工程地质数值法

1、某路基工程施工过程数值模拟摘要本文首先对FLAC3D软件进行了介绍，简明阐述了其特点、应用范围及不足； 然后结合具体路堤工程，采用FLAC3D软件对施工过程进行了模拟，生成了初 始竖向和水平应力云图、第一次填筑及填筑结束时的沉降云图及水平位移云图； 最后生成了路基中心点和坡脚节点的沉降曲线。关键词：FLAC3D；数值模拟；应力云图；沉降云图；位移云图1 FLAC3D的功能与特性自R.W.Clough 1965年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模 拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特 别是个人电脑的出现及其计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩

2、土工 程数值模拟成为可能，也使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流 方法之一。数值模拟技术的优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围，为 分析人员洞悉岩体、土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。FLAC系 列软件的出现，为岩土工程研究工作者提供了一款功能强大的数值模拟工具。FLAC3D主要特点FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由 Itasca 公司研发推出的连续 介质力学分析，是该公司旗下最知名的软件系统之一，FLAC目前已在全球七十 多个国家得到广泛应用，在国际土木工程(尤其是岩土工程)学术界和工业界享 有盛誉。FLAC3

3、D界面简洁明了，特点鲜明。其使用特征主要表现为：命令驱动模式、 专一性、开放性。作为有限差分软件，相对于其他有限元软件，在算法上，FLAC3D 有以下几个优点：采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动，比有 限元中通常采用的“离散集成法”更准确、合理；即使模拟静态系统，也采用动 态运动方程进行求解，这使得FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上 的障碍；采用显示差分法求解微分方程。采用FLAC3D进行数值模拟时，必须 指定有限差分网格、本构关系和材料特性、边界和初始条件，这是FLAC3D求 解的一般流程。FLAC3D的应用范围FLAC3D的应用范围已拓展到土木建筑、交通、水利、地

4、质、核废料处理、 石油及环境工程等领域，成为这些专业领域进行分析和设计不可或缺的工具。其 研究范围主要集中在以下几个方面：岩体、土体的渐进破坏和崩塌现象的研究；岩体中断层结构的影响和加固系统（如喷锚支护、喷射混凝土等）的模 拟研究；岩体、土体材料固结过程的模拟研究；岩体、土体材料流变现象的研究；高放射性废料的地下存储效果的研究分析；岩体、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究；岩体、土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象 的研究等。FLAC3D的不足毋庸置疑，FLAC3D是十分优秀的岩土工程数值模拟软件，其实用性和专 业性得到了广泛证实。但FLAC3D也存在着诸多不足，主要

5、集中在以下几个 方面：求解时间受网格尺寸影响很大；某些模式下的计算求解时间很长；前处理功能较弱。 FLAC3D对于复杂三维模型的建立仍然十分困难。2某路基工程施工过程模拟2.1工程概况该路基工程地基计算深度为50m，分为两层，上部为回填土，厚度10m，下 部为粘土，厚度40m；路基计算宽度为200m，填筑高度为5m，坡度为1:1.5。 各土层物理、力学参数见表1。申泌 土 、 心?粘土PQD图1路堤施工几何模型表1各土层物理力学参数土层名称p/kg m-3c /kPa9 / ( )E /MPaV回填土150010158.00.33粘土180020204.00.332.2模型建立由于几何模型具有

6、对称性，可以采用1/2模型进行分析。首先建立坐标系， 坐标系的原点O设置在地基表面与模型对称轴的交点，水平向右为X方向，竖 直向上为Z方向，垂直于分析平面的方向为Y方向。网格的建立按照分区域建模的思路进行，如图2所示。由于路基坡脚的位置 存在一个关键点，所以将模型划分成5个矩形区域，对每个区域按照控制点利用 brick单元建立网格，并进行分组后赋值。考虑到网格尺寸的一致性，Y方向只 设置一个单元，该方向单元尺寸为5m。1，区幸X.龄1图2模型网格建立思路网格建立以后，首先设置边界条件。对底部边界节点的X、Y、Z三个方向 的速度进行约束，相当于固定支座，对X两侧的边界进行水平速度约束。由于Y 方

7、向只设置一个单元长度，所以对模型中所有节点的Y方向速度均进行约束， 相当于进行平面应变分析。2.3初始应力计算在路基施工前，需要将路基部分网格赋值为空模型，而将地基部分的网格赋 值为Mohr模型。由于实例中存在null模型，不能采用solve elastic的求解方法 获得初始应力，所以采用分阶段的弹塑性求解方法。先将Mohr模型的凝聚力c 值和抗拉强度dt赋值为无穷大进行求解，保证在重力作用下单元不至于发生屈 服，然后再将Mohr模型参数赋值为真实值，再进行求解。Contour of SZZ图3初始竖向应力云图FLAC3D 3.00Step 1888 Model Perspective 17

8、:55:56 Mon Apr 21 2014Center:Rotation:X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+000Y:0.000Z: -2.500e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Contour of SXXMagfac = 0.000e+000i-Qradient Calculation-4.1992e+005 to -4.0000e+005-4.0000e+005 to -3.5000e+005-3.5000e+005 to -3.0000e+005-3.0000e+005 to -2.5000e+0

