FLAC3D快速入门及简单实例发布版.pdf

flac3d 快速入门 及简单实例 李佳宇 编 ljy 指南针教程 非常非常感谢大家感谢大家的支持的支持 本教程本教程第二版已发第二版已发 布 淘宝有售布 淘宝有售 如有需要如有需要请请联系我联系我 建立模型 ge zone brick p0 0 0 0 p1 15 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 15 10 10 建立一个 15 10 10 的模型 pl bl gr 显示网格分组信息 模型分组 group exc range x 10 15 z 5 10 把 x 10 x 15 z 5 和 z 10 四个面围成的部分命名为 exc group wall range x 9 10 把 x 9 和 x 1 两个面围成的部分命名为 wall group soil range x 0 9 把 x 0 和 x 9 两个面围成的部分命名为 soil group soil range z 0 1 把 z 0 和 z 1 两个面围成的部分命名为 soil 边界条件 fix z range z 0 1 0 1 固定 z 0 的边界 z 方向的位移 fix x range x 0 1 0 1 固定 x 0 的边界 x 方向的位移 fix x range x 14 9 15 1 固定 x 15 的边界 x 方向的位移 fix y range y 0 1 0 1 固定 y 0 的边界 y 方向的位移 fix y range y 9 9 10 1 固定 y 10 的边界 y 方向的位移 本构及参数 set grav 0 0 9 81 设置重力加速度 g 9 81 model mohr 将模型设置为摩尔库伦准则 pro bulk 13e6 she 4 2e6 fric 12 coh 22400 dens 1840 模型参数 体积模量 13e6pa 剪切模量 4 2e6pa 内摩擦角 12 粘聚力 22400pa 密度 1840kg m3 初始平衡计算 so 开始计算 查看初始应力云图 pl con szz ou on 查看 z 方向应力云图 pau 暂停 输入 continue 继续执行命令流 pl con zdis ou on 显示 z 方向位移云图 ou on 表示 outline on 显示网格轮廓 初始位移归零 ini xdis 0 ydis 0 zdis 0 三个方向初始位移归零 ini xvel 0 yvel 0 zvel 0 三个方向初始速度归零 下面执行开挖 围护结构本构及参数 model elastic range group wall 把 wall 组设置为各项同性的弹性模型 ini density 2500 range group wall wall 组密度 2500 kg m3 pro young 3e7 poisson 0 167 range group wall 弹性模量 3e7pa 泊松比 0 167 开挖 model null range group exc 将 exc 组设置为空模型 即开挖 so 求解 前面已经显示了 z 方向位移云图 求解过程可以看到位移的变化 必须为英文格式 后面的字段在 flac3d 中是不被执行的 用来对命 初识 flac3d 13 令流进行注释 提高命令流的结构性和可读性 算例中的命令流虽然有注释 但 初学者未必都能读懂 不要担心 后文将会对主要命令流一一详解 为了更清楚的查看计算结果 可以通过 x y z 三个按键对模型进行旋转 用 m 和 delete 键放大和缩小模型 上下左右键移动模型 ctrl r 组合键可将模 型视图恢复至初始状态 计算结果见图 1 7 图 1 7 z 方向位移云图 flac3d 建模 14 第二章 flac3d 建模 2 1 flac3d 命令流概述 flac3d 通过软件内置的关键命令来控制命令流的运行 因此初步学习 flac3d 时 需对分析中一些常用命令的含义及用法有充分的了解 命令流的基本语法格式为 command keyword value 命令的前几个字母为黑体字 说明当命令被输入时 至少要输入这几个黑体 字符 系统才能识别命令 这也就是我们前面提到的命令简写 黑斜体字代表的 是跟在命令后面数字参数 代表命令作用的范围 命令之间可以用任意多个空格 隔开 也可以用 或 隔开 笔者只推荐用空格 尖括号里代 表的是设置参数 代表任意的参数值 flac3d 一行命令最多可以输入 254 个字符 可以把长命令写成两行 这时第一行末要以 开挖土体 gen zone brick size 12 4 10 p0 0 0 0 p1 36 0 0 p2 0 12 0 p3 0 0 19 开挖下部土体 gen zone brick size 12 4 4 p0 0 0 20 p1 36 0 20 p2 0 12 20 p3 0 0 0 group exc 实体地连墙 gen zone brick size 12 1 10 p0 0 12 0 p1 36 12 0 p2 0 12 8 0 p3 0 12 19 flac3d 计算实例 62 gen zone brick size 12 1 4 p0 0 12 20 p1 36 12 20 p2 0 12 8 