岩土工程数值法 绪论

岩土工程数值法

FLAC3D使用刘必灯博士2011年9月1日个人简介2002-2006石家庄铁道大学土木工程学院桥梁系学士学位2006-2008中国地震局工程力学研究所防灾减灾工程与防护工程硕士学位2008-2011中国地震局工程力学研究所桥梁与隧道工程博士学位（2008年免试提前入读博士）考核方式与纪律考勤+程序设计(期中小作业)+程序设计(期末大作业)，没有考试考勤：1小时=1分期中程序设计：30分期末程序设计：约40分纪律！公共邮箱密码flacflac个人邮箱电话解决岩土工程问题的方法数值法的种类有限差分法有限单元法边界元法离散元

有限差分法最早出现的数值解法以差商来代替方程式的导数有限单元法Clough在1960年首次应用“有限单元法（FiniteElementMethod)”这个词，并处理平面弹性问题有限元法思想，即划整为零很早就有了，我国的祖冲之将圆分割，求得，就是采用有限元的基本思想有限元的优缺点及应用情况

可用于非均质问题，多层土、多种材料、多区域；可用于非线性材料，各向异性材料；可适应复杂边界条件；可用于各种类型的问题：应力变形、渗流、固结、流变、湿化变形、动力、温度问题等。优点：缺点：单元形态对计算结果影响较大；计算比较复杂、麻烦；计算模型、参数对结果影响大；非连续性问题困难；软件介绍FastLagrangianAnalysisofContinua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→3.1Itasca其他软件FLAC/FLAC3D简介介概况况FLAC3D是通通用用程程序序，，可可以以模模拟拟包包含含流流体体耦耦合合，，热热流流动动及及(土/石与与)结构构相相互互作作用用的的完全全非非线线性性静静力力学学和和动动力力学学问问题题，问问题题几几何何形形状状和和边边界界条条件件不不受受任任何何限限制制。。FLAC3D使用用广广义义有有限限差差分分法法(任意意形形状状单单元元，，又又称称为为有有限限体体积积法法)模拟拟非线线性性连连续续介介质质的的力力学学行行为为。FLAC3D对完整的的动力学学方程求求解，即即使对于于准静态态问题也也是如此此，这种种方法对对于涉及及物理不不稳定问问题(如坍塌)很有优势势。在模模拟系统统的静态态响应时时，使用用阻尼吸吸收动能能。隧道工程基本特征征内置材料料模型（（fortran）连续介质质非线性性，大应应变模拟拟（ansys）显式解题题方案，，为不稳稳定物理理过程提提供稳定定解界面或滑滑动面用用来模拟拟可产生生滑动或或分离的的离散面面，从而而模拟断断层，节节理或摩摩擦边界界内置材料料模型：：零模型,三个弹性性模型(各向同性性，横观观各向同同性和正正交各向向异性),八个朔性模型(德鲁克-布拉格,摩尔-库伦,应变硬化化/软化，单单一节理理，双线线性应变变硬化/软化单一一节理,双屈服，，修正剑剑桥粘土土，霍克克-布朗)自动三维维网格生生成器(FLAC3D)使用预定定义形状状可以以创建交交叉内部部区域（（如交叉叉隧道））FLAC3D拥有部分分图形用用户界面面(用来进行行绘图和和文件操操作)强大绘图图功能—等值线,矢量,张量等工业标准准格式图图形输出出(包括PostScript,BMP,JPG,PCX,DXF(AutoCAD),EMF等),并可以用用剪贴板板进行图图形剪切切和粘贴贴浅隧道的顺序开挖和支护喷射混凝土，锚索及土钉支护开挖应用：岩土力学学分析，，例矿体体滑坡、、煤矿开开采沉陷陷预测、、水利枢枢纽岩体体稳定性性分析、、采矿巷巷道稳定定性研究究等岩土工程程、采矿矿工程、、水利工工程、地地质工程程特色：大应变模模拟完全动态态运动方方程使得得FLAC3D在模拟物物理上的的不稳定定过程不不存在数数值上的的障碍显示求解解具有较较快的非非线性求求解速度度结构-土相互作作用坝基饱和和稳定流隧道围岩岩中的非饱和稳稳定流丰富的本本构模型型弹性本构构模型零模型所有的应应力均为为零:模拟挖空空区弹性模型型各向同性性，线性性各向异性性弹性，假假定单元元为横观观各项异异性bga-b面为对称称面.a,b轴与x,y轴呈任意意角度:afbxy德鲁克-布拉格;摩尔-库伦;单一节理理;应变硬化化-软化;双屈服;修正剑桥桥粘土;霍克-布朗所有模型型都由屈屈服函数数，硬化化/软化化函数，，和流动动准则描描述;塑性流动动基于塑塑性理论论，即总总应变可可以分解解为弹性性分量和和塑性分分量，只只有弹性性应变分分量根据据弹性定定律引起起应力增增加。