FLAC3D在岩土工程中的应用西安201217.ppt

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1、,中国科学院计算所教育中心,徐帮树 系主任/副教授 山东大学岩土与结构工程研究中心 山东大学城市地下空间工程系 2012年1月7-9日 西安,2,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,3,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,软件介绍使用特征,命令驱动模式：界面操作/人机交互,专一性: 专为岩土工程而开发 本构模型

2、12个（1个空/3个弹性/8个塑性） 计算模式 5种（静力/动力/蠕变/渗流/温度） 结构单元 6种（梁/锚杆/桩/壳/格栅/衬砌） 界面单元 节理/断层/虚拟物理边界 机理分析 绘图/时步函数,开放性：命令驱动模式/fish/C+,软件介绍计算特征,混合离散法 离散集成法,动态松弛法：完全动态运动方程在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍,显式差分法:非线性/大变形/刚度矩阵,6,软件介绍应用范围,岩土工程/采矿工程 土木建筑 /交通/地质/石油/环境/核电/水利工程,岩土体渐进破坏和崩坍现象 断层结构影响和加固系统 固结过程 流变现象 地下存储效果 变形局部化剪切带演化 动力稳定分析

3、岩土体与结构相互作用分析 振动液化现象,不足之处 求解时间受网格尺寸的影响很大 某些模式下的计算求解时间很长 前处理功能较弱 可以克服！!,软件介绍,8,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,快速入门图形界面,快速入门分析的基本组成部分,生成网格单元,设置边界条件,定义材料性质,设置初始条件,初始地应力平衡,加载及连续建模,求解,输出计算结果,建立分析模型,模拟 求解,快速入门简单分析命令概要,快速入门文件类型,.dat 命令文件 call 记事本 .fis 二次开发 call 记事本 .tmp

4、 临时文件 自动消失 .sav 结果文件 restore .log 日志文件 记事本 .flac3d 网格文件 Impgrid 记事本,快速入门成果输出,图片输出,记录结果输出 hist keyword x y z hist keyword id=n hist write nhist1 记事本编辑,14,快速入门一个最简单的例子,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 -.

5、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,例2.1,快速入门收敛标准和变量解释,常用标准 不平衡力比10exp(-5)/不平衡力/典型内力 自定义标准 不平衡力 网格节点速度 塑性区标识 shear-n/ shear-p tension-n/ tension-p 历时曲线,例2.1,16,主要内容,软件介绍 快速

6、入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,17,基本原理,有限差分法 Lagrangian网格 空间混合离散技术 Lagrangian格式动量平衡方程 FLAC3D的求解过程 FLAC3D的本构模型,18,基本原理有限差分法,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 & FEM的混合求解 FDM的新进展,19,基本原理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

7、 节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致 固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家拉格朗日,20,基本原理空间混合离散技术,+,/2,=,21,基本原理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,22,基本原理FLAC3D的求解过程,23,基本原理FLAC3D中的本构模型,开挖模型null 3个弹性模型 各向同性弹性 横观各向同性弹性 正交各向同性弹性 8个弹塑性模型 Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、

8、双屈服面塑性模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型,24,基本原理FLAC3D中的本构模型,25,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,26,前后处理,基本前后处理 命令操作 菜单操作 外界模型的导入 复杂模型的网格检查,27,菜单驱动(前处理/计算模式),命令栏,28,FLAC3D的前后处理,命令驱动(推荐) 程序控制 图形界面接口 计算模型输出 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出,前后处理功

9、能的优点,13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,前后处理功能的缺点,复杂模型的建模功能不强 可以编程导入其他软件形成的网格(比如：Ansys、Adina、ABQUS、GeoCAD) 无等值线的后处理功能(3D) 可编程将.sav文件写入TecPlot/Surfer等其他后处理软件 全命令操作，学习困难 鼠标功能单一(双击取击点坐标),FLAC3D 网格模型,FLAC3D 网格模型,FLAC3D的建模功能不是很强大，一般用ANSYS/ABQUS建模，然后导入FLAC3D，可以通过编

