Flac3D流固耦合計(jì)算初始滲流場設(shè)置方式探討

梁 坤

(河北省石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050000)

0 引 言

降雨發(fā)生時，雨水沿邊坡不斷下滲，邊坡表層土體逐漸飽和，土體自重增加，孔隙水壓力增大，有效黏聚力和有效應(yīng)力降低，土體抗剪強(qiáng)度減小，發(fā)生剪切滑移破壞。由此可以看出，降雨入滲是建立在初始狀態(tài)下的入滲過程，降雨條件下均質(zhì)土邊坡的變形和穩(wěn)定性變化與初始孔壓場的分布密切相關(guān)。大量學(xué)者對均質(zhì)土邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。陳育民等認(rèn)為FLAC3D擁有強(qiáng)大的流固耦合功能，他們特別提倡采用FLAC3D進(jìn)行相關(guān)流固耦合分析[1]。該數(shù)值模擬軟件尤其受到學(xué)者們的青睞。初始孔壓場的設(shè)置是一個普遍關(guān)注的問題，學(xué)者們在建模時，對初始孔壓場的設(shè)置均未有特別說明或?qū)ｉT設(shè)節(jié)討論。Liakopoulos砂柱試驗(yàn)作為經(jīng)典試驗(yàn)，已為眾多學(xué)者所認(rèn)可，并被用來作為對其所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。SCHREFLER等兩度使用Liakopoulos砂柱試驗(yàn)對其所開發(fā)的滲流數(shù)值解法進(jìn)行驗(yàn)證，并證明了其提出的數(shù)值解法的正確性，推動了滲流計(jì)算力學(xué)的發(fā)展[2-3]。吳俊杰等分析了土體不完全飽和時，土中基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響，指出降雨作用影響邊坡穩(wěn)定性正式由于土體在降雨作用下逐漸飽和，土中基質(zhì)吸力消失的緣故[4]。謝強(qiáng)等通過FISH語言開發(fā)了FLAC3D的非飽和滲流模塊，并采用土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證[5-6]。蔣中明等采用FLAC3D軟件自行開發(fā)了不完全飽和滲流計(jì)算模塊，對軟件邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[7-8]。鄧思遠(yuǎn)等結(jié)合前人研究成果，對FLAC3D的流固耦合模塊計(jì)算原理進(jìn)行了討論[9]。

文章利用Flac3D數(shù)值模擬軟件對Liakopoulos砂柱試驗(yàn)中的重力排水試驗(yàn)的初始孔壓場的兩種設(shè)置方法進(jìn)行了探討，比較了模型配置與不配置流體計(jì)算模式下的兩種方法設(shè)置的初始孔壓場的計(jì)算結(jié)果。通過對結(jié)果的視覺呈現(xiàn)效果的比較分析，發(fā)現(xiàn)采用“zone gridpoint initial pore-pressure”的方法對初始孔壓場進(jìn)行設(shè)置在后續(xù)模擬計(jì)算過程中視覺呈現(xiàn)效果較好且不會給使用者帶來困擾，建議采用該方法，結(jié)論可為學(xué)者們采用Flac3D軟件進(jìn)行流-固耦合模擬設(shè)置初始孔壓場時提供參考。

1 Flac3D流固耦合簡介

Flac3D是基于有限差分方法進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算軟件，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(大變形模式)。Flac3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，用于數(shù)值研究連續(xù)三維介質(zhì)達(dá)到平衡或穩(wěn)定塑性流動時的力學(xué)行為。觀察到的反應(yīng)一方面來自于一個特定的數(shù)學(xué)模型，另一方面來自于一個特定的數(shù)值實(shí)現(xiàn)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題，被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的巖土工程項(xiàng)目的數(shù)值分析中。

巖土工程問題大多涉及地下水，F(xiàn)lac3D軟件由于其具有強(qiáng)大的流固耦合功能而廣泛受到從事巖土工程研究的學(xué)者們青睞，但是流固耦合又是Flac3D中最為復(fù)雜的功能，主要用于解決完全飽和或處于地下水位以下土層的滲流問題。Flac3D可以模擬流體在多孔介質(zhì)中的流動，如地下水在砂土地層中的滲流，模擬中忽略毛細(xì)作用，將地下水位以上區(qū)域孔壓設(shè)置為0。

2 模型構(gòu)建

Liakopoulos砂柱重力排水試驗(yàn)采用直徑為10cm，高為1m的均勻壓實(shí)的Del Monte砂柱，側(cè)面由有機(jī)玻璃板組成的圓筒環(huán)繞而成，底部設(shè)置透水石，沿高度在不同位置處設(shè)置張力計(jì)來連續(xù)測量流體張力，如圖1所示。在試驗(yàn)開始前(t=0-)，在模型的頂部始終保持有水狀態(tài)，直到底部水能夠以一定的出滲速率穩(wěn)定滲出，由此建立穩(wěn)定滲流狀態(tài)。在t=0+時，停止土柱頂部的水源，并讓賦存于土柱中的水在重力作用下通過底部自由地逸出。試驗(yàn)中連續(xù)記錄不同位置處的張力以及底部的瞬時排水速率。