20 p3 0 12 0 gen zone brick size 1 4 10 p0 0 8 0 0 p1 0 0 0 p2 0 8 12 0 p3 0 8 0 19 gen zone brick size 1 4 4 p0 0 8 0 20 p1 0 0 20 p2 0 8 12 20 p3 0 8 0 0 gen zone brick size 1 1 10 p0 0 8 12 0 p1 0 12 0 p2 0 8 12 8 0 p3 0 8 12 19 gen zone brick size 1 1 4 p0 0 8 12 20 p1 0 12 20 p2 0 8 12 8 20 p3 0 8 12 0 group wall range group exc not 土体 gen zone brick size 12 5 10 p0 0 12 8 0 p1 36 12 8 0 p2 0 32 0 p3 0 12 8 19 gen zone brick size 1 5 10 p0 0 8 12 8 0 p1 0 12 8 0 p2 0 8 32 0 p3 0 8 12 8 19 gen zone brick size 5 5 10 p0 20 8 12 8 0 p1 0 8 12 8 0 p2 20 8 32 0 p3 20 8 12 8 19 gen zone brick size 5 1 10 p0 20 8 12 0 p1 0 8 12 0 p2 20 8 12 8 0 p3 20 8 12 19 gen zone brick size 5 4 10 p0 20 8 0 0 p1 0 8 0 0 p2 20 8 12 0 p3 20 8 0 19 gen zone brick size 12 5 4 p0 0 12 8 20 p1 36 12 8 20 p2 0 32 20 p3 0 12 8 0 gen zone brick size 1 5 4 p0 0 8 12 8 20 p1 0 12 8 20 p2 0 8 32 20 p3 0 8 12 8 0 gen zone brick size 5 5 4 p0 20 8 12 8 20 p1 0 8 12 8 20 p2 20 8 32 20 p3 20 8 12 8 0 gen zone brick size 5 1 4 p0 20 8 12 20 p1 0 8 12 20 p2 20 8 12 8 20 p3 20 8 12 0 gen zone brick size 5 4 4 p0 20 8 0 20 p1 0 8 0 20 p2 20 8 12 20 p3 20 8 0 0 group nearsoil range group exc not group wall not gen zone brick size 12 9 10 p0 0 32 0 p1 36 32 0 p2 0 92 0 p3 0 32 19 gen zone brick size 1 9 10 p0 0 8 32 0 p1 0 32 0 p2 0 8 92 0 p3 0 8 32 19 gen zone brick size 5 9 10 p0 20 8 32 0 p1 0 8 32 0 p2 20 8 92 0 p3 20 8 32 19 gen zone brick size 3 9 10 p0 60 32 0 p1 20 8 32 0 p2 60 92 0 p3 60 32 19 gen zone brick size 3 5 10 p0 60 12 8 0 p1 20 8 12 8 0 p2 60 32 0 p3 60 12 8 19 gen zone brick size 3 1 10 p0 60 12 0 p1 20 8 12 0 p2 60 12 8 0 p3 60 12 19 gen zone brick size 3 4 10 p0 60 0 0 p1 20 8 0 0 p2 60 12 0 p3 60 0 19 深部土体 gen zone brick size 12 9 4 p0 0 32 20 p1 36 32 20 p2 0 92 20 p3 0 32 0 gen zone brick size 1 9 4 p0 0 8 32 20 p1 0 32 20 p2 0 8 92 20 p3 0 8 32 0 gen zone brick size 5 9 4 p0 20 8 32 20 p1 0 8 32 20 p2 20 8 92 20 p3 20 8 32 0 gen zone brick size 3 9 4 p0 60 32 20 p1 20 8 32 20 p2 60 92 20 p3 60 32 0 gen zone brick size 3 5 4 p0 60 12 8 20 p1 20 8 12 8 20 p2 60 32 20 p3 60 12 8 0 gen zone brick size 3 1 4 p0 60 12 20 p1 20 8 12 20 p2 60 12 8 20 p3 60 12 0 gen zone brick size 3 4 4 p0 60 0 20 p1 20 8 0 20 p2 60 12 20 p3 60 0 0 group