FLAC3D在岩土工程中的应用.ppt

geohohai flac3d在岩土工程中的应用 陈育民，左威龙 导师：刘汉龙 教授 河海大学岩土工程研究所 2007-4-16 东南大学交通学院岩土工程研究所 geohohai2 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai3 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai4 / 77 软件介绍 vfast lagrangian analysis of continua v美国itasca咨询公司开发2d程序(1986) v1990年代初引入中国 v有限差分法(fdm) vdos版2.0 2.1 3.0 3.1 vitasca其他软件 geohohai5 / 77 软件介绍 v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、交通工程、采矿工程、水利工程、地质工程 v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 动力分析功能地震工程 衬砌功能地下工程 可开发功能 fish vc+ geohohai6 / 77 丰富的本构模型 geohohai7 / 77 软件介绍 v有限差分法(fdm) 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 建立网格(前处 理) model elas ;材料参数 prop bulk 3e6 shear 1e6 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 plo con zd ;后处理 切片功能 run flac3d geohohai19 / 77 flac3d3.1的新特征 v64-bit version (64位计算) vparallel processing on multiprocessor computers (并 行算法) vtwo-dimensional grid extrusion tool vnodal mixed discretization (节点混合离散方法) vembedded structural liner (内置衬砌单元) 挡土墙的模拟 von-board help file (内置的帮助系统) geohohai20 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai21 / 77 完全非线性的动力分析 v与等效线性方法的比较 v动力荷载 v动力边界条件 v力学阻尼与滞回阻尼 v地震波的调整 v动孔压的生成 geohohai22 / 77 flac与等效线性方法 v等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法 v动本构模型 等效线性模型 剪切模量的降级曲线 阻尼比随剪应变的变化 flac 常规模型(mc) v多种频率成分的干涉和混合 v永久变形计算 v弹塑性计算 geohohai23 / 77 动力荷载 v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 vapply interior (内部) table fish geohohai24 / 77 quiet边界 v 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 v性能 对于法向p波和s波能很好的吸收 对于倾斜入射的波和rayleigh波也有所吸收，但存在反射 人工边界仍应当足够远 geohohai25 / 77 quiet边界应用 v内部振动(如隧道中的列车振动问题) 动力荷载直接施加在节点上 使用quiet边界减小人工边界上的反射 不需要ff边界 v外部荷载的底部边界 软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件 使用应力条件t = -2csrvs v地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波 quietquiet quiet geohohai26 / 77 free-field边界 vcundall et al. (1980) v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 v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 自由场边界示意图 geohohai27 / 77 free-field边界 vapply ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移 ff单元上； v设置以后主体网格上的改动将不会被ff边界所响应 v可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向) vff边界进行小变形计算，主体网格可大变形，ff边界 上的变形要相对较小 v存在attach的边界将不能设置ff边界 v边界上的interface将不能连续 v动力边界设置需在ff边界设置之前 geohohai28 / 77 力学阻尼 v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(等价平均应变=60%*emax) 中心频率(共振计算，地震平均频率) 临界阻尼比 缺点：计算速度慢 v局部(local)阻尼 flac3d的静力分析阻尼 参数简单 适合简单情况 geohohai29 / 77 滞回阻尼(hysteretic damping) v 模拟岩土介质的动模量衰减曲线 v initial damp hysteretic name sig3 (3参数) sig4 (4参数) hardin(1参数) (哈丁模型) default（2参数) v 优点 直接采用模量降级曲线 阻尼比不会影响时间步 v 缺点 输出的曲线会不一致 geohohai30 / 77 滞回阻尼(hysteretic damping) v 低循环应变下得到的阻尼比要小于试验结果，这会导致低级的噪声， 尤其在高频情况下。