采用邊長為0.05 m的等邊長六面體劃分網(wǎng)格。數(shù)值計(jì)算以t=0-時的狀態(tài)為初始條件，即穩(wěn)定滲流狀態(tài)下的靜水壓力條件，并且處于力學(xué)平衡狀態(tài)。邊界條件為：試樣頂部、側(cè)面為不透水邊界，底部為透水邊界，固定底部孔壓為0；底部為全約束，即x,y,z三個方向的位移均為0，側(cè)面為法向約束，即x,y方向的位移為0。

圖1 Liakopoulos砂柱重力排水試驗(yàn)裝置

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 初始孔壓場生成

模型配置流體計(jì)算模式條件下，但是流體計(jì)算不打開時，初始孔壓場生成有zone water plane和zone gridpoint initialize pore-pressure兩種方式，在邊界條件、初始應(yīng)力、材料特性均設(shè)置相同的情況下，采用兩種初始孔壓場生成方式，觀察生成初始孔壓場的差別及對計(jì)算時間的影響，結(jié)果如圖2所示，表明：①兩種生成初始孔壓場的方式生成的初始孔壓場相同，但zone water plane方式有水位面的存在；②其他條件相同的情況下，兩種生成初始孔壓場的方式對計(jì)算時間無影響。

(a)zone water plane結(jié)果 (b)zone gridpoint initialize pore-pressure結(jié)果

3.2 重力排水試驗(yàn)

保證砂柱頂面持續(xù)水流流入砂柱，水流在自重作用下沿砂柱向下滲流，形成穩(wěn)定滲流后，停止砂柱頂面的水流供應(yīng)，此時，讓砂柱中的水在自重作用下向下滲出，沿砂柱不同高程處均勻設(shè)置10個張力計(jì)測壓管，測量不同高程處的張力值，比較上述兩種生成初始孔壓場方式對后續(xù)計(jì)算過程和結(jié)果的影響。

上述2種方式生成初始孔壓場后，經(jīng)過相同計(jì)算時間，孔壓場云圖結(jié)果如圖3所示，zone water plane命令生成初始孔壓場后，在后續(xù)計(jì)算過程中，始終有水位面存在，且水位面位置不發(fā)生變化，這與砂柱重力排水試驗(yàn)水位面在不斷下降的實(shí)際情況相悖，水位面的存在始終給用戶一種錯覺：水位面始終在最頂面，沒有變化。這給使用者和讀者都帶來極大的困擾，十分不便于理解。zone gridpoint initialize pore-pressure命令生成初始孔壓場后，在后續(xù)計(jì)算過程中，沒有水位面存在，且在經(jīng)過相同的計(jì)算時間后，生成的重力排水試驗(yàn)云圖和zone water plane命令生成初始孔壓場后經(jīng)過相同的計(jì)算時間生成的重力排水試驗(yàn)云圖相同，計(jì)算過程中，不存在水位面，使用者和讀者可根據(jù)孔壓云圖的不斷變化分析水位面隨著重力排水試驗(yàn)進(jìn)行的變化，這與重力排水試驗(yàn)的實(shí)際情況也更為相符，便于使用者和讀者進(jìn)行理解，采用Flac3d進(jìn)行流固耦合模擬時建議采用該方法。

(a) zone water plane結(jié)果 (b)zone gridpoint initialize pore-pressure結(jié)果

4 結(jié) 論

經(jīng)過模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論：

1)模型配置流體計(jì)算模式時，zone gridpoint initial pore-pressure和zone water plane 兩個命令均可用來對模型的初始孔壓場進(jìn)行設(shè)置，這與模型是否打開流體計(jì)算模式無關(guān)。

2)模型配置流體計(jì)算模式，只需要指定材料的干密度，未配置流體計(jì)算模式時，需要對位于水位面以上的材料指定干密度，水位面以下的材料指定飽和密度(ρd+ρwθs)。

3)模型配置流體計(jì)算模式，且流體計(jì)算模式打開時，才需要對流體的屬性進(jìn)行設(shè)置。

4)在其他條件相同的情況下，zone gridpoint initial pore-pressure命令所構(gòu)建的孔壓場在模型計(jì)算時不出現(xiàn)水位面，便于用戶和讀者理解，建議在采用Flac3d軟件進(jìn)行流固耦合模擬時采用該命令構(gòu)建初始孔壓場。