farsoil range group exc not group wall not group nearsoil not plot block group 镜像对称 gen zone ref nor 0 1 0 显示坐标轴 plot add axes red 边界条件 flac3d 计算实例 63 fix x range x 60 1 59 9 fix x range x 35 9 36 1 fix y range y 91 9 92 1 fix y range y 91 9 92 1 fix z range z 20 1 19 9 pl bl gr shade on 这里谈几点有关模型规划的问题 1 要有一个合理的建模顺序 分组区域难确定的区域要后建 最难确定的 区域可以用类似 group d range group a not group b not group c not 这样的语句定义 2 模型网格划分份数要考虑到计算效率 距离基坑进的位置为计算主要关 注区域 因此网格要密 远处受开挖影响减小 网格要疏一些 另外 网格划分 也要考虑整个模型的计算便利性 例如 这个模型基坑深度为 20 米 纵断面有 水平支撑 其所在位置并不是整数 如 3 4m 地面为 0m 因此划分网格时要充 分考虑节点位置 使网格节点尽量接近钢支撑的实际位置 因为钢支撑只能加在 节点处 同样道理 水平方向的网格划分最好以支撑水平间距为模数 3 地下连续墙交点处的处理 如图 4 4 所示 这种十字交叉把周围土体划 分成了很多区域 建模时要分别计算每一部分的角点坐标 图 4 4 地下连续墙交点处模型 4 1 2 2 结构单元部分 基坑的三道支撑为 一道 y 形混凝土支撑 两道钢支撑 因此数值计算模型 也采用三道支撑 并根据施工方案在拐角处设置斜撑 命令流及建模效果如下 flac3d 计算实例 64 图 4 5 地下连续墙及内撑系统模型 设置第一道混凝土 beam 内撑 设置斜撑 sel beam begin 3 12 19 end 0 9 19 sel beam begin 6 12 19 end 0 6 19 sel beam begin 9 12 19 end 0 3 19 sel beam begin 3 12 19 end 0 9 19 sel beam begin 6 12 19 end 0 6 19 sel beam begin 9 12 19 end 0 3 19 设置对撑 对撑一 sel beam begin 12 12 19 end 15 6 19 sel beam begin 15 12 19 end 15 6 19 sel beam begin 18 12 19 end 15 6 19 sel beam begin 15 6 19 end 15 6 19 sel beam begin 12 12 19 end 15 6 19 sel beam begin 15 12 19 end 15 6 19 sel beam begin 18 12 19 end 15 6 19 sel delete link range id 14 sel delete link range id 16 sel delete link range id 18 20 sel delete link range id 22 sel delete link range id 24 sel delete link range id 26 在两点之间建立 link sel link 14 target no t 16 sel link 18 target no t 16 sel link 19 target no t 16 flac3d 计算实例 65 sel link 22 target no t 24 sel link 26 target no t 24 sel link 20 target no t 24 对撑二 sel beam begin 21 12 19 end 24 6 19 sel beam begin 24 12 19 end 24 6 19 sel beam begin 27 12 19 end 24 6 19 sel beam begin 24 6 19 end 24 6 19 sel beam begin 21 12 19 end 24 6 19 sel beam begin 24 12 19 end 24 6 19 sel beam begin 27 12 19 end 24 6 19 sel delete link range id 34 sel delete link range id 36 sel delete link range id 38 40 sel delete link range id 42 sel delete link range id 44 sel delete link range id 46 sel link 28 target no t 30 sel link 32 target no t 30 sel link 33 target no t 30 sel link 36 target no t 38 sel link 40 target no t 38 sel link 34 target no t 38 对撑三 