可以在中心频率上增加一个小量的rayleigh阻尼 (0.2%刚度比例)，这样也不会降低时步； v 若初始应力不为0，剪应力-剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始 应力时就要调用hyst阻尼； v hyst阻尼不仅会增加能量损失，还会导致在大循环应变下的平均剪切 模量的降低，在输入波的基频接近共振频率的时候，可能会导致动力 反应幅值的增大； v hyst阻尼之前要做一次弹性无阻尼求解，以获得发生循环应变的最大 水平，若循环应变过大导致剪切模量过多的降低，那么用hyst阻尼是 有问题的； v 即使应变较小，使用屈服模型也会增大应变，因此若有广泛屈服的现 象，则使用屈服模型，不用hyst阻尼 v 参考了itasca的中国培训资料 geohohai31 / 77 地震波的调整 v 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 v 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 seismosignal geohohai32 / 77 地震波的调整 el-centro波 fft 修正后的时程 修正后fft 5hz geohohai33 / 77 动孔压的生成液化 v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 v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 v有效应力为零时发生液化 geohohai34 / 77 动孔压的生成液化 v因此孔隙水压增加不是液化的基本原因 v由于颗粒间(重组以后)的低接触力导致有效应力的减 小 v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： geohohai35 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai36 / 77 interface单元简介 v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” v原理 三角形单元(无厚度!) 8参数 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动 geohohai37 / 77 interface的建立(1) v关键要形成同一位置的两个节点( 面) v“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 no merge, no attach! 接触面 dist 12 34 geohohai38 / 77 interface的建立(2) v“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 geohohai39 / 77 interface的建立(2) v save 1.sav v del ran grop 2 not v interface 1 face v save 2.sav v rest 1.sav del ran group 2 expgrid 1.fac3d v rest 2.sav impgrid 1.flac3d geohohai40 / 77 interface的建立(3) vgen separate vinterface wrap 指定正确的group geohohai41 / 77 interface参数的确定 v虚构的为了合并节点而设置的接触面 kn=ks=10* v真实的刚性接触面 如料仓下料 c,d,tension重要，kn,ks不重要 v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 geohohai42 / 77 例3：单桩承载力分析 v软土地基 bulk 1.6878e6 shear 3.6167e5 coh 15e3 fric 12 dens 1.73e3 v桩体 bulk 5e9 shear 3.75e9 dens 2.5e3 0.5m 8m 10m 20m geohohai43 / 77 计算过程 施加桩顶荷载 计算结果 geohohai44 / 77 影响因素 水平因素knksfriccoh 1100e100e203.00e+04 210k10g0.7friccoh/0.7 3kgfric7.50e+03 geohohai45 / 77 计算工况设计 水平因 素 工况 knksfriccoh (1)1111 (2)1222 (3)1333 (4)2123 (5)2231 (6)2312 (7)3132 (8)3213 (9)3321 geohohai46 / 77 计算结果 ks取1 ks取2 ks取3 水平因素knksfriccohra差异度 (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)332196.9% geohohai47 / 77 最优方案 水平因素knksfriccoh k159.2%43.2%52.4%47.3% k247.3%24.1%59.2%64.6% k357.8%96.9%52.7%52.4% 极差11.9%72.8%6.8%17.3% 最优方案2211 102211 112222 geohohai48 / 77 合理步骤 单桩分析 简单网格 接触面参数 多次试算 理论、实测 加密网格 接触参数 理想结果 群桩分析 pile结构单元 单元参数 理想结果 pile结构单元 单元参数 理想结果 geohohai49 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai50 / 77 flac3d中的结构单元 v有限单元 v梁(beam)单元 v锚索(cable)单元 v桩(pile)单元 锚杆: rockbolt v壳(shell)单元 v格栅(geogrid)单元 土工织物；土工格栅 v初衬(liner)单元 beam cable pile shell geogrid liner geohohai51 / 77 结构单元的应用 v土与结构的相互作用 桩基；基坑；边坡锚固 地下硐室的支撑结构；采矿；盾构 土工织物；土工合成材料 v结构不宜复杂 岩土工程软件，不宜单纯的结构分析 复杂结构的模拟很困难 结构单元仍不完善 plot显示 双向接触结构(挡土墙) 结构单元的厚度 geohohai52 / 77 