基于FLAC3D復雜三維地質(zhì)建模

潘曦 朱斌

摘要：真實地質(zhì)體三維數(shù)值模型構(gòu)建是進行巖體工程數(shù)值分析面臨的難題，開展地質(zhì)體三維數(shù)值模型構(gòu)建方法比較研究具有重要意義。以FLAC3D數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，提出了FLAC3D-Rhino耦合建模方法，詳細闡述了各建模方法具體步驟。構(gòu)建了桂林市五美路停車場商住樓深基坑土方開挖及工程三維數(shù)值模型，分析了深基坑上開挖地層位移和水壓的變化，研究成果對準確構(gòu)建地質(zhì)體三維數(shù)值模型具有重要指導作用。

Abstract： The construction of three-dimensional numerical model of real geological body is a difficult problem for the numerical analysis of rock mass engineering. It is of great significance to carry out a comparative study of the construction method of three-dimensional numerical model of geological body. Based on the FLAC3D digital model， a FLAC3D-Rhino coupling modeling method is proposed and the detailed steps of each modeling method are elaborated. Three-dimensional numerical model of excavation and engineering for deep excavation of commercial parking building of Wumei Road parking lot in Guilin City was constructed. The change of excavation stratum displacement and water pressure in deep excavation was analyzed. The research results have important guiding role in accurately constructing three-dimensional numerical models of geological bodies.

關(guān)鍵詞：三維數(shù)值模型；地質(zhì)體；多軟件耦合；Extrusion

Key words： three-dimensional numerical model；geological body；multi-software coupling；Extrusion

中圖分類號：P628 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0188-05

0 引言

在工程領(lǐng)域中，有限元、有限差分等數(shù)值模擬技術(shù)的應用越來越廣泛。當前，在FLAC3D的應用實踐中逐漸顯現(xiàn)出了一些弊端，突出表現(xiàn)在建模工作量較大、軟件前處理功能薄弱、難以有效構(gòu)建復雜的曲面、三維模型建成后不便修改及構(gòu)建的數(shù)值模型與真實地質(zhì)體嚴重不符等方面，嚴重影響了計算結(jié)果的可靠性[1]。

基于計算機構(gòu)建的巖體可視化模型，構(gòu)建三維數(shù)值計算模型是大勢所趨。當前巖土、地下水工程常用數(shù)值模擬軟件主要有ADINA、ABAQUS、ANSYS、MIDAS、FLAC等，但上述軟件均存在較難構(gòu)建復雜地質(zhì)體三維數(shù)值模型、靈活性差、前期建模能力較弱等問題?；诖耍T多學者針對上述問題展開了研究，鄭文棠等[3]結(jié)合AutoCAD與FLAC3D及3DEC計算功能，構(gòu)建了復雜邊坡三維地質(zhì)可視化和數(shù)值模型。田樹昆等[4]提出了使用AutoCAD二維轉(zhuǎn)三維程序生成三維模型線框的方式構(gòu)建ANSYS數(shù)值計算模型。李翔等[5]利用SURPAC、AutoCAD和ARCGIS等軟件生成地質(zhì)體網(wǎng)格點坐標，并經(jīng)ANSYS軟件網(wǎng)格化后構(gòu)建了FLAC3D數(shù)值模型。廖秋林等[6]通過分析FLAC3D與ANSYS單元數(shù)據(jù)關(guān)系，運用VB語言編寫了FLAC3D-ANSYS接口程序。馬新根等[7]通過KUBRIX插件實現(xiàn)了Rhino3D模型與FLAC3D的對接。崔芳鵬等[8]通過FLAC3D內(nèi)嵌Fish語言，編制了可用FLAC3D直接讀取Surfer軟件數(shù)據(jù)的程序。孫濤等[9]、許國等[10]利用GOCAD軟件建立的地質(zhì)體三維可視化模型，通過接口程序在ABAQUS、FLAC3D軟件中構(gòu)建了三維數(shù)值模型。郭穎星等[11]通過構(gòu)建Petrel與ADINA的接口程序，實現(xiàn)復雜網(wǎng)格數(shù)據(jù)的快速移植；王樹仁等[12]利用Matlab編寫MIDAS/GTSFLAC3D的接口程序，實現(xiàn)了MIDAS/GTS到FLAC3D的轉(zhuǎn)化。類似上述多軟件耦合構(gòu)建三維數(shù)值模型的方法較多[13，14]，但構(gòu)建的數(shù)值模型網(wǎng)格質(zhì)量不高，與真實地質(zhì)體賦存產(chǎn)狀對應性差，且設(shè)計工程過程與數(shù)值模擬過程差異大。由此可知，F(xiàn)LAC3D的建模優(yōu)化還有較大空間，理想建模環(huán)境應具備以下幾項特點：

