FLAC3D數(shù)值模擬基礎

FLAC3D數(shù)值模擬基礎 劉升貴中國礦業(yè)大學力學系liushg2002 2 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 3 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 4 FLAC3D簡介 FastLagrangianAnalysisofContinua美國Itasca 依泰斯卡 咨詢公司開發(fā)2D程序 1986 1990年代初引入中國有限差分法 FDM DOS版 2 0 2 1 3 0Itasca其他軟件 5 FLAC3D簡介 應用 巖土力學 巖石力學分析 例礦體滑坡 煤礦開采沉陷預測 水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析 采礦巷道穩(wěn)定性研究等巖土工程 采礦工程 水利工程 地質(zhì)工程特色 大應變模擬完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙顯示求解具有較快的非線性求解速度 6 1承受荷載能力與變形分析 用于邊坡穩(wěn)定和基礎設計2漸進破壞與坍塌反演 用于硬巖采礦和隧道設計3斷層構造的影響研究 用于采礦設計4施加于地質(zhì)體錨索支護所提供的支護力研究 巖錨和土釘?shù)脑O計5排水和不排水加載條件下全飽和流體流動和孔隙壓力擴散研究 擋土墻結構的地下水流動和土體固結研究6粘性材料的蠕變特性 用于碳酸鉀鹽礦設計7陡滑面地質(zhì)結構的動態(tài)加載 用于地震工程和礦山巖爆研究8爆炸荷載和振動的動態(tài)響應 用于隧道開挖和采礦活動9結構的地震感應 用于土壩設計10由于溫度誘發(fā)荷載所導致的變形和結構的不穩(wěn)定 高輻射廢料地下埋藏的性能評價12大變形材料分析 用于研究糧倉谷物流動及井巷和礦洞中材料的總體流動 FLAC3D簡介 7 基本原理 網(wǎng)格確定問題的幾何尺寸 持續(xù)的運動和連續(xù)的物質(zhì)屬性決定了模型的擾動 如由于開挖引起的變形 形式 邊界條件和初始條件確定了模型的初始狀態(tài) 沒有引起擾動或變形的狀態(tài) 建立FLAC計算模型 必須進行以下三個方面的工作 1 有限差分網(wǎng)格2 本構特性與材料性質(zhì)3 邊界條件與初始條件完成上述工作后 可以獲得模型的初始平衡狀態(tài) 也就是模擬開挖前的原巖應力狀態(tài) 然后 進行工程開挖或改變邊界條件來進行工程的響應分析 8 基本原理 有限差分法Lagrangian網(wǎng)格空間混合離散技術Lagrangian格式動量平衡方程FLAC3D的求解過程FLAC3D的本構模型 9 有限差分法 古老的方法 上世紀40年代 用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式流體力學 土工滲流問題 固結FDM FEM的混合求解FDM的新進展 10 Lagrangian網(wǎng)格 源自流體力學中的拉格朗日法跟蹤流體質(zhì)點的運動狀態(tài)跟蹤固體力學中結點 按時步用Lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動節(jié)點和單元隨材料移動 邊界和接觸面與單元的邊緣一致固體力學大變形理論 法國數(shù)學家 物理學家拉格朗日 11 FLAC3D的求解過程 12 FLAC3D中的本構模型 開挖模型null3個彈性模型各向同性彈性橫觀各向同性彈性正交各向同性彈性8個塑性模型 Drucker Prager模型 Morh Coulomb模型 應變硬化 軟化模型 遍布節(jié)理模型 雙線性應變硬化 軟化遍布節(jié)理模型 修正劍橋模型和胡克布朗模型 13 FLAC3D中的本構模型 14 FLAC3D的前后處理 術語 區(qū)域 Zone 有限差分劃分的帶在幾何上是最小的區(qū)域 在在這個區(qū)域里的每一個現(xiàn)象的變化 如應力應變都可以估計出 各種形狀的多面體 立方體 楔形 錐體 四面體等 可用來構造模型并可用plot顯示出來 每一個多面體可能有一套或兩套表層設置 這由5個四面體組成 