10、写接口程序实现。,FLAC3D Grid Generation with ANSYS+AutoCAD,33,外界模型的导入,复杂网格的生成难度大 接口编写 不同软件之间的精度差异 Group的定义 采用.flac3d的文件格式 .flac3d文件的格式 G 1 1.0e+00 1.0e+00 1.0e+00 Z B8 1 2 3 4 5 6 7 8 ZGROUP Soil 1 2 3 impgrid & expgrid 仅限于网格,FLAC3D 网格单元数据形式 L5.1,例5.3,35,外界模型导入实例,AutoCAD辅助建模 Ansys建模 Ansys模型数据导出 Ansys_comman

11、d-ywd.dat/APDL FlieRead input from 生成node-01.dat和elem-02.dat 数据格式转换 myansytoflac2.exe 得到flaczone.FLAC3D 得到FLAC3D模型 FlieImport grid flaczone.FLAC3D Sav geo.sav,后处理查看分析结果,云图、矢量图、曲线、数据和动画 等值线图 TecPlot/Surfer Plot 命令格式/快捷键 分组： PLOT block group/界面方式 出色背景：Ctrl+G/界面方式 快捷键：缩放/旋转/平移 图形输出到文档（word） 图形窗口：【Edit】

12、/【Copy to clipboard】（建议使用：矢量图） 命令窗口：【File】/【Print Type】/【Jpg File】 【File】/【Print Setup】/【Jpg File】 【File】/【Print 】/【1Base 0】,例6.1,Set plot jpg Set plo quality 100 Pot hard file 1.jpg,后处理查看分析结果,后处理查看分析结果,初始地应力结果后处理 Plo con/bcon 应力云图PLOT con szz/界面方式 Plo con/bcon,PLOT con szz ou on ;显示网格 PLOT con szz

13、ef on ;有效应力 PLOT con szz inter 1e4 ;改变云图显示增量 PLOT con szz max -10e3 ;改变应力最大值,PLOT bcon szz PLOT con 节点/单元（插值） PLOT bcon 单元（检查） PLOT bcon prop bu,例6.1,后处理施加荷载后的计算结果,变形云图：plo con zd/szz 动态显示 plo sk magf 20 变形矢量图：plo sk dis 塑性区分布：plot block state print zone state 变量监测: plot hist 2 根据坐标指定 /根据ID号指定 set h

14、ist_rep 1 监测数据导出 hist write 7 vs 8 file 6-3hist.txt 结果输出: print apply, fish, gp, group, history, model, zone等？ set log on / set logfile 6-1.log 切片操作(插值)：plo set plane ori 0 1.5 0 norm 0 1 0 plo con zd plane/ plo add ske, dis plane, axe 动画制作,例6.2 6.3 6.4 6.5,40,Tecplot的slice切片功能.和CAD一样,可以任意切剖面出图.最大优点

15、是可以几个剖面同时出图.,Tecplot的切片功能,41,Sufer的后处理,42,复杂网格的检查,FLAC3D生成的复杂网格 attach face 无接触面时检查整体模型是否存在sub-grid 有接触面时给定范围进行检查 其他软件导入的复杂模型 网格划分的检查 gen merge 弹性模型model elastic求解 “独立”节点 “畸形”单元,例6.1,43,模型的检查,FLAC3D本身的Check功能十分有限 错误提示很少 十分开放的工作平台 检查的基本步骤 网格检查(如前所述) 边界条件检查 速度约束条件 plo gpfix red sk 荷载条件 plo fap red sk

16、模型检查 模型赋值 plo block model 参数赋值 plo block prop * 初始应力检查(如后所述),例6.1,44,初始应力的生成,为什么要单独列出？ 得到所关注分析阶段之前岩土体已经存在的应力状态 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,45,弹性求解,gen zon bri size 1 1 2 m elas prop bulk 3e7 shear 1e7 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fi

17、x x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ini dens 2000 set grav 0 0 -10 solve,Step = 162 sz = -40e3 sx = -21.54e3,例7.1,浅埋和地表工程 无屈服区域,46,更改强度参数的弹塑性求解,gen zon bri size 1 1 2 model mohr prop bulk 3e7 shear 1e7 c 1e10 f 15 ten 1e10 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ini