sel beam begin 30 12 19 end 33 6 19 sel beam begin 33 12 19 end 33 6 19 sel beam begin 36 12 19 end 33 6 19 sel beam begin 33 6 19 end 33 6 19 sel beam begin 30 12 19 end 33 6 19 sel beam begin 33 12 19 end 33 6 19 sel beam begin 36 12 19 end 33 6 19 sel delete link range id 54 sel delete link range id 56 sel delete link range id 58 60 sel delete link range id 62 sel delete link range id 64 sel delete link range id 66 sel link 42 target no t 44 sel link 46 target no t 44 sel link 47 target no t 44 sel link 50 target no t 52 sel link 54 target no t 52 flac3d 计算实例 66 sel link 48 target no t 52 内撑赋属性 sel beam prop emod 32e9 nu 0 167 sel beam prop xcarea 7 2e 1 xciz 4 86e 2 xciy 3 48e 2 xcj 0 0 设置第二道钢 beam 内撑 设置斜撑 sel beam begin 3 12 13 3 end 0 9 13 3 sel beam begin 6 12 13 3 end 0 6 13 3 sel beam begin 9 12 13 3 end 0 3 13 3 sel beam begin 3 12 13 3 end 0 9 13 3 sel beam begin 6 12 13 3 end 0 6 13 3 sel beam begin 9 12 13 3 end 0 3 13 3 设置对撑 对撑一 sel beam begin 12 12 13 3 end 12 12 13 3 sel beam begin 15 12 13 3 end 15 12 13 3 sel beam begin 18 12 13 3 end 18 12 13 3 sel beam begin 21 12 13 3 end 21 12 13 3 sel beam begin 24 12 13 3 end 24 12 13 3 sel beam begin 27 12 13 3 end 27 12 13 3 sel beam begin 30 12 13 3 end 30 12 13 3 sel beam begin 33 12 13 3 end 33 12 13 3 sel beam begin 36 12 13 3 end 36 12 13 3 显示所有的 link pl sel geom be on link on range z 14 0 内撑赋属性 sel beam prop emod 200e9 nu 0 3 range z 13 2 13 4 sel beam prop xcarea 3 05e 3 xciz 1 31e 3 xciy 1 31e 3 xcj 0 0 range z 13 2 13 4 其他支撑命令流跟上面的类似 设置 beam 单元时 要注意它与实体单元的 连接 link 方式 两个 beam 单元之间也要设置连接 这两种方式的连接均默认为 刚接 如要改为铰接 就要用 sel link 命令释放 x y z 三个方向的转动约束 命令流中的坐标和节点编号要在模型中显示出来 并手动记录 当然也可通过 fish 语言编程进行 4 1 3 模型计算参数 模拟共涉及到 3 种材料 土体 混凝土和钢材 土体材料使用 mohr coulomb flac3d 计算实例 67 模型 混凝土和钢材都采用各项同性的弹性模型 开挖部分采用 null 模型 材料 参数表如下 表 4 1 土体材料参数表 土层名称 kn m3 c kpa es1 2 mpa 填土层 18 5 20 99 6 0 35 淤泥质土 18 3 10 2 3 0 4 粉质粘土 20 0 44 10 8 0 35 粉砂土 20 0 7 5 17 8 5 0 3 中砂砾砂 20 5 0 28 13 0 28 圆砾层 22 0 0 32 18 0 25 泥岩层 21 5 90 23 15 0 23 表 4 2 混凝土及钢材材料参数表 构件 kn m3 e mpa k mpa g mpa c20 钢筋砼 24 6 25 5 0 167 12 8 10 9 c30 钢筋砼 25 30 0 167 15 12 9 c40 钢筋砼 25 48 32 5 0 167 16 3 13 9 钢管支撑 78 5 200 0 3 166 7 76 9 材料属性赋值的命令流如下 其中钢支撑的属性在建模时已经指定了 重力 set grav 0 0 9 81 土体材料属性 model mohr 填土 pro bulk 6e6 she 