FLACD在采矿工程中的应用

GEOHOHAIFLAC/FLAC3D在岩土工程中的应用报告人陈育民博士生导师刘汉龙教授河海大学岩土工程研究所YMCHHHUEDUCN20061013同济大学地下建筑与工程系GEOHOHAI主要内容FLAC3D软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型结构单元及应用FLAC2DGIIC操作接触面设置流体计算GEOHOHAIFLAC3D软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAI软件介绍FASTLAGRANGIANANALYSISOFCONTINUA美国ITASCA咨询公司开发2D程序19861990年代初引入中国有限差分法FDMDOS版20213031ITASCA其他软件GEOHOHAI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、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GEOHOHAIFLAC3D软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAI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建立网格MODELELAS材料参数PROPBULK3E8SHEAR1E8INIDENS2000初始条件FIXZRANZ11边界条件FIXXRANX11FIXXRANX2931FIXYRANY11FIXYRANY2931SETGRAV0010SOLVE求解APPNSTR10E4RANZ3X12Y12SOLVERUNFLAC3DGEOHOHAI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GEOHOHAIFLAC3D软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAIFISH语言简介软件自带的编程语言语法简单XXXEND_XXX注意事项与FLAC本身的关键字冲突保留字不可缩写变量可不定义，因此注意检查程序PRINTFISHTABLE,EXTRA等命令使用GEOHOHAICASE3FISH与建模TUNNELTXT两个圆形隧道的连接部分变直径的隧道部分TUNNELTXTGEOHOHAI主要内容软件简介基本原理前后处理FISH语言简介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GEOHOHAIFLAC3D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GEOHOHAI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。GEOHOHAI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GEOHOHAI有效应力计算不设置CONFIGFLUID孔压不改变设置孔压分布INITIALPPWATERTABLEWATERDENSITYWATERTABLEFACESETGRAVITY手动设置干湿密度设置CONFIGFLUID设置土体干密度渗流模型MODELFL_ISOTROPICMODELFL_ANISOTROPICMODELFL_NULLSETFLUIDOFFSETWATERBULK0无渗流模式渗流模式GEOHOHAI不耦合计算CONFIGFLUIDSETMECHOFF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KFCONFIGFLUIDSETFLUIDOFF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GEOHOHAI流固耦合计算CONFIGFLUIDSETFLUIDON真实的流体模量KF和渗透系数耦合方式DPDEVDDEVDP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GEOHOHAI流固耦合的计算方法手动调整的STEP求解SETFLUIDONMECHOFFSTEPSETFLUIDOFFMECHONSTEP主从进程的SOLVE求解SETMECHFORCESETMECHSUBSTEPNAUTO从进程SETMECHSUBSTEPM主进程SOLVEAGE自动STEP求解STEPGEOHOHAI渗流问题CONFIGFLUID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GEOHOHAI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。GEOHOHAICASE4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PVD2M8M10MVACUUMTXTDATAFILEGEOHOHAI数值分析过程MOVIEGEOHOHAI初始应力的生成为什么要单独列出分析过程中出现的很多问题都与初始应力是否合理有关手册中的例子五花八门生成方法弹性求解更改强度参数的弹塑性求解设置初始应力的弹塑性求解存在水压力的初始应力生成水下建筑的初始应力生成GEOHOHAI弹性求解模型尺寸单元数量密度KGU112M3112200030MPA10MPA035GENZONBRISIZE112MELASPROPBULK3E7SHEAR1E7FIXZRANZ0FIXXRANX0FIXXRANX1FIXYRANY0FIXYRANY1INIDENS2000SETGRAV0010SOLVESTEP162Z40E3X2154E3GEOHOHAI更改强度参数的弹塑性求解模型尺寸单元数量密度KGCFU112M3112200030MPA10MPA10KPA15035GENZONBRISIZE112MODELMOHRPROPBULK3E7SHEAR1E7C1E10F15TEN1E10FIXZRANZ0FIXXRANX0FIXXRANX1FIXYRANY0FIXYRANY1INIDENS2000SETGRAV0010SOLVEPROPBULK3E7SHEAR1E7C10E3F15TEN0SOLVESTEP163Z40E3X2154E3ORSOLVEELASTICGEOHOHAI设置初始应力的弹塑性求解模型尺寸单元数量密度KGCFU112M3112200030MPA10MPA10KPA15035GENZONBRISIZE112MODELMOHRPROPBULK3E7SHEAR1E7C10E3F15TEN0FIXZRANZ0FIXXRANX0FIXXRANX1FIXYRANY0FIXYRANY1INIDENS2000INISZZ40E3GRAD0020E3RANZ02INISYY20E3GRAD0010E3RANZ02INISXX20E3GRAD0010E3RANZ02SETGRAV0010SOLVESTEP0Z40E3X20E3GEOHOHAI存在水压力的初始应力生成模型尺寸单元数量饱和密度KGCFU水位线孔隙率112M3112200030MPA10MPA10KPA150351M05GENZONBRISIZE112MODELMPROPBULK3E7SHEAR1E7C10E10F15TEN1E10FIXZRANZ0FIXXRANX0FIXXRANX1FIXYRANY0FIXYRANY1INIDENS2000RANZ01INIDENS1500RANZ12INISZZ35E3GRAD0020E3RANZ01INISYY175E3GRAD0010E3RANZ01INISXX175E3GRAD0010E3RANZ01INISZZ15E3GRAD0015E3RANZ12INISYY75E3GRAD0075E3RANZ12INISXX75E3GRAD0075E3RANZ12INIPP10E3GRAD0010E3RANZ01SETGRAV0010STEP83Z3375E3X2321E3DSNSFGEOHOHAI水下建筑的初始应力生成模型尺寸单元数量饱和密度KGCFU水位线112M3112200030MPA10MPA10KPA150353MGENZONBRISIZE112MODELMPROPBULK3E7SHEAR1E7C10E10F15TEN1E10FIXZRANZ0FIXXRANX0FIXXRANX1FIXYRANY0FIXYRANY1INIDENS2000RANZ02INISZZ50E3GRAD0020E3RANZ01INISYY30E3GRAD0010E3RANZ01INISXX30E3GRAD0010E3RANZ01INIPP30E3GRAD0010E3RANZ02APPNSTRESS10E3RANZ2SETGRAV0010SOLVESTEP111Z50E3X444E3GEOHOHAI初始应力检查办法初始应力的计算时间不会“非常长”经常检查模型的响应PLOCONSZZSYY,SXX应力场PLOCONZDISYDIS,XDIS位移场PLOBLOSTA屈服状态PLOGPFIXREDSK速度约束条件PLOFAPREDSK体力PLOHISTUNBAL不平衡力PLOINTERFACENSTRESSSSTRESS接触面单元GEOHOHAI主要内容软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAI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”GEOHOHAI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GEOHOHAI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INIADD使模型接触注意DIST的含义NOMERGE接触面DIST1234GEOHOHAI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GEOHOHAI导来导去”具体方法SAVE1SAVDELRANGROP2NOTINTERFACE1FACESAVE2SAVREST1SAVDELRANGROUP2EXPGRID1FAC3DREST2SAVIMPGRID1FLAC3DGEOHOHAI接触面参数的确定虚构的为了合并节点而设置的接触面KNKS10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GEOHOHAI主要内容软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAI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于滞回阻尼地震波的调整动孔压的生成GEOHOHAIFLAC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抗剪强度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GEOHOHAI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APPLYINTERIOR内部TABLEFISHGEOHOHAIQUIET边界静态QUIET,粘性边界LYSMERANDKUHLEMEYER1969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GEOHOHAIQUIET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2CSVS地震底部输入的侧向边界扭曲了入射波QUIETQUIETQUIETGEOHOHAIFREEFIELD边界CUNDALLETAL1980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APPLYFF之前GEOHOHAIFREEFIELD边界APPLYFF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GEOHOHAI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60EMAX中心频率共振计算，地震平均频率临界阻尼比计算速度慢，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GEOHOHAI滞回阻尼HYSTERETICDAMPING模拟岩土介质的动模量衰减曲线INITIALDAMPHYSTERETICNAMESIG33参数SIG44参数HARDIN1参数哈丁模型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