①建模過程直觀，使用空間交互式3D建模方法建模，禁止少用或者不用編程命令。

②建模操作簡單，不僅建模難度和工作量降低了，也更便于使用者快速掌握。

③可二次編輯已構(gòu)建的三維模型，且網(wǎng)格單元劃分可控。

④所建三維模型兼容性強，可直接利用或修改同類三維建模軟件。

針對這些特點進行優(yōu)化，本文將地質(zhì)體三維數(shù)字化模型與Rhino、FLAC3D等軟件耦合，開展復雜地質(zhì)體三維數(shù)值模型構(gòu)建方法比較研究，并結(jié)合實例來進行驗證。

1 復雜地質(zhì)體三維數(shù)字化模型構(gòu)建

1.1 工程背景

本工程系五美路停車場商住樓，本工程位于桂林市中心象山區(qū)榕湖附近，北臨五美路，南臨臨桂路，東靠交通路，西至桂林市規(guī)劃局。本項目屬于一類高層建筑。設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為六級。地上部分為商業(yè)，辦公，住宅綜合體，地下負一至三層均為停車庫、設(shè)備用房。建筑高度33.8m。建筑總面積為48103.07m2。商業(yè)總建筑面積為10963.18m2，住宅總建筑面積為19216.49m2，辦公總建筑面積為11170.03m2，配套公建總建筑面積為540.23m2。五美路停車場商住樓，嵌固端為地下室頂板，地下3層，地上分縫形成3個塔樓，采用框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為33.8米，本工程±0.000絕對標高152.780米。

工程概況如表1。

地下室概況：

原地面標高為-1.3m，地下室平面為不規(guī)則圖形，長106.2米，寬80.4米，平面面積約5618.23平方米。3層地下室層高（相對標高）自上而下依次為4.3m（-5.6m）、3.2m（-8.8m）、3.25m（-12.05m），筏板厚度分650mm和2000mm，電梯井位置筏板厚度最大為2000mm，底板開挖面相對標高為-12.8～15.8米。

①本工程采用逆作法施工，要求逆作鋼管立柱樁垂直度偏差控制在1/500以內(nèi)，且鋼管頂標高低于地面1.3m，鋼管立柱樁施工難度較大。

②本工程的出土工程量大、開挖深度深，因為采用逆作法，出土效率較低。

③土方開挖形式：

若基坑的土方和混凝土結(jié)構(gòu)工程量較大，其所需工期會相應增加，客觀上增大了基坑風險。為了有效控制基坑變形，可利用“時空效應”，將基坑上方開挖和主體結(jié)構(gòu)劃分施工段并采取分塊開挖的方法。

周邊環(huán)境：

北臨五美路，北面無建筑物，且與人行道相鄰。支護樁距道路中線距離大約20米左右，市政管線包括路燈電線、給水管、排水管、電纜等。

南為臨桂路，臨桂路路面狹小，市政管線包括路燈電線、給水管、排水管、電纜等。

東靠交通路，并有一棟7層住宅樓一棟九層住宅樓，兩層住宅樓都為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，支護樁中心到建筑物地面磚間距最寬為9.41米，最窄距離為2米，市政管線包括路燈電線、給水管、排水管、電纜等。