18、 dens 2000 set grav 0 0 -10 solve prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0 solve,Step = 163 sz = -40e3 sx = -21.54e3,例7.2,7,4,可能存在屈服区域 计算时间长,47,设置初始应力的弹塑性求解,gen zon bri size 1 1 2 model mohr prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran

19、y 1 ini dens 2000 ini szz -40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2 ini syy -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 ini sxx -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 set grav 0 0 -10 solve,Step = 0 sz = -40e3 sx = -20e3,例7.4,加速平衡时间K0 不适用深埋工程,48,存在静水压力的初始应力生成,gen zon bri size 1 1 2 model m prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 15 ten 1e1

20、0 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ini dens 2000 ran z 0 1 ini dens 1500 ran z 1 2 ini szz -35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1 ini syy -17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1 ini sxx -17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1 ini szz -15e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2 ini syy -7.5e3 grad 0 0

21、7.5e3 ran z 1 2 ini sxx -7.5e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2 ini pp 10e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 1 set grav 0 0 -10,Step = 83 sz = -33.75e3 sx = -23.21e3,rd = rs nsrw,例7.5,Apply/Ini P108,49,水下建筑的初始应力生成,gen zon bri size 1 1 2 model m prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 15 ten 1e10 fix z ran z 0 fix x ran x 0

22、 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ini dens 2000 ran z 0 2 ini szz -50e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2 ini syy -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 ini sxx -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 ini pp 30e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 2 app nstress -10e3 ran z 2 set grav 0 0 -10 solve,Step = 83 sz = -50e3 sx = -32.1e3

23、,例7.6,顶部静水压力,50,深埋工程的初始应力生成,例7.7，7.8,构造应力场和自重应力场的叠加 无真正的位移边界条件和力边界条件 模型内应力重分布是应力与自重应力相平衡的结果，初始应力场即自重应力场 李仲奎/戴荣（2002）提出快速应力边界法（S-B法）,51,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 plo con szz (syy, sxx) 应力场 plo con zdis (ydis, xdis) 位移场 plo blo sta 屈服状态 plo gpfix red sk 速度约束条件 plo fap red sk 体力 plo hist (unb

24、al) 不平衡力 plo interface nstress (sstress) 接触面单元,学习经验和建议,了解FLAC3D的使用范围、优点和局限性 由简到繁，循序渐进 充分利用手册 了解计算中每条语句的含义 多做数值试验 夯实知识基础 相互交流，取长补短,53,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,54,FISH语言简介,软件自带的编程语言 是否一定要学？ 视情况而定，需要时查询FISH变量即可 语法简单（变量/函数/运算符/浮点数/字符串等） xxx end_xxx 注意事项 语法严谨，保

25、留字不可缩写 变量可不定义，因此注意检查程序 print fish table, extra等命令使用 文本文件，后缀.txt .fis,例8.1,Fish基本概念,函数和变量 二者都要在fish中赋值：与常规语言类似，按运算符优先级先后顺序执行 数据类型规则：类型对应 命名规则：不能以数字开头，不含中文，且不能包含下列符号 变量/函数名不能与保留字相冲突：不用简单的单词（P4） 不能递归调用 作用全局：避免在不同的函数中有相同的变量 命令：PRINT/HISTORY/SET 数据类型：整型/浮点型/字符型（以为分界符）/指针型,Fish主要语句,选择 Caseof 表达式 . case n1

26、 . case n2 ENDCASE,条件 IF 条件表达式 then . else . ENDIF 无“并” “或” “否”,嵌套条件语句 用于描述分段函数,例8.2,Fish主要语句,循环 变量数值 LOOP var(exp1,exp2) ENDLOOP 条件表达式 LOOP while 表达式 ENDLOOP 语法要求高 关键词不能缩写,例8.3,命令 COMMAND .(FLAC3D命令) ENDCOMMAMD,内置变量与函数,FLAC3D 标量：流变时间、节点总数、最大不平衡力 常规标量：时钟变量、随机数、空指针、常数 FLAC3D 模型变量：内存、节点、单元、接触面（P33） 结构