GEOHOHAI滞回阻尼HYSTERETICDAMPING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02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，由于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GEOHOHAI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BASICSTRONGMOTIONACCELEROGRAMPROCESSINGSOFTWAREBAP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FFTFISORIGINSEISMOSIGNALGEOHOHAI地震波的调整0510152025303002001000100200300400ACCCM/S2TSEICENTUO0510152025303002001000100200300400ACCCM/S2TS20HZLOWPASSFILTERONEI_B02468101214161820222426280200040006000800010000120001400016000EICENTUOFREQUENCYHZAMPLITUDE0246810121416182022242628020004000600080001000012000140001600020HZLOWPASSEIFREQUENCYHZAMPLITUDEELCENTRO波FFT修正后的时程修正后FFT5HZGEOHOHAI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GEOHOHAI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,WANGETAL1990简单模型MC体积应变增量模型FINN模型BYRNE模型GEOHOHAI主要内容软件简介基本原理前后处理FISH语言简介流固耦合分析初始应力的生成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GEOHOHAI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GEOHOHAI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VC60SP4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FLAC2D、3DEC、UDEC等其他ITASCA软件中GEOHOHAI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CLASSCONSTITUTIVEMODEL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GEOHOHAI自定义本构模型的基本方法头文件USERMODELH中进行新的本构模型派生类的声明修改模型的ID100、名称和版本修改派生类的私有成员C文件USERMODELCPP中修改模型结构USERMODELUSERMODELBOOLBREGISTERCONSTITUTIVEMODELCONSTCHARUSERMODELPROPERTIES函数模型的参数名称字符串CONSTCHARUSERMODELSTATES函数计算过程中的状态指示器GEOHOHAI自定义本构模型的基本方法DOUBLEUSERMODELGETPROPERTY和VOIDUSERMODELSETPROPERTY函数CONSTCHARUSERMODELINITIALIZE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CONSTCHARUSERMODELRUN函数由应变增量计算得到应力增量，从而获得新的应力CONSTCHARUSERMODELSAVERESTORE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ADDITIONALDLLS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。GEOHOHAI例1非线性弹性DUNCANCHANG模型01234560500100015002000250030003500400045003900KPA3600KPA13/KPAA（）3300KPABYFLAC3D3600KPABYFLAC3D3900KPABYFLAC3D3300KPABYDUNCANCHANG3600KPABYDUNCANCHANG3900KPABYDUNCANCHANG3300KPA0123456050010001500200025003000350040004500A（）3600KPABYFLAC3D3900KPABYFLAC3D3600KPABYDUNCANCHANG3900KPABYDUNCANCHANG13/KPAA（）3900KPA3600KPAGEOHOHAI例2FLAC液化模型的修正YUMINCHEN,HANLONGLIUCOUPLEDHYDRAULICMECHANICALANALYSISOFLARGEDEFORMATIONINDUCEDBYPOSTLIQUEFIEDSANDGEOPROC2006,NANJING,CHINA700705BEGININITIALLIQUEFACTIONLIQUEFIEDCALCULATIONYESPOSTLIQUEFIEDCALCULATIONLIQUEFACTIONNONORMALFINNMODELYESNODYNAMICTIMEFINISHEDENDNOYESGEOHOHAI主要内容软件简介基本原理前后处理FISH语言简介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GEOHOHAIFLAC3D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ROCKBOLTON壳SHELL单元格栅GEOGRID单元土工织物；土工格栅初衬LINER单元BEAMCABLEPILESHELLGEOGRIDLINERGEOHO