liner结构单元 v三节点扁平有限单元 v每个节点有6个自由度 3个移动，3个旋转 v能够抵抗膜及弯矩荷载 v能够承受主方向的拉压应力 v能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触 v能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用 法向 切向 geohohai53 / 77 例4：隧道与土体的相互作用 v半圆隧道直径3.25m v上覆土层厚度5m v计算范围3r v土体弹性计算 (k=30mpa, g=10mpa) v参数化编程 几何尺寸 模型参数 网格形状 ht hb r b geohohai54 / 77 计算步骤 模型网格初始应力生成 施加管片计算结果 geohohai55 / 77 管片的连接 v冷连接 弯矩和剪力不能直接在环与 环间传递，只能通过其相邻 的介质传递 v全连接 相邻的liner单元在连接处 共用一个节点，连接处重叠 单元不能发生移动或旋转 v结点连接 即结点间的连接在6个方向 的自由度上用弹簧来模拟， 每个自由度都可具有一定的 特性 通缝拼接 错缝拼接 geohohai56 / 77 连接方式的影响 v变形结果 zr属性更改6属性更改 注：变形放大200倍 geohohai57 / 77 例5：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 0.00625 xciz 0.01575 & per 2.8 cs_sk 1.3e11 cs_nk 1.3e11& cs_ngap off sel node fix x y z xr yr zr ran id=1 sel 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) endloop end solve age 1 pile 10000*sin(10*t) geohohai58 / 77 例5：结构的动力响应 geohohai59 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai60 / 77 flac3d流-固耦合分析(单相流) v基本功能 v理论框架 v计算模式 v渗流边界条件，初始条件 v单渗流计算及渗流耦合计算 geohohai61 / 77 基本功能 v渗流各向同性、各向异性 v不同的渗流模型和属性 v流体压压力，涌入量，渗漏量和不渗水边边界 v抽水井、点源、体积积源 v饱饱和渗流可采用显显式差分法、隐隐式差分法 v非饱饱和渗流采用显显式差分法 v渗流-固体-热热的耦合 v流体和固体的耦合程度依赖赖于土体颗颗粒(骨架)的压缩压缩 程度，用biot系数表示颗颗粒的可压缩压缩 程度 v循环荷载引起的动水压力变化和土体液化 geohohai62 / 77 地下水模拟方法 v有效应力计算 不耦合 孔压为了正确计算有效应力 v渗流计算已得到孔压分布 饱和 有水面线的部分饱和 v力学变形产生孔压 静力或者动力 不排水孔压或液化 v流固耦合计算模式 时间比例 geohohai63 / 77 有效应力计算 v 不设置config fluid v 孔压不改变 v 设置孔压分布 initial pp water table water density water table face set gravity v 手动设置干湿密度 v 设置config fluid v 设置土体干密度 v 渗流模型 model fl_isotropic model fl_anisotropic model fl_null vset fluid off vset water bulk = 0 无渗流模式渗流模式 geohohai64 / 77 不耦合计算 vconfig fluid vset mech off v正确的渗透系数 v得到孔压分布和水面线 v稳态渗流可以减小kf vconfig fluid vset fluid off v正确的流体模量kf v不需要渗透系数 单渗流模式单力学模式 geohohai65 / 77 流固耦合计算 vconfig fluid vset fluid on v真实的流体模量kf和渗透系数 v耦合方式 dp dev ds dev dp v计算模式 手动调整的step求解 主从进程的solve求解 自动step求解 geohohai66 / 77 流固耦合的计算方法 v手动调整的step求解 set fluid on mech off step set fluid off mech on step v主从进程的solve求解 set mech force set mech substep n auto (从进程) set mech substep m(主进程) solve age v自动step求解 step geohohai67 / 77 渗流问题(config fluid)分析步骤 v时间比例(ts, tc) 稳态 不排水状态 相当 v扰动类型 力学扰动 孔压扰动 v流固刚度比rk 是否1 v完全耦合模式 时间比例相当；力学扰动 geohohai68 / 77 渗流边界条件，初始条件 v默认的边界条件是不透水边界 v孔隙压力自由(不透水边界 ) v固定孔隙水压力(透水边界) 如：井 v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。 geohohai69 / 77 例6： 真空预压的模拟 v孔压边界条件 vtstc 长期分析(排水) vrk1 骨架很软 v孔压扰动 进行biot_mod调整 砂层 软土层 粘土层 pvd 2m 8m 10m data file: data file: geohohai70 / 77 例6： 真空预压的模拟(movie) geohohai71 / 77 主要内容 v软件介绍 v动力分析 dynamic option v桩-土相互作用分析 interface v隧道分析 structure element v流固耦合分析 fluid-mechanical interaction v学习方法及经验介绍 geohohai72 / 77 flac / flac3d的使用心得 v 很好的岩土工程专业软件 本构模型丰富 强大的动力分析功能 对内存的要求不高 可开发性好 fish c+ v 时步受网格尺寸的影响很大 长期动力计算的时间很长 长期渗流计算的时间很长 前处理功能需提高 手册说明仍需完善 geohohai73