27、单元变量：常规、结构 、节点、 连接 数学函数：绝对值、三角、对数 表格函数和内存函数 绘图函数,单元遍历和节点遍历,遍历？信息/赋值 基本变量：zone_head/gp_head z_next()/gp_next(),单元遍历程序： p_z=zone_head loop while p_znull 语句 p_z= z_next(p_z) endloop,节点遍历程序： p_gp=gp_head loop while p_gpnull 语句 p_gp=gp_next(p_gp) endloop,60,FISH应用,例8.7,获得最大节点位移,土体的模量随小 主应力变化,E=KPa(3/Pa),

28、n,例8.5,分级加载与监测,例8.6,得到主应力差值云图,例8.8,编程与差错技巧,逐级编写 变量函数命名规则 变量无大小写区别 同一类变量名用相同的字母开头 字符类型 及时修正 语法严格 缩写 简写 标点符号 PRINT fish 检查,62,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,63,接触面单元,应用范围 原理 建模方法 推荐方法 复杂内部接触面的设置方法 参数选择 单桩承载力分析 挡土墙的接触面设置 思路：未知问题的分析方法,64,接触面单元的用途和原则,岩体介质中的解理、断层、岩层面

29、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”,大小表面相连，接触面应该建在小的表面上 相邻网格密度不同，应该建在密度大的区域上 接触面单元的尺寸通常应该等于或小于相连的目标面尺寸 用Attach命令连接的两个表面不应再建立接触面,65,接触面的原理,三角形单元 (无厚度!) 库伦剪切模型，参数较多 单面的，通过接触面节点与目标面建立联系 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动,66,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)，模拟结构物的滑移，分离 “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di

30、st的含义 NO merge, NO attach!,接触面,dist,1,2,3,4,1、建立土体网格,例9.1,2、建立节理单元,3、建立柱体单元,4、桩体向下平移,70,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,例9.2,72,接触单元模型的建立 (3),GEN separate INTERFACE wrap 指定正确的group,例9.3,接触单元的参数,;切割模型法 ;- n gen zone brick size 3 3 3 group 1 rang

31、e x 1 2 y 1 2 z 2 3 group 2 range group 1 not gen separate 1 int 1 wrap 1 2 int 1 maxedge 0.5 plo int red,74,接触面参数的确定,虚构的为了合并节点而设置的接触面 Kn=ks=10*max(K+4/3G)/Dzmin 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,谷仓下料模拟,手册中的一

32、个例子(ftd132.pdf)，设置接触面上粘聚力c=0，在自重作用下下滑。,例9.4,滑动前,滑动过程中,76,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,例9.5,77,计算过程,施加桩顶荷载,计算结果,78,挡土墙的接触面设置,对于未知问题的分析思路 3个独立的接触面 3个同ID的接触面 2个独立的接触面 2个独立的接触面并进行底部merge,挡墙,土体,1,2,3,Wall,Soil,7

33、9,挡土墙的接触面设置(3),前两种方法的差别实质 3个ID的独立接触面在相同位置产生互不影响的两个节点 共同ID的接触面在相同位置自动设置为1个节点 最终的结论需要您自己去判断！,3 interfaces, 2 IDs,1 interface, 1 ID,80,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,81,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

34、栅 初衬(liner)单元,beam,cable,pile,shell,geogrid,liner,82,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)FLAC3D 3.1 结构单元的厚度,梁单元(beam),梁单元局部坐标系及自由度,梁单元力和力矩（包括轴力、剪力、弯矩）,梁单元(beam),本构模型：各向同性的、无屈服破坏的线弹性材料 材料参数：,密度 弹性模量 泊松比 朔性矩 热膨胀系统 横截面积