西臨桂林市城鄉(xiāng)建設(shè)局。支護樁中心線距離建設(shè)局建筑物為9.28米，且距建筑物6.76米的位置為70年代老式建筑。建筑結(jié)構(gòu)為老式磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為淺式基礎(chǔ)。

1.2 基于Rhino與Flac3D Extrusion的三維數(shù)字化模型構(gòu)建

現(xiàn)有的有限元、有限差分等大型數(shù)值模擬軟件存在前處理功能薄弱、較難構(gòu)建復雜地質(zhì)體的三維精細化數(shù)值模型等不足，要想建立復雜地質(zhì)體的三維精細化數(shù)字模型，三維建模軟件不可或缺，將三維數(shù)字化模型構(gòu)建方法與數(shù)值模型構(gòu)建方法耦合，建立三維精細化數(shù)值模型是必然趨勢。本文利用FLAC3D Extrusion軟件構(gòu)建地質(zhì)體三維數(shù)字化模型，并通過Rhino軟件與該模型的耦合，開展地質(zhì)體三維數(shù)值模型構(gòu)建方法研究。

利用FLAC3D軟件分別構(gòu)建支護樁、止水帷幕、地層等的三維可視化實體模型，如圖1所示。

2 復雜地質(zhì)體三維數(shù)值模型多軟件構(gòu)建方法

2.1 FLAC3D-Rhino 耦合建模方法

2.1.1 基于FLAC3D Extrusion 塊體模型的構(gòu)建方法

FLAC3D5.0版本新增添了Extrusion功能，此功能使用擠壓能力生成網(wǎng)格應用于FLAC3D中。是一套通過2d形狀（畫）線性擴展（擠壓）形成第三維度的建模方法。

具體操作為：

①建立模型輪廓圖。在cad中畫出模型輪廓平面圖，這個平面圖相當于要建立模型的橫剖面圖。另存為dxf格式。然后讀入模型輪廓圖。打開FLAC3D5.0版本軟件，新建工程，這個工程是你整個工程的名字，之后打開菜單欄中Panes，點擊New Extrusion，起工程名后，點擊下拉框右邊第一個按鈕及Import，選中之前建立的*.dxf。

②描圖。在flac3d5.0版本中，通過point-Edge Tool來描圖，兩點確定一直線。若是曲線的話，在曲線兩端連接一條直線后，用Contrl point tool控件，將直線中點和要重合的曲線中點重合即可，這時可以看到直線有三點和曲線重合了，這時單擊這個折線，會出現(xiàn)Object properties，在里面的Eage type中選擇curv就可以使這個折線與曲線完全重合了。也可以直接在Extrusion進行1：1構(gòu)圖。

③網(wǎng)格劃分。本文選擇按線上單元體個數(shù)劃分。做法是單擊Autozone控件，選擇下拉列表中model extent，進行調(diào)整，點擊確定。再點擊每條線，在object properties中可以改變zones的個數(shù)，劃分成合適的網(wǎng)格大小。

④分組。在construction view控件中進行分組，點擊后的視圖中用show groups控件及相應的object properties調(diào)整組。用ctrl+左鍵點選在object properties填寫組名之后回車分組，如圖2所示。

⑤拉伸模型。這個概念和cad中概念相似。點擊extrusion控件，可以用point edge tool控件在底部新建幾個直線，若拉伸方向不用分組那么就做這個直線了。之后相應屬性（比如說長度，每份個數(shù)都可以在相應的object properties里調(diào)整）。拉伸完成后，生成單元體。點擊Extrude按鈕，生成的模型，如圖3所示。

