淺談FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用

常海鋒

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 前 言

數(shù)值分析已成為土木、水利、采礦等工程領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員和研究人員進(jìn)行巖土工程問題分析的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬方法在巖土工程問題的分析處理中展現(xiàn)出越來越顯著的能力和廣闊的應(yīng)用前景。

在巖土工程中,研究對象大部分位于地下,巖石內(nèi)部不便于觀察與測量,因而存在著許多的不確定的因素,為研究工作帶來了困難,而FLAC3D通過建立模型對巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬來形象直觀地顯現(xiàn)出巖層的物理變化,通過轉(zhuǎn)化巖體結(jié)構(gòu)變化的表現(xiàn)形式,以此來方便人們掌握巖體的活動規(guī)律,能夠較好地解決復(fù)雜的巖土工程問題。

1 FLAC3D簡介

FLAC剛開始是由美國的ITASCA咨詢公司開發(fā)的一種2D程序,隨著不斷的發(fā)展,逐漸發(fā)展到3D程序。1990年初引入我國,并不斷發(fā)展[1]。該程序采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限和屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)特性。由于不需要形成剛度矩陣,只需少量的計(jì)算資源就可以解決范圍較大的三維巖土工程問題[2]。

FLAC3D作為一款專業(yè)的巖土工程數(shù)值分析軟件,具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和仿真能力,特別是在大變形問題方面的分析,具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。FLAC3D內(nèi)置了豐富的巖土體和支護(hù)系統(tǒng)的本構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)單元,其專業(yè)性非常強(qiáng),因此，在國際巖土界廣受歡迎[3]。

2 FLAC3D在巖土工程中的運(yùn)用概況

目前FLAC3D被廣泛的運(yùn)用于基礎(chǔ)工程、隧道及地下工程、邊坡工程、路基工程等方面的數(shù)值模擬研究當(dāng)中。

在基礎(chǔ)工程方面,劉建華等[4]利用FALC3D對巖質(zhì)邊坡上橋梁基樁進(jìn)行了受力分析及實(shí)驗(yàn)研究,推導(dǎo)了巖土邊坡上橋梁基礎(chǔ)樁的內(nèi)力和位移的有限差分法解。肖軍華等[5]借助三維有限差分程序FLAC3D對軟弱地層深基坑開挖過程中工程樁偏位進(jìn)行了分析,模擬了在流動土體下基坑開挖過程中工程樁的響應(yīng)特點(diǎn)。

在隧道及地下工程方面,嚴(yán)紹洋等[6]采用有限差分軟件FLAC3D流體結(jié)構(gòu)耦合模塊對隧道開挖滲流場進(jìn)行了有限差分法分析。揭示了在飽和水條件下,隧道開挖過程中滲流場的分布情況、以及圍巖的穩(wěn)定性和變形。熊良宵等[7]應(yīng)用有限差分程序FLAC3D對隧道進(jìn)行地震響應(yīng)的兩種減震措施的數(shù)值模擬研究,分別從圍巖和襯砌的應(yīng)力、加速度、及位移方面探討了兩種減震措施的效果。

在邊坡工程方面,李海蒙等采用極限平衡法和有限差分程序FLAC3D對某礦山邊坡滑坡分析及綜合治理技術(shù)進(jìn)行了分析。宋衛(wèi)東等[8]采用極限平衡理論和有限差分?jǐn)?shù)值模擬兩種方法,對深凹露天的大冶鐵礦開采過程中的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,從開挖卸荷引起的邊坡巖體應(yīng)力、位移和塑性區(qū)變化規(guī)律入手,對最終邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

在路基工程方面,吳順川等[9]采用FLAC3D有限差分法進(jìn)行了車輛載荷下路基擋土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理數(shù)值模擬,在動荷載效應(yīng)的基礎(chǔ)上,分析了車輛動荷載作用下路基擋土結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機(jī)理和變形破壞過程。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖1所示模型地基的計(jì)算深度為45 m,總共分為兩層,上部是回填土,厚度為15 m,下部是黏土,厚度為30 m；計(jì)算寬度為250 m,土的填筑高度為5 m,坡度為1∶1.5。要求對路堤填筑后土層應(yīng)力、沉降和水平位移進(jìn)行分析。

圖1 路堤施工的幾何模型(單位：m)

各土層物理、力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3.1 模型建立

由圖1可知幾何模型具有對稱性,所以采用1/2模型進(jìn)行分析即可。圖2為建立的FLAC3D模型圖。

圖2 路基模型圖

網(wǎng)格建立后,首先設(shè)置邊界條件。在本例中,首先對底部邊界在X、y、Z三個方向的速度約束住,再對X兩邊方向邊界的水平速度進(jìn)行約束。將模型中所有節(jié)點(diǎn)的y方向速度都進(jìn)行約束,相當(dāng)于平面應(yīng)變約束。

3.2 施工過程模擬

施工過程模擬之前,初始應(yīng)力計(jì)算產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移和速度先清零。在本例中路基高度為5 m,高度方向可以劃分為5個單元,采用分級加載的方法激活路基單元來模擬路基填筑的施工過程,每次激活高度為1 m的單元,相當(dāng)于每次土的填筑高度為1 m,共分5次填筑,每次填完土之后進(jìn)行一次求解。

圖3為第一次填筑結(jié)束時的沉降云圖,可以發(fā)現(xiàn)，在地基表面的左側(cè)邊界處沉降位移最大；圖4為水平位移云圖,可以發(fā)現(xiàn)，在坡腳下方的深部地基中水平位移最大。

圖3 第一次填筑結(jié)束時的沉降云圖

圖4 第一次填筑結(jié)束時的水平位移云圖

填筑結(jié)束時的沉降云圖與水平位移云圖中最大位移的位置基本和第一次填筑一樣,本文不再闡述。

3.3 結(jié)果分析

路基填筑計(jì)算過程中,對路基中心點(diǎn)以及路基坡腳處節(jié)點(diǎn)的沉降進(jìn)行了監(jiān)測,圖5為監(jiān)測結(jié)果,可以看出節(jié)點(diǎn)的沉降位移隨著迭代步數(shù)的變化而變化。

圖5 計(jì)算過程中的監(jiān)測歷史

圖6給出了路基中心和路基坡腳兩個關(guān)鍵點(diǎn)的沉降曲線,可以看出，沉降值隨著填筑高度逐漸增加。路基中心沉降比路基坡腳沉降要大。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)的沉降曲線

4 結(jié) 語

FLAC3D特別適用于分析漸進(jìn)破壞和模擬大變形,采用完整的動態(tài)運(yùn)動方程,在模擬物理不穩(wěn)定性方面沒有數(shù)值障礙,并且其具有較快的非線性求解速度。

FLAC3D同時也存在一些不足之處,即其前處理功能較弱,建立復(fù)雜的三維模型比較困難；而且對于有些復(fù)雜的模型計(jì)算較慢。用FLAC3D求解時間取決于最長的自然周期和最短的自然周期之比。

FlAC3D作為數(shù)值模擬軟件已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于巖土工程方面的研究,隨著發(fā)展,未來運(yùn)用的領(lǐng)域?qū)絹碓綇V。

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