9、05-2.5000e+005 to -2.0000e+005-2.0000e+005 to -1.5000e+005-1.5000e+005 to -1.0000e+005-1.0000e+005 to -5.0000e+004-5.0000e+004 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 1.8693e+001Interval = 5.0e+004Itasca Consulting Group, Inc.MN USAFLAC3D 3.00Step 1888 Model Perspective 17:55:28 Mon Apr 21 2014Center:Rotation:

10、 TOC o 1-5 h z X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+000Y:0.000Z: -2.500e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Magfac = 0.000e+000 i-Qradient Calculation -8.5283e+005 to -8.0000e+005 -8.0000e+005 to -7.0000e+005 -7.0000e+005 to -6.0000e+005 -6.0000e+005 to -5.0000e+005 -5.0000e+005 to -4.0000e+005

11、.-4.0000e+005 to -3.0000e+005-3.0000e+005 to -2.0000e+005-2.0000e+005 to -1.0000e+005 -I -1.0000e+005 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 9.7702e+000 Interval = 1.0e+005Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA图4初始水平应力云图图3和图4为初始应力计算结束时得到的竖向应力和水平应力云图，可以发 现最大竖向应力值为85.3kPa，最大水平应力值为42.0kPa，静止侧压力系数约为 0.5

12、，与理论计算值基本一致。2.4施工过程模拟在进行路基施工模拟前要将初始应力计算过程中产生的节点位移和速度进 行清零处理。因本工程路基高度为5m，高度方向共划分了 5个单元，为了模拟 路基填筑的施工过程，采用分级加载的方法激活路基单元，每次激活1m高度的 单元，相当于每次填土高度为1m，分5次填筑完成，每次填土进行一次求解。FLAC3D 3.00Step 4283 Model Perspective 22:08:13 Mon Apr 21 2014Center:Rotation: TOC o 1-5 h z X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+000Y:0.000Z: -

13、2.250e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Contour of Z-DisplacementpMagfac = 0.000e+000-1.1151e-001 to -1.0000e-001-1.0000e-001 to -8.0000e-002-8.0000e-002 to -6.0000e-002-6.0000e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000Interval = 2.0e-0020.0000e+000 to 5

14、.0333e-003MN USAItasca Consulting Group, Inc.图5第一次填筑结束时的沉降云图FLAC3D 3.00Step 4283 Model Perspective 22:09:06 Mon Apr 21 2014Center:Rotation:X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+000Y:0.000Z: -2.250e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Hng. cc.500Contour of X-Displacement,-Magfac = 0.000e+000-1.4009e-002 to -1.

15、0000e-002-1.0000e-002 to -5.0000e-003-5.0000e-003 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 5.0000e-0031115.0000e-003 to 1.0000e-0021.0000e-002 to 1.5000e-0021.5000e-002 to 2.0000e-002 2一0000e-002 to 2 1442e002,Interval = 5.0e-003Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis. MN USA图6第一次填筑结束时的水平位移云图FLAC3D 3.00Step 80

16、42 Model Perspective 22:14:53 Mon Apr 21 2014Center:Rotation: TOC o 1-5 h z X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+000Y:0.000Z: -2.250e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Contour of Z-Displacementagfac = 0.000e+000-5.4479e-001 to -5.0000e-001-5.0000e-001 to -4.0000e-001-4.0000e-001 to -3.0000e-001

17、-3.0000e-001 to -2.0000e-001-2.0000e-001 to -1.0000e-001-1.0000e-001 to 0.0000e+000Interval = 1.0e-0010.0000e+000 to 2.4705e-002Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAFLAC3D 3.00Step 8042 Model Perspective 22:16:02 Mon Apr 21 2014Center:Rotation: TOC o 1-5 h z X: 5.000e+001X:0.000Y: 2.500e+

18、000Y:0.000Z: -2.250e+001Z:0.000Dist: 2.790e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Contour of X-DisplacementpMagfac = 0.000e+000-3.1971e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 2.0000e-0022.0000e-002 to 4.0000e-002.4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 8.0000e-002-I 8.0000e-002 to 1.0000e-0

19、01 1.0000e-001 to 1.0839e-001Interval = 2.0e-002Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA图8填筑结束时的水平位移云图图5和图6分别为第一次填筑结束时的沉降云图和水平位移云图，图7和图 8分别为填筑结束时的沉降云图和水平位移云图，可以发现最大沉降发生在地基 表面的左侧边界处，而最大水平位移发生在坡脚以下的深部地基中。图9计算过程中的不平衡力变化过程FLAC3D 3.00Step 804222:17:46 Mon Apr 21 2014History2 Z-Displacement Gp 517

20、X10A-1-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0 - % .Linestyle -5.399e-001 -1.400e-0043 Z-Displacement Gp 533Linestyle-2.231e-001 -1.209e-004 Vs.Step1.890e+003 8.040e+003Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAiri2.04.06.08.0图9给出了计算过程中不平衡力的收敛过程，在初始应力计算过程中有很大 的数值逐渐收敛，在后续路基填筑过程中，每一次填筑引起的不平衡力在计算过 程中逐渐收敛。路基填筑计算过程中监测了路基中心