巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中剖面切分程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張春明，楊天鴻

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng)110006）

0 前言

基于連續(xù)介質(zhì)理論和顯式有限差分方法的FLAC3D 三維數(shù)值仿真分析軟件特別適合處理有限元方法（FEM）難于解決的復(fù)雜多工況、大變形、巖石失穩(wěn)、接觸面非連續(xù)張開(kāi)和滑移變形等巖土體問(wèn)題，已在地表工程和地下工程，如邊坡、隧道、大壩、采礦、石油、地質(zhì)等工程中得到了廣泛應(yīng)用。

由于FLAC3D 提供了豐富的力學(xué)模型庫(kù)、多樣化的建模手段和接口，還在自身發(fā)展過(guò)程中加入了針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面和采礦方法的本構(gòu)模型，以滿(mǎn)足不同工程類(lèi)型、復(fù)雜層次的模型構(gòu)建的需要，并提供與ANSYS、ABAQUS 等主流有限元程序之間進(jìn)行模型交換的數(shù)據(jù)接口，因此也非常適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。除用于應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等的計(jì)算、分析和反演，還能夠滿(mǎn)足非常規(guī)問(wèn)題應(yīng)用研究的需要，故深受廣大師生的青睞。

在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為深入觀察巖石試件內(nèi)部的應(yīng)力分布情況常常需要對(duì)FLAC3D 的三維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剖切，即創(chuàng)建相應(yīng)剖面的應(yīng)力云圖，以方便對(duì)數(shù)據(jù)的觀察和理解。而手工調(diào)用FLAC3D 軟件進(jìn)行剖面切分效率極低，尤其是連續(xù)多剖面切分以及研究巖石試件應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律等情形。為此，我們研制了巖石試件剖面切分程序（簡(jiǎn)稱(chēng)本程序），可以自動(dòng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行任意剖切，并生成相應(yīng)的位圖文件用于后續(xù)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等分析。

此外，在計(jì)算巖石破裂應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，有時(shí)為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)會(huì)故意忽略巖石普遍存在的非均勻性而將巖石材料賦予一個(gè)均勻的宏觀力學(xué)參數(shù)，或者將巖石的非均勻性當(dāng)作一種隨機(jī)模型處理，由此可能造成計(jì)算結(jié)果與巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的演化過(guò)程存在差距。若在巖石破裂試驗(yàn)的同時(shí)還進(jìn)行了聲發(fā)射試驗(yàn)，就可利用聲發(fā)射等信息動(dòng)態(tài)調(diào)整力學(xué)參數(shù)，更加真實(shí)地描述介質(zhì)體形體特征、受力條件及其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，進(jìn)而反演出較為真實(shí)的巖石破裂應(yīng)力場(chǎng)，以獲取工程實(shí)際中巖體的損傷規(guī)律，得到準(zhǔn)確的巖體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等信息，為巖體的開(kāi)挖支護(hù)等工作提供指導(dǎo)。尤其可以利用聲發(fā)射數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)巖石破裂動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)反演。舉例來(lái)說(shuō)，可隨時(shí)間的推移根據(jù)聲發(fā)射信息對(duì)聲發(fā)射事件附近一定范圍內(nèi)的單元的彈性模量與內(nèi)聚力進(jìn)行弱化處理，并按能量及視體積分別確定其弱化程度和弱化范圍，最終獲得巖石破裂過(guò)程中較為真實(shí)的動(dòng)態(tài)演化應(yīng)力場(chǎng)。由于在計(jì)算過(guò)程中保存有應(yīng)力場(chǎng)等隨時(shí)間或步長(zhǎng)變化的中間計(jì)算結(jié)果，因此可利用本程序自動(dòng)生成剖面的時(shí)基序列應(yīng)力云圖。通過(guò)連續(xù)播放時(shí)基序列云圖，可以模擬巖石破裂應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可將巖石模型集成到虛擬場(chǎng)景中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石破裂過(guò)程的虛擬可視化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巖石試件剖面切分程序采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠按任意平面切割試件剖面或按設(shè)定的橫向或縱向間隔同時(shí)進(jìn)行多剖面切割，并自動(dòng)保存相應(yīng)剖面的云圖。連續(xù)地播放序列應(yīng)力場(chǎng)云圖，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分析，并可與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)合演示應(yīng)力等的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