35、y轴的惯习矩 z轴的惯性矩 极惯性矩 矢量Y,梁单元的建模,两种方式建立结构单元：直接通过坐标点指壑结型结构的两个端点 选建节点，然后通过节点建立结构单元,例10.1,例10.2,单元id, 构件cid, 节点node,连接 link,梁单元(beam),案例：使用梁单元进行开挖支护 问题描述：分析范围的尺寸为6m8m8m，开挖步分的尺寸为2m4m5m。开挖时采用梁单元进行支撑，分析采用支撑后模型的变形情况和梁单元的受力情况。,例10.4,计算网格,位移云图、梁轴力图,Beam单元案例,2011.12.09培训案例彭文斌教材ch11,荷载,位移矢量图,剪力图,锚索单元(cable),梁单元局部

36、坐标系及自由度,锚索单元本构关系,锚索单元(cable),锚索、注浆体、围岩三种材料相互作用原理,锚索单元(cable),本构模型：锚索构件为弹塑性材料，拉、压屈服，不能抵抗弯矩。 材料参数：,密度 弹性模量 单位长度上水泥浆的粘结力 水沁浆的摩擦角 单位长度上水泥浆刚度 水泥浆上圈周长 大变形滑动标志 大变形滑动容差 热膨胀系统 横截面积 抗压强度 抗拉强度,几何参数、材料参数、水泥浆特性，12个参数；10个必选参数，2个可选参数,锚索单元(cable),案例：关于预应力锚杆的模拟 问题描述：对于非全长锚固、并施加预紧力的锚索，需要考虑托盘、自由段和锚固段、和预应力施加的问题。 方法一：删除

37、-建立link连接来模拟托盘 方法二：通过设置极锚固剂参数模拟托盘 方法三：借助别的结构单元（如liner单元）来模拟托盘,例10.5,例10.6,例10.7,壳型结构单元的建模,两种方式： 1、在实体单元表面建立节点、构件和单元，然后删除实体单元。 2、先建立节点，然后用sel shellSel命令壳型结构的构件。,壳型结构单元的建模,壳型结构单元,三种单元形式：壳单元、格栅单元、初砌单元 壳构件：假定为是均厚的3节点组成的三角形。由构件组成任意形状的壳。 力学特性：壳材料结构向应、构件与网格的交互。定义为各向同性或异性的线弹性材料，无破坏极限。,壳型结构单元,密度 各向同性（弹模、泊松比）

38、；正交各向异性 热膨胀系数 厚度,壳构件与网格是刚性连接的,壳单元(shell),彭11.10,案例：松软弹性土中开挖隧道，原始应力为1MPa，喷射厚0.2m的混凝土。混凝土保持弹性且与土壤刚性连接。,初始状态,开挖第1步,加喷射混凝土衬砌，开挖第2步,壳单元(shell),彭11.10,加衬砌，最大位移1mm,无衬砌，最大位移12mm,98,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,99,隧道与土体的相互作用,

39、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,100,计算步骤,模型网格,初始应力生成,施加管片,计算结果,101,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,102,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构

40、单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,103,流-固耦合分析(单相流),基本功能 理论框架 计算模式（渗流模式/无渗流模式） 渗流边界条件，初始条件 单渗流计算及渗流耦合计算,104,基本功能,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。,105,计算模式,无渗流模式 不设置CONFIG Fluid 孔压不改变 设置孔压分布 INITIAL pp WATER ta

41、ble WATER density WATER table face SET gravity 手动设置干湿密度,渗流模式 设置CONFIG fluid 设置土体干密度 渗流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null 开挖单元设置 WATER dens/ INI fdens,12.1，12.2,无渗流模式,没有设置config fluid。可以在节点上设置孔隙水压力，改变土体有效应力状态。 两种方式设置孔隙水压力 ini pp, water table,例12.1,gen zon bri size 3 3 3 ini pp 2

42、0e3 grad 0 0 -10e3 plot con pp outline on,gen zon bri size 3 3 3 water density 1000 set grav 10 water table ori 0 0 3 norm 0 0 1,例12.2,无渗流模型模式，Flac3D在体积力计算时，不能自动考虑流体质量作用； 手动设置水位面以上为干密度；水位面以下不饱和密度,流体参数赋值方法,参数和单位,渗透系数 密度 比奥系数与比奥模量（土颗粒可压缩） 体积模量/孔隙率/饱和度/抗拉强度,Set fluid biot on,110,渗流边界条件,默认的边界条件是不透水边界 孔隙

