较多 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动,43/74,接触单元模型的建立(1),关键要形成同一位置的两个节点(面) “移来移去”(推荐) 建两个分开的模型 建立接触单元 通过INI * add使模型接触 注意dist的含义,接触面,dist,44/74,接触单元模型的建立(2),“导来导去” 利用expgrid, impgrid命令进行网格导出与导入 配合DELETE命令 适于内部接触面的建立，或 其他前处理工具建立的网格,45/74,“导来导去”具体方法,save 1.sav del ran grop 2 not Interface 1 face save 2.sav rest 1.sav del ran group 2 expgrid 1.fac3d rest 2.sav impgrid 1.flac3d,46/74,接触面参数的确定,虚构的为了合并节点而设置的接触面 Kn=ks=10* 真实的刚性接触面 如料仓下料 c,D,Tension重要，kn,ks不重要 真实的柔性接触面 断层；水力劈裂材料 试验得到参数 对于kn,ks：岩石断层10100MPa/m(粘土); 100GPa(岩石) 反分析方法：通过断层中岩石的变形与原岩的变形,47/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,48/74,完全非线性的动力分析,特点 动力荷载 动力边界条件 地震波的调整 动孔压的生成,49/74,FLAC3D动力分析特点,完全非线性分析 遵循任何指定的非线性本构关系 不同频率间会出现干涉和混合 模拟不可恢复的位移和永久变形 合适的塑性理论，塑性应变增量与应力有关 易进行不同本构模型的对比分析,50/74,动力荷载,动力输入的类型 加速度时程 速度时程 应力(压力)时程 力时程 APPLY INTERIOR (内部) TABLE FISH,51/74,动力边界条件,静态(quiet,粘性)边界 Lysmer and Kuhlemeyer(1969) 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器 自由场(free field)边界 Cundall et al. (1980) 自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器，自由场网格的不平衡力施加到主体网格边界上 设置条件 底部水平，重力方向为z向 侧面垂直，法向分别为x, y向 其他边界条件在APPLY ff之前,52/74,力学阻尼,瑞利(rayleigh)阻尼 假设阻尼与质量、刚度的线性关系 参数确定简单 计算速度慢，不推荐 局部(local)阻尼 FLAC3D的静力分析阻尼 参数简单 适合简单情况,53/74,滞回阻尼(Hysteretic Damping),模拟岩土介质的动模量衰减曲线 initial damp hysteretic name sig3 (三参数) sig4 (四参数) Hardin (哈丁模型) default 计算速度快 推荐,54/74,地震波的调整,基线校正 对于地震分析的加速度时程，其积分得到的速度和位移应归0 美国地质调查研究所 Basic Strong-Motion Accelerogram Processing Software (BAP) 对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为0,55/74,地震波的调整,动力荷载的频率与单元尺寸的双向调整 高频的输入要求单元尺寸很小 一定的单元尺寸对应输入的最大频率 一般进行滤波处理 滤掉低能量的高频 FFT.FIS Origin,56/74,地震波的调整,El-Centro波,FFT,修正后的时程,修正后FFT,5Hz,57/74,动孔压的生成液化,干沙剪应变循环加载试验 初始加载阶段，沙土通常先压实再膨胀。卸载时，沙土遵循与加载相似的路径，但在零应变时，有些残余体积应变存在。取决于初始孔隙率，这可能代表纯粹的压实 假定孔隙中充满水 对于常体积测试，有效应力降低，孔隙水压保持不变 对于常荷载测试，(例如，盒子上法向荷载固定)，孔隙水压增加，有效应力减小 有效应力为零时发生液化,58/74,动孔压的生成液化,因此孔隙水压增加不是液化的基本原因 由于颗粒间(重组以后)的低接触力导致有效应力的减小 描述液化的模型 高级模型：BSHP (边界面低塑性本构模型, Wang et al. 1990) 简单模型：MC + 体积应变增量模型 Finn模型： Byrne模型：,59/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,60/74,自定义本构模型的基本方法,必要性 试验总结的本构模型 特定条件下的本构模型 交叉学科的本构模型 二次开发环境 自定义本构模型的功能 自定义本构模型的基本方法,61/74,二次开发环境,FLAC3D采用面向对象的语言标准C+编写 本构模型都是以动态连接库文件(.DLL文件)的形式提供 VC+6.0(SP4)或更高版本的开发环境 优点 自定义的本构模型和软件自带的本构模型的执行效率处在同一个水平 自定义本构模型(.DLL文件)适用于高版本的FLAC(2D)、3DEC、UDEC等其他Itasca软件中,62/74,自定义本构模型的功能,主要功能：对给出的应变增量得到新的应力 辅助功能： 模型名称、版本 读写操作 模型文件的编写 基类(class Constitutive Model)的描述 成员函数的描述 模型的注册 模型与FLAC3D之间的信息交换 模型状态指示器的描述,63/74,自定义本构模型的基本方法,头文件(usermodel.h)中进行新的本构模型派生类的声明 修改模型的ID(100)、名称和版本 修改派生类的私有成员 C+文件(usermodel.cpp)中修改模型结构 (UserModel:UserModel(bool bRegister): ConstitutiveModel) const char *UserModel:Properties()函数 模型的参数名称字符串 const char *UserModel:States()函数 计算过程中的状态指示器,64/74,自定义本构模型的基本方法,double UserModel:GetProperty()和void UserModel: SetProperty()函数 const char * UserModel:Initialize()函数 参数和状态指示器的初始化，并对派生类声明中定义的私有变量进行赋值 const char * UserModel:Run() 函数 由应变增量计算得到应力增量，从而获得新的应力 const char * UserModel:SaveRestore()函数 对计算结果进行保存。 程序的调试 在VC+的工程设置中将FLAC3D软件中的EXE文件路径加入到程序的调试范围中，并将FLAC3D自带的DLL文件加入到附加动态链接库(Additional DLLs)中，然后在Initialize()或Run()函数中设置断点，进行调试； 在程序文件中加入return()语句，这样可以将希望得到的变量值以错误提示的形式在FLAC3D窗口中得到。,65/74,一个例子(Duncan-Chang),66/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,67/74,FLAC3D中的结构单元,有限单元 梁(beam)单元 锚索(cable)单元 桩(pile)单元 锚杆: rockbolt on 壳(shell)单元 格栅(geogrid)单元 土工织物；土工格栅 初衬(liner)单元,beam,cable,pile,shell,geogrid,liner,68/74,Case-4结构的动力响应,config dyn sel pile id=1 beg 0 0 0 end 0 0 1 sel pile prop dens 2400 & Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3 & XCJ 0.16375 XCIy