2 22e6 fric 9 coh 20000 dens 1850 range z 16 9 19 1 淤泥质土 pro bulk 3e6 she 1 07e6 fric 4 coh 5000 dens 1830 range z 12 9 17 1 粘土 pro bulk 12e6 she 4 62e6 fric 15 coh 27500 dens 1970 range z 10 9 13 1 粉土 pro bulk 10e6 she 3 8e6 fric 18 coh 8000 dens 2000 range z 8 9 11 1 中砂 粗砂 砾砂 flac3d 计算实例 68 pro bulk 25e6 she 9 68e6 fric 30 coh 0 dens 2050 range z 2 9 9 1 圆砾层 pro bulk 32e6 she 12 8e6 fric 32 coh 0 dens 2200 range z 4 1 3 1 泥岩 pro bulk 50e6 she 22 5e6 fric 70 coh 0 dens 2200 range z 21 1 3 9 给地连墙赋本构 属性 m e range group wall ini density 2500 range group wall pro young 40e9 poisson 0 167 range group wall 4 1 4 工况及计算 数值计算的工况划分要尽量与实际施工方案接近 本基坑实际的施工步骤如 表 4 3 所示 在计算之前 要在需要的部分设置监测点 这样才能在计算结果中 提取数据进行后面的分析 表 4 3 施工步骤 施工步骤 工况描述 1 浇筑第一道混凝土支撑 达到设计强度后 土方开挖至第二 道钢支撑下 0 5m 处 2 安装第二道钢支撑 施加预应力 土方开挖至第三道钢支撑 下 0 5m 处 3 安装第三道钢支撑 施加预应力 土方开挖至第四道换撑下 0 5m 处 4 安装好第四道换撑 施加预应力 土方开挖至坑底标高 5 浇筑基坑底板 达到强度后 拆除换撑 监测点设置及第一步开挖的命令流如下 速度 位移 塑性区归零 initial xdisplacement 0 ydisplacement 0 zdisplacement 0 initial xvelocity 0 yvelocity 0 zvelocity 0 initial state 0 监测内撑轴力 h id 1 sel beams force fx cid 1 h id 2 sel beams force fx cid 2 h id 3 sel beams force fx cid 3 h id 4 sel beams force fx cid 14 flac3d 计算实例 69 h id 5 sel beams force fx cid 15 h id 6 sel beams force fx cid 17 监测地表沉降 h id 7 gp zdis id 7172 h id 8 gp zdis id 7523 h id 9 gp zdis id 8313 h id 10 gp zdis id 8326 h id 11 gp zdis id 8339 h id 12 gp zdis id 8352 h id 13 gp zdis id 8365 h id 14 gp zdis id 10633 h id 15 gp zdis id 10646 h id 16 gp zdis id 10659 h id 17 gp zdis id 10672 h id 18 gp zdis id 10685 h id 19 gp zdis id 10698 h id 20 gp zdis id 10711 h id 21 gp zdis id 10724 h id 22 gp zdis id 10737 监测地连墙水平位移 中段 h id 41 gp ydis id 7172 h id 42 gp ydis id 7120 h id 43 gp ydis id 7068 h id 44 gp ydis id 7016 h id 45 gp ydis id 6964 h id 46 gp ydis id 6912 h id 47 gp ydis id 6860 h id 48 gp ydis id 6808 h id 49 gp ydis id 6756 h id 50 gp ydis id 6704 h id 51 gp ydis id 6703 h id 52 gp ydis id 7380 h id 53 gp ydis id 7328 h id 54 gp ydis id 7276 h id 55 gp ydis id 7275 边角 h id 56 gp ydis id 704 h id 57 gp ydis id 639 h id 58 gp ydis id 574 h id 59 gp ydis id 509 flac3d 计算实例 70 h id 60 gp ydis id 444 h id 61 gp ydis id 379 h id 62 gp ydis id 314 h id 63 gp ydis id 249 h id 64 gp ydis id 184 h id 65 gp