43、压力自由(不透水边界 ) 固定孔隙水压力(透水边界) 命令 Fix pp (配合ini pp使用) Apply pp 节点的渗流边界条件 APPLY pwell 流量interior 单元的渗流边界条件APPLY vwell 流量 平面的渗流边界条件 通量边界：APPLY discharge 通量 （m/sec） 渗漏边界：Apply leakage v1 v2 (v1为孔压； v2表示渗漏系数，m3/N.sec ),例12.3,12.4,111,单渗流计算及渗流耦合计算,完全耦合分析方法 两个进程：流体计算，力学计算 孔压固定分析(有效应力分析) 比如边坡稳定性，只考虑静水压力分布。Ini

44、pp; water table 单渗流得到孔压分布 Config fluid Set mech off 流体本构模型、参数 step; solve age time(只有当流体模量为真实值时，) 无渗流计算孔压的力学响应 流-固耦合计算,112,单渗流得到孔压分布,固定孔压分析 用途：排水沟；抽水井；隧道渗流 计算步骤 CONFIG fluid SET mech off SET fluid implicit on/off（隐式仅完全饱和） MODEL fl_; PROP STEP; SOLVE age; SET fluid ratio SET fluid off mech on PROP bi

45、ot_c 0 (or set fmod 0)（避免应力变化引起孔压变化）,113,无渗流计算孔压的力学响应,不排水短期响应 两种分析方法：干法和湿法 干法：Ku=K+a2M 两种破坏形式 WATER或INI获得常孔压，不排水的c, (孔压改变较小) =0,c=cu (MK+4/3G) 湿法：耦合体系的短期行为（必须渗流模式） 使用排水的K, c, 若SET fluid off, Biot_mod(fmod)真实,例12.5,实例：载荷引起的地基土体的起孔隙水压力 地基土的宽度为20m，高度为10m，采用弹性模型。地基土表面为透水边界条件，孔压固定为0。地基土表面3m的范围内缓慢施加40kPa，

46、载荷。计算土体超孔隙水压力,孔压分布图、节点荷载 plot con pp plane ou on plot add fap red plane,垂直位移、位移矢量图 Plot con zdis out on plane plot add dis plane,例12.5,115,流-固耦合计算,CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数) 真实，则FLAC3D默认耦合计算 pevs evp 预估流/力特征时间，力学扰动可认为瞬时发生 耦合计算前先达到一个平衡状态 SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP SET mech f

47、orce; SET mech substep n auto; SET fluid substep m (=1) STEP:渗流步足够小,116,流固耦合的计算方法,手动调整的STEP求解 SET fluid on mech off STEP n1 SET fluid off mech on STEP n2 主从进程的SOLVE求解 SET mech force SET mech substep n auto (从进程) SET fluid substep m (主进程) SOLVE age 自动STEP求解 STEP/slove,117,渗流问题(CONFIG fluid)分析步骤,时间比例(

48、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,118,心墙土坝的渗流 (1),网格模型,初始孔压,例12.6,问题描述：土坝中存在一道粘土心墙，心墙渗透系数远底于土体的渗透系数，可认为是不透水材料。 分三步进行：第1步，水位未上升时的应力场、孔压场,119,心墙土坝的渗流 (2),第二步：水位上升对模型应力影响。渗流场关闭,竖向应力,沉降,例12.7,120,心墙土坝的渗流 (3),第三步：施加孔压边界，升高迎水面的孔压值，并在背水面设置透水的孔压边界条件。,例12.8,孔隙水压力、矢量图,121,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,PVD,2m,8m,10m,例12.8,真空预压的简单模拟,粘土层表面沉降，约5cm,地表沉降，约30cm,沉降历时曲线,孔压云图,123,主要内容,软件介绍 快速入门 基本原理 静力计算 FISH语言 接触面单元 结构单元及应用 流固耦合分析 非线性动力分析 自定义本构模型,概述,Config dynamic 与其他场的耦合 结构单元耦合 流体计算耦合 热力学计算耦