使用本程序之前必須做好準(zhǔn)備工作：首先在FLAC3D 軟件中建立計(jì)算模型，包括建立有限差分網(wǎng)格，設(shè)置本構(gòu)特性與材料性質(zhì)以及邊界條件與初始條件，進(jìn)而獲得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開(kāi)挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于巖石試件破裂試驗(yàn)來(lái)說(shuō)是指加壓前的原始應(yīng)力狀態(tài)。然后進(jìn)行工程開(kāi)挖或改變邊界條件來(lái)進(jìn)行工程的響應(yīng)分析。FLAC3D 采用顯式的時(shí)間步進(jìn)行問(wèn)題求解,因此必須通過(guò)人工或程序確定計(jì)算步數(shù)及是否已求得最終的解。上述參數(shù)的設(shè)置可以通過(guò)使用FLAC3D 內(nèi)嵌的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Fish 編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)。在程序末尾加入相應(yīng)的代碼，以便將最終計(jì)算結(jié)果保存到指定的計(jì)算結(jié)果文件（擴(kuò)展名為.SAV）當(dāng)中。此外，還可以在程序中利用聲發(fā)射等信息動(dòng)態(tài)調(diào)整力學(xué)參數(shù)，以便更加真實(shí)地描述介質(zhì)體形體特征、受力條件及其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，以得到準(zhǔn)確的巖體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等信息。為便于后續(xù)動(dòng)態(tài)分析，可將每一步的計(jì)算結(jié)果和最終計(jì)算結(jié)果都保存下來(lái)，存儲(chǔ)在文件名為步數(shù)編號(hào)而擴(kuò)展名為.SAV 的計(jì)算結(jié)果文件中，作為巖石試件剖面切分程序的數(shù)據(jù)源，如圖1 所示。

圖1 巖石試件剖面切分程序主畫(huà)面及數(shù)據(jù)源

準(zhǔn)備工作做完后，巖石試件剖面切分程序?qū)⒆x取上述FLAC3D 計(jì)算結(jié)果文件當(dāng)中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)切分剖面，并將相應(yīng)的剖面以位圖文件形式保存到相應(yīng)的文件夾中。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

巖石試件剖面切分程序初始界面為基本界面，并且“批量轉(zhuǎn)換”按鈕為非可用狀態(tài)。只有在密碼文本框中輸入正確的密碼才能將程序解鎖，此時(shí)，“批量轉(zhuǎn)換”按鈕轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)。程序根據(jù)用戶(hù)輸入的密碼自動(dòng)區(qū)別普通用戶(hù)和高級(jí)用戶(hù)，并進(jìn)入不同的用戶(hù)界面。普通用戶(hù)對(duì)應(yīng)的界面與基本界面完全一致，唯一的區(qū)別在于“批量轉(zhuǎn)換”按鈕已轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)。高級(jí)用戶(hù)對(duì)應(yīng)的界面上半部與普通用戶(hù)界面完全相同，但在“批量轉(zhuǎn)換”按鈕下方增加了很多參數(shù)的設(shè)置選項(xiàng)，用于手工賦予力學(xué)參數(shù)或調(diào)整程序用到的各種參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 巖石試件剖面切分程序主界面

本程序適用于尺寸為直徑70mm、高140mm 的圓柱形巖石試件。對(duì)于其他尺寸的巖石試件，可對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

本程序支持批量轉(zhuǎn)換，即一次轉(zhuǎn)換當(dāng)前選中文件夾下所有FLAC3D 計(jì)算結(jié)果文件（擴(kuò)展名為.SAV），但不包括子文件夾。極特殊情況下，若子文件夾下也有待轉(zhuǎn)換的計(jì)算結(jié)果文件，則需要對(duì)子文件夾單獨(dú)進(jìn)行處理，方法類(lèi)似。