ydis id 108 h id 66 gp ydis id 106 h id 67 gp ydis id 964 h id 68 gp ydis id 899 h id 69 gp ydis id 823 h id 70 gp ydis id 821 开挖 0 2m model null range z 17 19 1 x 0 1 6 1 y 12 1 12 1 so model null range z 17 19 1 x 0 1 12 1 y 12 1 12 1 so model null range z 17 19 1 x 0 1 18 1 y 12 1 12 1 so model null range z 17 19 1 x 0 1 24 1 y 12 1 12 1 so model null range z 17 19 1 x 0 1 30 1 y 12 1 12 1 so model null range z 17 19 1 x 0 1 36 1 y 12 1 12 1 so 开挖 0 4m model null range z 15 19 1 x 0 1 6 1 y 12 1 12 1 so model null range z 15 19 1 x 0 1 12 1 y 12 1 12 1 so model null range z 15 19 1 x 0 1 18 1 y 12 1 12 1 so model null range z 15 19 1 x 0 1 24 1 y 12 1 12 1 so model null range z 15 19 1 x 0 1 30 1 y 12 1 12 1 so model null range z 15 19 1 x 0 1 36 1 y 12 1 12 1 so 开挖 0 6m model null range z 13 19 1 x 0 1 6 1 y 12 1 12 1 so model null range z 13 19 1 x 0 1 12 1 y 12 1 12 1 flac3d 计算实例 71 so model null range z 13 19 1 x 0 1 18 1 y 12 1 12 1 so model null range z 13 19 1 x 0 1 24 1 y 12 1 12 1 so model null range z 13 19 1 x 0 1 30 1 y 12 1 12 1 so model null range z 13 19 1 x 0 1 36 1 y 12 1 12 1 so 每一步开挖都配合着支撑的安装 因此可将每一步开挖与支撑安装做成单独 的 txt 命令流子文件 然后由一个统一的 txt 命令流将所有子文件联系在一起进 行计算 具体做法如下 n restore new nanning inibalance sav 恢复初始平衡计算结果 call entityset wall beam 1 txt 地连墙赋值和第一道支撑安装 call exc1 txt 第一步开挖 sav exc1 sav 保存工况一计算结果 call entitysetbeam 2 txt 第二道支撑安装 call exc2 txt 第二步开挖 sav exc2 sav 保存工况二计算结果 call entitysetbeam 3 txt 第三道支撑安装 call exc3 txt 第三步开挖 sav exc3 sav 保存工况三计算结果 call entitysetbeam 4 txt 换撑安装 call exc4 txt 第四步开挖 sav exc4 sav 保存工况四计算结果 call entitydeletebeam4 txt 拆除换撑 浇筑底板 sav exc5 sav 保存工况五计算结果 sav result sav 保存计算结果 这样的做法能够将很长的命令流按功能划分成若干小段 使命令流层次清晰 可读性提高 在调试的过程中 由于各小段命令流很短 可大大简化错误检索和 更正过程 flac3d 计算实例 72 4 1 5 计算结果 4 1 5 1 围护结构变形 图 4 6 为工况五的基坑水平位移计算结果 这样的云图在结果分析时几乎是 没有任何意义的 因为它不能反映位移随工况的发展情况 结果的表现形式也不 直观 图 4 6 工况五基坑水平位移云图 mm 为了更清晰的反映计算结果 寻找内在规律 可将五个工况的地下连续墙侧 移绘制在一张图中 如图 4 7 所示 origin 作的图 图中可以看出 工况一到工 况二 工况三到工况四这两个过程的墙体位移发展很快 占到全部位移量的一半 左右 造成这个结果的原因是混凝土支撑和钢支撑 第二道钢支撑到底板这两段 的垂直高度较大 开挖时无支撑暴露的时间也会比较长 因此墙体位移发展速度 快 所以 如果仅从控制变形的角度来说 基坑的内撑应该尽量密集 每一次开 挖的垂直深度要小一些 很明显 只有对数据进行更深入的处理 才能发现计算结果的规律 反映问 题的本质 同时也能够让读者以最直观 最清晰的方式解读计算成果 flac3d 计算实例 73 35302520151050 30 25 20 15 10 5 0 stage1 stage2 stage3 stage4 stage5 测点深度 m 连续墙侧移 mm 钢支撑 