FLAC3D中隨機裂隙模型實現(xiàn)技術(shù)研究

翟會超,任鳳玉,張國建

(1.東北大學，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051 )

1 前言

在工程巖體中常存在節(jié)理裂隙。而裂隙弱面的發(fā)育程度、分布密度、力學性質(zhì)等決定著結(jié)構(gòu)體的形狀、方位和大小，同時也是控制巖體穩(wěn)定性、巖體強度的重要因素。在FLAC3D數(shù)值分析中，常用Fish語言對模型實體內(nèi)不同空間位置的單元賦予隨機材料參數(shù)，或通過雙線性應變硬化模型、多節(jié)理模型、分界面處理節(jié)理等方法來實現(xiàn)對巖體非線性研究。但以上方法較難描述巖體工程中賦存的宏觀隨機裂隙分布狀況。然而，巖體的變形破壞特征與宏觀裂隙密切相關(guān)。針對這一問題，文中采取Autocad、Ansys聯(lián)合建模技術(shù)，實現(xiàn)宏觀隨機裂隙模型在FLAC3D中的數(shù)值分析。

2 隨機裂隙模型實現(xiàn)技術(shù)

若生成線型宏觀隨機裂隙模型，首先對工程巖體進行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，獲取優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組的統(tǒng)計資料，進而確定宏觀隨機裂隙產(chǎn)狀、分布密度等空間特征，運用VB程序完成隨機裂隙面組在Autocad中的實現(xiàn)；其次，利用Ansys強大的建模功能，對宏觀隨機裂隙模型按照研究的工程范圍進行整體優(yōu)化設計；最后，通過轉(zhuǎn)換程序?qū)nsys模型導入FLAC3D中進行數(shù)值模擬。主要建模技術(shù)流程見圖1。

每個裂隙的空間分布主要受傾角、傾向、裂隙長度、空間坐標四個參數(shù)控制，而隨機裂隙群組在此基礎上還要考慮裂隙的分布規(guī)律、密度等。因此，為確立空間隨機裂隙群，就要以裂隙的產(chǎn)狀、分布規(guī)律等相關(guān)參數(shù)為自變量，以控制裂隙方位的空間坐標、裂隙面總數(shù)為因變量。運用VB語言按照變量之間的函數(shù)關(guān)系編寫隨機裂隙面群生成程序，調(diào)用Autocad，并在其中實現(xiàn)隨機裂隙空間分布。

圖1 隨機裂隙模型建模過程

文中裂隙的形狀為簡單的正四邊形，利用四邊形角點的坐標便可控制裂隙的空間位置。隨機裂隙的空間分布特征以現(xiàn)場實際結(jié)構(gòu)面調(diào)查、分析優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組為依據(jù)。生成的裂隙全部為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組類，在空間位置上均勻分布，在產(chǎn)狀特征上以優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組的研究結(jié)果為根據(jù)，即文中生成的隨機裂隙是調(diào)查分析后的優(yōu)勢裂隙面。

根據(jù)裂隙空間位置與裂隙面產(chǎn)狀、尺寸的關(guān)系，即：

Ψ(X,Y,Z)&Φ(dd,dip,l)

式中：dd為傾向；dip為傾角；l為裂隙邊長。

由點生線、由線生面的方法畫出隨機裂隙面，再循環(huán)n次得到n條隨機裂隙。

依據(jù)工程巖體中實際宏觀裂隙的分布條件，使用已編程序在Autocad中生成三維空間隨機裂隙面組，見圖2。

其次，把cad圖形文件保存為dxf格式，運用

轉(zhuǎn)換程序形成Ansys識別的命令流lgw格式文件，并調(diào)用lgw格式文件在Ansys里形成隨機裂隙組模型。然后利用Ansys獨特的強大建模技術(shù)進行整體模型設計，在通過布爾運算進行宏觀隨機裂隙的挖除，進而劃分網(wǎng)格。

圖2 Autocad中生成的隨機裂隙面

最后，把Ansys網(wǎng)格單元模型中的節(jié)點及單元數(shù)據(jù)以lis類型文件導出，運用已編程序?qū)is文件轉(zhuǎn)換成FLAC3D可以識別導入的flac3d類型文件。通過命令：

impgrid

將網(wǎng)格模型調(diào)入FLAC3D進行數(shù)值分析。

3 簡單隨機裂隙模型舉例

以簡單巷道開挖為例，試驗宏觀隨機裂隙模型在FLAC中的模擬應用。本模型尺寸為：40m×30m×20m的立方體，當中有一近4m×3m尺寸的拱形巷道。隨機裂隙模型總體節(jié)點數(shù)22860個，單元數(shù)量129107個；非裂隙模型總節(jié)點數(shù)1467個，單元數(shù)量1135個。模型采用摩爾庫侖塑性破壞準則進行分析。材料參數(shù)見表1。

表1 巖石材料參數(shù)

模型依靠重力平衡，然后再挖去巷道范圍應力場二次重分布引起巖體塑性變形，巷道開挖后兩種模型在y=15m剖面的塑性區(qū)范圍見圖3。

圖3 塑性區(qū)分布圖

圖5中巷道開挖引起圍巖受拉破壞，兩種模型巷道頂板及底板受開挖影響的破壞范圍基本一致。但隨機裂隙模型在裂隙周圍還存在拉剪塑性區(qū)，這加大了破壞面積，說明現(xiàn)實工程巖體的穩(wěn)定性受裂隙分布的影響很大。根據(jù)斷裂理論，巖體內(nèi)存在的節(jié)理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程結(jié)構(gòu)的承載能力，易使工程失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

根據(jù)工程巖體內(nèi)存在裂隙的特點，研究應用VB程序?qū)utocad進行二次開發(fā)，在其cad繪圖窗口生成隨機裂隙面組，然后將其轉(zhuǎn)入Ansys中進行模型整體設計，最后導入FLAC3D中進行模擬分析。從裂隙模型應用結(jié)果來看隨機裂隙的存在使得巖體內(nèi)塑性范圍加大。根據(jù)斷裂理論，巖體內(nèi)存在的節(jié)理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，隨機裂隙模型比非裂隙模型的單元網(wǎng)格數(shù)量大數(shù)十倍，這是因為隨機裂隙模型不易按規(guī)整方式劃分網(wǎng)格的緣故，這將耗費掉一定的計算機內(nèi)存。

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