而而且，弹弹性和塑塑性分量量与主应应力同轴轴;德鲁克-布拉格，摩尔尔-库伦，单一节节理,应变硬化-软化模型使用用剪切屈服函函数和非相关关联流动法则则;德鲁克-布拉格，摩尔尔-库伦，单一节节理,应变硬化-软化模型另外外还定义了拉拉伸强度准则则及其相关流流动法则;所有模型都使使用有效应力力描述;双屈服和修正正剑桥粘土考考虑了体积改改变对材料可可变形性和体体积变形的影影响;霍克-布朗包含非线线性破坏面，，随围压改变变的塑性流动动法则.塑性本构模型型FLAC/FLAC3D基本原理FLAC/FLAC3D利用有限差分，显显式方案，动动态松弛方法模拟连续续体的非线性力学行为：即使对准静态态问题,程序仍然求解解完整的动力力学方程。这这种方法的好好处在于可以以为物理非稳稳定过程例如如塌方提供稳稳定解；在“松弛””方法中，使使用阻尼来吸吸收动能以模模拟系统的““静态”反应应。这种方方法可以用比比其它方案如如解矩阵法更更为真实有效效地模拟塌方方问题。混和离散技术术FLAC混和离散+/2=每个为常应力/应应变:体积应变由整整个四边形算算出.应变偏量则有有两个三角形形和分别算出(混合离散过程)解题过程中网网格坐标按照照“拉格朗日日方式更新””(网格随材料移移动),且为显式(一个时步内局局部变化不会会影响邻域)FLAC3D混和离散+/2=动态松弛法在动态松弛法法中，网格点点根据牛顿运运动定律运动动.网格点的速度度与该点的不不平衡力呈正正比.这种求解方法法所决定的一一系列位移将将把系统带入入平衡状态，，或表明破坏坏模式在动态松弛法法中有两个因因素很重要:时步的选择阻尼效应时步为满足数值稳稳定性，时步步必须满足如如下条件:这里Cp与1/mgp成比例。对于于静态分析，，网格点质量量按比例调节节使得局部临临界时步等于于()，这样收敛速速度最优.然后调节节点点惯性质量以以满足稳定条条件:注意介质实际际重量不受影影响.显式解与隐式式解的比较显式,逐时推进隐式,静态1.无需进行反复复迭代来实现现非线性本构构关系.2.类似问题求解解时间呈N3/2规律增长3.物理非稳定性性不会引起数数值不稳定性性.4.因为无需储存存矩阵，用较较小内存即可可模拟大尺度度问题.5.对大位移、大大应变问题同同样适合，无无需额外的计计算.1.需进行反复迭迭代来实现非非线性本构关关系2.类似问题求解解时间呈N2甚至N3规律增长.3.难以模拟物理理非稳定性问问题.4.需存储刚度矩矩阵，需克服服相关的带宽宽问题，需要要的内存较大大.5.对大位移、大大应变问题需需进行大量的的计算.FLAC3D的求解过程平衡方程(动量方程)应力—应变关系(本构模型)Gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元分析问题的过过程建立网格初始条条件边界条条件初始应应力平平衡外荷载载求解前处理理后处理理FLAC3D系统要要求处理器器–1GHz；硬盘–至少要要有100M的空间间；内存–载入FLAC3D需要3MB内存;当模型型创建建后内内存可可以自自动增增添和和释放放；显示器器–屏幕分分辨率率1024x768像素,16-字节调调色版版操作系系统–任何安安装Windows98及以上上版本本的因因特尔尔计算算机单机网网络–FLAC3D3.0有网络络版菜单驱驱动(计算模模式)命令栏FLAC3DFLAC3DFLAC3D的文件件格式式保存文文件(*.sav)–含有所所有状状态变变量和和用户户定义义条件件的二二进制制文件件数据文文件(*.dat)–数据文文件由由用户户创建建的一一种ASCⅡ格式的的文件件，它它包括括一系系列的的用于于描述述所分分析问问题的的FLAC3D命令历史记记录文文件(*.his)–记录输输入输输出历历史值值的文文件图形文文件–