钢支撑 混凝土支撑 图 4 7 地下连续墙侧移 4 1 5 2 地表沉降计算结果 图 4 8 为开挖工况五的计算结果 箭头处为坑底位置 图 4 8 地表沉降计算结果 将五种工况的地表沉降值绘制在一起如图 4 9a 所示 各个工况下 地表最 大沉降均发生在墙背后约 11m 处 然后随着距离基坑越来越远 沉降值逐渐减 小至某一值 与墙体侧移相同 地表沉降发展最大的两个阶段仍然是第一 二工 况和三 四两个工况之间 这进一步说明了无支撑暴露时间越长 对基坑变形的 flac3d 计算实例 74 影响越大 图 4 9b 为地层变形矢量图 有颜色的部分表示发生沉降变形的地层 白色部分表示发生隆起的地层 可以看出 除坑底标高以下且接近基坑的土体发 生了隆起变形 其他土体均为沉降变形 020406080 6 5 4 3 2 1 0 stage1 stage2 stage3 stage4 stage5 地表沉降值 mm 距基坑边缘距离 m a 不同工况的沉降曲线 b 最终地层变形矢量图 4 9 坑外地层变形 4 1 5 3 基坑典型变形图 岩土工程的材料力学行为复杂 初始条件和边界条件难以确定 这使得数值 计算的结果与实测数据难以十分吻合 因此岩土工程数值分析多为定性分析 但 是 数值模拟作为一种十分有效的手段 只要保证模拟参数的合理取值 仍然能 够得到具有规律的结果 图 4 10 给出了本算例计算的基坑典型变形图 为了更 flac3d 计算实例 75 能反映沉降分布的规律 其中 地表沉降做了无量纲处理 2520151050 25 20 15 10 5 0 连续墙侧移 数值解 底板 钢支撑 钢支撑 坑外某点距基坑围护墙外侧的距离 开挖深度 连续墙深度 m 连续墙侧移 mm 混凝土支撑 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 施工单位监测值 第三方监测沉降值 地表沉降计算值 坑外某点沉降值 最大沉降 0 00 51 01 52 02 53 03 54 0 图 4 10 广西大学站基坑典型变形图 图 4 10 左侧部分是地下连续墙典型侧移曲线 从图中可以看出 数值计算 结果与实测数据在基坑上半部分比较吻合 而下半部分出现了较大误差 笔者认 为产生这种结果的原因是 在基坑施工的前半段时间里 土方开挖基本处于一个 连续的状态 支撑随挖随撑 边界条件相对简单 在数值模拟中容易实现 当开 挖接近坑底标高时 由于施工需要 要先安装换撑 然后浇筑底板 当底板达到 设计强度后 拆除换撑 整个的施工工序复杂 在此过程中 支撑和土体的力学 行为非常复杂 其中涉及到换撑和底板受力的交替 底板强度逐渐形成过程中土 体的应力释放等问题 这些在数值模拟中实现起来有相当的困难 本文采用相对 简单的处理方式 忽略换撑和底板的受力交替及土体应力释放 因此得到的计算 结果与实测结果有一定的误差 4 1 6 小结 岩土工程数值模拟中 计算参数是比较敏感的话题 因为几乎所有的计算都 不可避免的要进行参数调整 但是却没有一个量化的规则和统一的共识 大多数 文献都避免提及参数调整 这似乎已经是大家的默契 参数调整主要集中于土的参数 原因两个 第一 岩土勘察能够确定的参数 flac3d 计算实例 76 有限 大多数勘察也是以点代面 因此参数的准确性无法保证 另一方面现有的 本构关系也不能完全准确的描述土体的力学行为 所以参数调整是不可避免的 本例采用的 mohr coulomb 模型计算回弹结果是不准确的 因为土的回弹模 量一般都大于压缩模量 因此在开挖面以下以回弹变形为主的区域 要增大土体 的弹性模量参数 一般为 3 5 倍 土体回弹也会带动地下连续墙的上浮 造成计算结果偏差很大 本例的处理 方法是固定地下连续墙的竖向位移 因为实际工程中 内撑的重量和地面超载等 因素导致地下连续墙的竖向位移非常小 对于这种处理方法 笔者尚未进行深入 的研究 是能作为不得已的妥协措施 有兴趣的读者可以研究一下 4 2 沈阳某地下通道工程模拟 本例采用 ansys 建模导入 flac3d 的方法 使用的转换程序为西南交通大 学郑文棠博士 fortran90 编制 在此表示景仰与感谢 该程序存在于各 大论坛中 如找不到可联系笔者 4 2 1 工程背景 拟建工程为下穿沈阳市南宁北街的地下通道 通道连接北约客置地广场 b2 层与北约客维景国际酒店 b3 层 通道全长约 35m 覆土厚度 5 0 6 3m 由于南 宁北街车流量较大且周边地下管线众多 因此本通道采用暗挖法施工 结构衬砌 采用钢筋混凝土马蹄形断面结构 通道净宽 6 2m 净高 3 9m 其平面呈 s 形布置 下穿南宁北街通道平面图见图 4 11 flac3d 计算实例 77 图 4 11 地下通道平面位置图 通道横断面图及开挖顺序如图 4 12 所示 为三心圆 拱部采用采用小导管 大管棚超前支护 断面开挖方法为 crd 法开挖 采用十字交叉型钢架作为临时 支撑 图 4 12 通道断面及开挖顺序 4 2 2 方案设计及建立模型 本次数值模拟的初衷是探索如何借助 ansys 建模并导入 flac3d 并不是 十分关心计算结果 因此不能算是完整和合格的算例 模型过程利用了 ansys 和 flac3d 各自的优势 可以作为 ansys flac3d 建模的参考 ansys 的使 用方法请读者参考相关教材 