FLAC3D在岩土工程中的应用.ppt

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,主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,软件介绍,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 3.1 itasca其他软件,软件介绍,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 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+,丰富的本构模型,软件介绍,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 & fem的混合求解 fdm的新进展 时间步与时间 时间步的设置须满足数值求解的稳定 special option中有特定的时间步要求 动力、渗流、流变、温度中是真实时间,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 跟踪 节点和单元随材料移动 边界和接触面与单元的边缘一致 积分点随材料移动 本构方程在相同的材料点赋值 固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家lagrangian,复杂的 边界条件,精确描述 材料的发展,大应变与小应变,set small 默认为小应变模式 不更新节点坐标 不进行应力旋转修正 set large 大位移，大位移梯度，大转角 岩土工程中的大变形问题 软土的固结变形 土体的开挖 软岩巷道 地下硐室,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：,+,)/2,=(,flac3d的求解过程,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,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,例1：自由落体的模拟(movie),不平衡力,平衡状态 f0 最大不平衡力 有所有单元确定 set mech force ? 最大不平衡力比 与内力的比值 set mech ratio ? 工程、计算中间阶段 10-4 论文、最终结果 10-5,f 0,v0,v0,收敛、平衡,不收敛、塑性流动,block state,*-n与*-p -n：此时刻进入屈服状态 -p：曾经进入屈服状态，现已退出 程序预留了多个状态空间供用户定义 液化的判断 温度 破坏的判断 plot block state *-n 活动塑性区贯通 结合速度结果 计算模型边界选取的影响,分析问题的过程,建立网格,初始条件,边界条件,初始应力平衡,外荷载,求解,前处理,后处理,例2：一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3 ;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,flac3d3.1的新特征,64-bit version (64位计算) parallel processing on multiprocessor computers (并行算法) two-dimensional grid extrusion tool nodal mixed discretization (节点混合离散方法) embedded structural liner (内置衬砌单元) 挡土墙的模拟 on-board help file (内置的帮助系统),主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,完全非线性的动力分析,与等效线性方法的比较 动力荷载 动力边界条件 力学阻尼与滞回阻尼 地震波的调整 动孔压的生成,flac与等效线性方法,等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法 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) 多种频率成分的干涉和混合 永久变形计算 弹塑性计算,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,quiet边界,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 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,quiet边界应用,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 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 地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波,quiet,quiet,quiet,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,自由场边界示意图,free-field边界,apply ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移ff单元上； 设置以后主体网格上的改动将不会被ff边界所响应 可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向) ff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 存在attach的边界将不能设置ff边界 边界上的interface将不能连续 动力边界设置需在ff边界设置之前,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(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 局部(local)阻尼 flac3d的静力分析阻尼 参数简单 适合简单情况,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 (3参数) sig4 (4参数) hardin(1参数) (哈丁模型) default（2参数) 优点 直接采用模量降级曲线 阻尼比不会影响时间步 缺点 输出的曲线会不一致,滞回阻尼(hysteretic damping),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； 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； 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； 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； 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 参考了itasca的中国培训资料,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 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,地震波的调整,el-centro波,fft,修正后的时程,修正后fft,5hz,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,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：,主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,interface单元简介,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” 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,interface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 no merge, no attach!,接触面,dist,1,2,3,4,interface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,interface的建立(2),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,interface的建立(3),gen separate interface wrap 指定正确的group,interface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,例3：单桩承载力分析,软土地基 bulk 1.6878e6 shear 3.6167e5 coh 15e3 fric 12 dens 1.73e3 桩体 bulk 5e9 shear 3.75e9 dens 2.5e3,0.5m,8m,10m,20m,计算过程,施加桩顶荷载,计算结果,影响因素,计算工况设计,计算结果,ks取1,ks取2,ks取3,最优方案,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,主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,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 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,结构单元的应用,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 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,liner结构单元,三节点扁平有限单元 每个节点有6个自由度 3个移动，3个旋转 能够抵抗膜及弯矩荷载 能够承受主方向的拉压应力 能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触 能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用,法向,切向,例4：隧道与土体的相互作用,半圆隧道直径3.25m 上覆土层厚度5m 计算范围3r 土体弹性计算 (k=30mpa, g=10mpa) 参数化编程 几何尺寸 模型参数 网格形状,ht,hb,r,b,计算步骤,模型网格,初始应力生成,施加管片,计算结果,管片的连接,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 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 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,连接方式的影响,变形结果,zr属性更改,6属性更改,注：变形放大200倍,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),例5：结构的动力响应,主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,flac3d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,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,地下水模拟方法,有效应力计算 不耦合 孔压为了正确计算有效应力 渗流计算已得到孔压分布 饱和 有水面线的部分饱和 力学变形产生孔压 静力或者动力 不排水孔压或液化 流固耦合计算模式 时间比例,有效应力计算,不设置config fluid 孔压不改变 设置孔压分布 initial pp water table water density water table face set gravity 手动设置干湿密度,设置config fluid 设置土体干密度 渗流模型 model fl_isotropic model fl_anisotropic model fl_null set fluid off set water bulk = 0,无渗流模式,渗流模式,不耦合计算,config fluid set mech off 正确的渗透系数 得到孔压分布和水面线 稳态渗流可以减小kf,config fluid set fluid off 正确的流体模量kf 不需要渗透系数,单渗流模式,单力学模式,流固耦合计算,config fluid set fluid on 真实的流体模量kf和渗透系数 耦合方式 dp dev ds dev dp 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,流固耦合的计算方法,手动调整的step求解 set fluid on mech off step set fluid off mech on step 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 自动step求解 step,渗流问题(config fluid)分析步骤,时间比例(ts, tc) 稳态 不排水状态 相当 扰动类型 力学扰动 孔压扰动 流固刚度比rk 是否1 完全耦合模式 时间比例相当；力学扰动,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。,例6： 真空预压的模拟,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:,例6： 真空预压的模拟(movie),主要内容,软件介绍 动力分析 dynamic option 桩-土相互作用分析 interface 隧道分析 structure element 流固耦合分析 fluid-mechanical interaction 学习方法及经验介绍,flac / flac3d的使用心得, 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+, 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