2.1.2 基于FLAC3D 面模型的構(gòu)建方法

FLAC3D 5.01軟件具有網(wǎng)格點（Grid）通過（Export）功能進行導出。運用文本格式（.txt）方式打開。得知FLAC3D 5.0網(wǎng)格單元的數(shù)據(jù)形式由4個部分組成。①表示模型生成的時間；②* GRIDPOINTS（點）：表示節(jié)點的生成，格式為：節(jié)點標志、節(jié)點序號、節(jié)點（x，y，z）坐標；③* ZONES（單元）：表示單元的生成，格式為：單元標志、單元類型、單元中的節(jié)點號；④* GROUPS（分組）：表明單元所屬的組。FLAC3D 遵從的是點（GRIDPOINT）、單元（ZONE）、組（GROUP）自下而上的網(wǎng)格建立模式，即在建立實體模型的同時，軟件自動完成該實體的部分，并以點、單元和組的形式保存下來。Surfer、Rhino 等軟件能夠較好地構(gòu)建復雜地質(zhì)體模型，且各軟件在模型構(gòu)建方面存在各自優(yōu)勢。上述各軟件間存在一定聯(lián)系，可以通過特定格式文件進行相互轉(zhuǎn)換。本文基于FLAC3D Extrusion三維可視化模型包含的各層面點信息，通過Surfer軟件將點信息轉(zhuǎn)入Rhino 軟件，生成地表面和地層面，利用FLAC3D程序講構(gòu)建出的地質(zhì)體三維數(shù)值模型進行計算。也就是說，構(gòu)建模型真實地貌的實質(zhì)就是構(gòu)建每個地層的面。對于本文模型而言，構(gòu)建真實地貌的地層面相當于仿真其真實高程值，究其根本為模型文件FLCD3格式中GRIDPOINT節(jié)點z軸的坐標。為此，本文將勘察報告中剖面圖、柱狀圖和平面圖，運用EXCEL表對勘探點地層高程的層面點信息分類輸入。利用Surfer軟件參考。Rhino軟件形成曲面，導出坐標點更改.flac3d格式文件的z軸坐標進行仿真地層模型的構(gòu)建。多軟件建模耦合流程圖，如圖4所示。

具體步驟依次如下：

①基于FLAC3D Extrusion通過工程實際要求構(gòu)建三維模型，將層面體按一定X，Y間距生成點集，見圖5。將所有點坐標信息導出.flac3d格式，并整理為Excel可識別的格式。

②利用Surfer軟件對真實地層高程點信息進行插值，生成“.Grd”格式的等高線文件，然后導入等高線文件輸出地層圖。

③利用Excel軟件處理“.flac3d”格式的模型文件，提出模型一個層面的x，y，z坐標并導入Rhino軟件中形成平面a。再將一層真實地層高程的點信息（如：地表層）通過文件讀取Excel表的層面信息選擇選取起始面（平面a），參考之前Surfer形成的地層圖，對曲面的點間距、U和V方向跨距數(shù)、硬度、起始曲面拉力進行調(diào)整，形成地層曲面。并對地層曲面提取點坐標，將此曲面的x，y，z軸坐標進行導出并保存至EXCEL表。如圖6、圖7。

④通過網(wǎng)格x，y一一對應原則，進行z坐標的修改。將修改好的曲面坐標替換掉之前模型.flac3d格式文件中，從GRID進行導入，形成一層仿真地層地貌。如圖8。

⑤依據(jù)此法修改兩層地層形成模型體，如圖9。

⑥通過層層疊加原理建立仿真地層模型，如圖10。

3 結(jié)語

本文在研究基于多軟件與Flac3D耦合的三維數(shù)字化模型構(gòu)建，結(jié)合桂林市某深基坑工程的三維數(shù)值模型。通過模擬模型可知，此方法能夠保證實驗數(shù)據(jù)分層信息與結(jié)果數(shù)據(jù)的分層信息相匹配，基本實現(xiàn)了三維數(shù)值建模，對實際的生產(chǎn)應用有一定的參考價值。但是，采用本文所提出的方法，精確度仍有進步的空間。

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