本文不作介绍 本次建模的困难在于 无论是横断面还是通道轴线 都存在大量的圆弧线段 flac3d 计算实例 78 这种情况用 flac3d 处理起来十分困难 因此 这里可以借助 ansys 在建模方 面的优势来弥补 flac3d 的不足 在 flac3d 中对模型进行任何操作都离不开合理的分组 因此我们希望导 入的模型能够自带分组信息 因为 flac3d 很难对不规则形状分组 在 ansys 建模时 只要对不同的区域赋予不同的材料性质 在导入 flac3d 时 就能够 根据不同的材料自动分组 这里的材料参数并不重要 甚至可以不用定义 这些 可以在 flac3d 中操作 关键是不同组要具有不同的材料编号 本例在 ansys 中的建模思路是 先建立通道横断面 再对不同的部分按轴 线拉伸为三维模型 拉伸之前 需要在 element attributes 图 4 13 中设置足够多 的材料 每次拉伸时需要选择一种材料 图 4 13 ansys 材料信息 在 ansys 导入 flac3d 前 需要删除所有建模所需的局部坐标 同时旋转 整体坐标使其与 flac3d 一致 可执行下面的命令 删除局部坐标系 否则无法导入 flac csdele all 改变坐标与 flac 坐标一致 wprota 90 cswpla 11 0 0 0 0 csys 11 flac3d 计算实例 79 ansys 建模结果如图 4 14 所示 导入 flac3d 后效果如图 4 15 图 4 14 ansys 模型效果 图 4 15 flac3d 模型效果及分组信息 本算例不考虑地下水 采用提高土体参数的方法模拟超前支护 由于时间有 限 笔者仅整理了轴线为直线的模型的计算结果 建模过程与上述类似 只是为 沿着直线拉伸 模型如图 4 16 所示 通道断面共分为四块分别开挖 因此 在 模型中将衬砌和临时钢支撑按工法划分为 4 个区域 开挖土体也分为 4 组 以便 实现分步开挖 分步支护 尽量使模拟工况接近实际情况 如图 4 17 所示 模拟 中考虑应力释放 即开挖完成后 计算 150 步 再施加支护结构 flac3d 计算实例 80 图 4 16 轴线为直线的地下通道模型 图 4 17 开挖步骤示意图 4 2 3 模型计算参数 计算中 土体采用摩尔 库伦模型 通道衬砌及临时钢支撑全部采用实体模 型 为简化建模过程 模型中只考虑一层初衬 按钢筋混凝土考虑 弹性模量适 当提高 密度按取混凝土密度 临时钢支撑沿隧道轴线方向连续布置 根据与实 际情况 ei 相同的原则对 e 进行折减 通道施工中采用小管棚超前支护 计算中 用提高加固区土体 c 值的方法模拟超前支护 具体计算参数见下表 材料赋 值命令流在上一算例已有详细介绍 这里不再赘述 表 4 4 土层参数表 土层 e mpa g mpa c kpa flac3d 计算实例 81 杂填土 10 3 7 10 10 粗砂 19 7 3 31 5 0 砾砂 80 32 36 4 0 圆砾 80 32 36 4 0 粉质粘土 4 7 1 8 46 8 11 3 小管棚加固体 80 32 35 25 表 4 5 结构参数表 支护结构 弹性模量 gpa 泊松比 衬砌 32 5 0 167 临时钢支撑 5 3 0 31 4 2 4 工况及计算 与 4 1 中介绍的基坑算例不同 隧道的支护结构是随着开挖分布施加的 所 以开挖命令流应包括开挖和加支撑两部分 crd 法四块开挖区域进度是不同的 临时钢架进度也不同 同时还要考虑超前支护 第一循环 第一段断面的四个部 分全部开挖 类似于图 4 x 所示的情况 开挖命令流如下 每一步开挖应力释放时步 def parm500 release step 150 end parm500 衬砌 钢支撑 小管棚加固参数控制 衬砌参数 衬砌密度 用 fish 定义 parm100 代表衬砌密度 下面各 fish 含义相同 def parm100 liner density 2500 end parm100 衬砌弹性模量 def parm101 liner e 32 5e9 end parm101 钢支撑参数 钢支撑密度 flac3d 计算实例 82 def parm200 steel density 7850 end parm200 钢支撑弹性模量 def parm201 steel e 5 3e9 end parm201 小管棚加固参数 小管棚加固体体积模量 def parm300 pipe bulk 80e6 end parm300 小管棚加固体剪切模量 def parm301 pipe she 32e6 end parm301 小管棚加固体内摩擦角 def parm302 pipe fric 35 end parm302 小管棚加固体粘聚力 def parm303 pipe coh 25000 end parm303 小管棚加固体密度 def parm304 pipe density 1970 end parm304 衬砌分组 group liner1 range group liner x 6 0 158 z 2 384 6 group liner2 range group liner x 6 0 158 z 6 2 384 group liner4 range group liner x 0 158