首先通過(guò)雙擊左上方的文件夾列表來(lái)選擇FLAC3D 計(jì)算結(jié)果文件所在的驅(qū)動(dòng)器和文件夾，再利用界面上的控件分別設(shè)置沿高度方向和沿直徑方向的剖面切分間距，最后單擊“批量轉(zhuǎn)換”按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即自動(dòng)按設(shè)定的縱橫間距進(jìn)行剖面切分，并生成相應(yīng)的剖面位圖文件。狀態(tài)條將顯示成功切分的計(jì)算結(jié)果文件數(shù)等信息。

本程序自動(dòng)在當(dāng)前選中的文件夾下面創(chuàng)建“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個(gè)子文件夾，然后將當(dāng)前文件夾下每個(gè)計(jì)算結(jié)果文件的剖面處理結(jié)果（切割后的剖面）分類(lèi)放入“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個(gè)子文件夾下的與計(jì)算結(jié)果文件同名的子文件夾下。例如，轉(zhuǎn)換計(jì)算結(jié)果文件261.sav（表示第261 步的計(jì)算結(jié)果）時(shí)所生成的剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力剖面將分別保存在“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個(gè)子文件夾下新建的名為261 的子文件夾下，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)切分好的剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力剖面位圖文件

其中剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力對(duì)應(yīng)剖面文件的命名規(guī)則如下：

以數(shù)字命名的文件為y 剖面（默認(rèn)），數(shù)值本身代表該剖面在y 軸上的高度，如0.png、35.png、70.png、105.png、140.png 分別表示位于高度0、35、70、105 和140 mm 處的y 剖面，文件名末尾為-legend 的文件是相應(yīng)剖面的圖例文件。x 剖面和z 剖面的命名規(guī)則與此類(lèi)似，但x 剖面為數(shù)字前面加x-字樣，z 剖面為數(shù)字前面加z-字樣。

剖面切分順序如下：y 軸過(guò)試件底部中心沿高度方向截取剖面，其中包括頂面140.png，而x 和z 軸從試件幾何中心向兩邊沿直徑方向按設(shè)定間隔截取剖面。過(guò)試件幾何中心x 和z 軸的剖面分別命名為x.png 和z.png，同時(shí)生成該方向的前視圖和后視圖，如x-front.png、x-back.png、z-front.png、z-back.png。前視圖和后視圖采用正交視圖，而非透視圖，便于后續(xù)根據(jù)需要制作試件的外觀靜態(tài)及動(dòng)態(tài)視圖。

由于我們?cè)谑褂肍LAC3D 軟件計(jì)算時(shí)保存了每一步的中間計(jì)算結(jié)果，因此計(jì)算結(jié)果文件都是按當(dāng)前步長(zhǎng)值命名，如14.SAV、27.SAV……261.SAV 等分別代表了第14 步、27 步和261 步時(shí)的計(jì)算結(jié)果。試件外觀靜態(tài)視圖只需在相應(yīng)的文件下找到x-front.png、x-back.png、z-front.png 和z-back.png 即可，而動(dòng)態(tài)視圖只需按照步長(zhǎng)從小到大的順序，如14-27-40-……-261，依次找到相應(yīng)文件夾下的相應(yīng)視圖文件即可。

高級(jí)界面提供了切割任意指定剖面的功能。首先要定義剪切平面，即設(shè)置過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)和法線(xiàn)方向，然后單擊“任意平面剪切測(cè)試”按鈕即可生成指定剖面云圖。

為生成合適尺寸的圖例，本程序在高級(jí)界面中提供了最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力的最大值、最小值和圖例間隔參數(shù)及顯示模式設(shè)定功能。

此外，本程序還提供了剖面圖剪裁對(duì)齊功能，用于程序調(diào)試。

3 結(jié)語(yǔ)

巖石試件剖面切分程序是邊坡、隧道、礦山、大壩等巖質(zhì)或混凝土工程結(jié)構(gòu)巖石試件應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等信息分析的理想工具，可用于各類(lèi)工程現(xiàn)場(chǎng)。依據(jù)生成的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)剖面數(shù)據(jù)，可以從巖石力學(xué)的角度解釋巖石失穩(wěn)破裂的原因，進(jìn)而可以對(duì)巖石破壞過(guò)程各種參數(shù)之間的相互聯(lián)系做進(jìn)一步的探索挖掘，還可以對(duì)巖石下一步破壞進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。