图形文文件(各种标标准格格式)电影文文件(*.dcx)–AVI或PCX图像文文件，，这些些图像像文件件可以以当作作电影影放映映FLAC3D语言及及主要要命令令程序控控制NEW(!!!)CALLfilenameQUITSAVEfilenameRESTOREfilenameRETURNSTOP计算模模式说说明CONFIGAXisymmetric,p-stressCreep,dynamic,extra,gwflow,,thermal几何模模型的的建立立GENERATEZONEmeshnamecoordinateratioATTACHface本构模模型参数输输入MODELnull,mohr-coulomb,elastic,isotropicelastic,elasticorthotrpic,ubiquitous-joint,strainhardeningsofteningplasticity初始条条件说说明INITIALpp,sxx,sxy,sxz,syy,szz,xdis,ydis,zdis,yvelzvelxvel,SETlarge,small,3D-damping,clock,creeptime,dytime,flow,force,gravity,tension,thermal,stepWATERtable边界条条件输输入APPLYmechnicalboundary-ff,Pressure,sxx,syy,szz,sxy,xf,yf,zf,groundwaterboundary-pp,dischangethermalboundary-convention,flux,raditionFIXpp,Saturation,temperatrue,x,yFREEpp,Saturation,temperatrue,xy支护结结构特特性STRUCTURbeamcablesupportangle,begin,delete,end,remove,widthprop,segment,tension,deletenode,fix,free,load,pin,slave,unslavepropArea,density,e,i,kn交界面面说明明INTERFACEcohesion,friction,glued,kn,ks,tbond,ungluedInterface单元元简介用途岩体介质中的的解理、断层层、岩层面地基与土体的的接触箱、槽及其内内充填物的接接触空间中无变形形的固定“障碍”原理三角形单元(无厚度!)8参数三种工作模式式粘结界面粘接滑移库伦滑动Interface的建建立关键要形成同一位位置的两个节节点(面)“移来移去”(推荐)建两个分开的的模型建立接触单元元通过INI*add使模型接触注意dist的含义NOmerge,NOattach!!!接触面dist1234用户定义函数数DEFINEfunction0nameEND计算过程监视视HISTORYppsig1,sig2,sxx,sxy,syy,szz,tempthtime,unblance,write,xdis,ydis,xvel,yvelTRACKline,list,write计算与求解SOLVEage,dytime,force,temperatureSTEPn模型输出MOVIEfile,off,on,viewPLOTapp,at,he,bo,c,cf,den,mark,unmark,sxx,sxy,syy,szz,dif,sig1,sig2,fix,grid,plas,xv,yv,xdis,ydis,vis,pPRINTP,AT,be,bo,den,markunmark,sxx,sxy,syy,szz,sdif,sigl,sig2,fix,grid,plas,xv,yv,xdis,ydis,TITLE@name与操作系统有有关命令copy,delete,dir,rename,type,exithelp三、FLAC3D基本模块名称称关关键字字1、Brickbrick2、degeneratebrickdbrick3、wedgewedge4、pyramidpyramid5、tetrahed