默認的情況下 兩個表層設置用在對計算精度要求高的情況下 區(qū)域的另外一種叫法是要素 柵格點 GridPoint 柵格點是有限差分單元的角點 一個多面體可能有5個 6個 7個或8個網(wǎng)格點 主要取決于多面體的形狀 給定每個節(jié)點的x y和z值這樣就具體確定了有限差分單元 其他叫法有 節(jié)點 交點 有限差分柵格 FiniteDifferenceGrid 有限差分網(wǎng)格是研究區(qū)域中一個或多個通過物理邊界連接的有限差分單元的集合 另一個叫法是網(wǎng)格 有限差分網(wǎng)格也可以標識出模型中每個狀態(tài)的存儲位置 FLAC3D所生成的矢量都保存在節(jié)點上 如 受力 速度 位移 標量和張量保存在單元的中心 如應力 材料屬性 15 FLAC3D的前后處理 術語 模型邊界 ModelBoundary 即有限差分網(wǎng)格的外圍 內(nèi)部邊界也同樣是模型邊界 如網(wǎng)格中的空洞 邊界條件 BoundaryCondition 即模型邊界的約束條件或控制條件的給定 如 限制位移 滲透條件 絕熱條件 初始條件 InitialConditions 即在對模型加載或開挖等作用前的各種參數(shù)狀態(tài) 基本模型 ConstitutiveModel 基本模型 材料模型 即規(guī)定了FLAC3D模型中某一區(qū)域的變形或強度效應 可用大量基本模型去近視地質(zhì)材料 可以單獨定義FLAC3D模型中的基本模型和材料模型 空單元 NullZone 空單元表示此區(qū)域為空 就象沒有材料一樣 次級網(wǎng)格 SUB GRID 有限差分網(wǎng)格可由次級網(wǎng)格組成 它可用來在模型中創(chuàng)建不同形狀的區(qū)域 次級網(wǎng)格是分別生成 可進行合并和連接 16 FLAC3D的前后處理 術語 附屬接觸面ATTACHEDFACES 附屬柵格面是由被劃分的次級柵格組成的網(wǎng)格接觸或合并的面柵格面 接觸面必須是共面或接觸 每個面的節(jié)點不一定一樣 不同總密度的次級網(wǎng)格可以接觸 接觸面INTERFACE 即次級網(wǎng)格在計算過程中可以分開 滑動 開裂 的兩部分之間的面 可表示不連續(xù)的物理特征 如 斷層 節(jié)理面或材料性質(zhì)突變的臨界面 范圍INTERFACE 范圍是對FLAC3D模型空間值的一個描述 可給定一個命令的作用范圍 即使模型發(fā)生運動 不影響模型中的區(qū)域和節(jié)點位置 一個范圍或范圍確定的單元也不發(fā)生改變 范圍或范圍內(nèi)的單元所包含的區(qū)域 也可以用一個單元的ID號來表示 它與區(qū)域 節(jié)點 或結構單元密切聯(lián)系 集合GROUP 在FLAC3D模型中他們有共同的名稱 由于限定具體命令的對象 如model命令對某一集合設置為某種材料 任何命令加于集合名稱也就相當于作用于這一集合的所有區(qū)域 17 FLAC3D的前后處理 術語 ID號碼IDNUMBER FLAC3D模型中的單元以ID號加以區(qū)分 下面的單元有ID號 內(nèi)部面 節(jié)點 區(qū)域 體積 歷史 表格 顯示項和結構單元的全部內(nèi)容 這幫助用戶確定模型中的單元 可用porint命令獲得ID號 用戶可給內(nèi)部面 結構單元 歷史等賦ID號 實體結構單元同樣也有CID號 系統(tǒng)給每一個網(wǎng)格 單元都創(chuàng)建了一個CID號 這與梁 柱等不一樣 結構單元STRUCTURALELEMENT 在FLAC3D中有兩種結構單元 二結點 線性單元表示梁 柱作用 三結點 三角平面單元表示面狀 結構單元用來模擬土體或巖體中結構支護的相互作用 非線性材料作用可用單元表示 每一結構單元實體 梁 柱 面體 包括三個內(nèi)容 結點 單個單元 也叫sels 和網(wǎng)格連線 這些內(nèi)容的不同可區(qū)別出梁 樁 面體的作用 步STEP 因為在FLAC3D是具體代碼 問題的計算須分步進行 隨步長的增加 現(xiàn)象的有關信息在研究區(qū)域傳遞 對于靜態(tài)分析 需要給一個具體的步 讓其達到平衡狀態(tài) 典型的問題計算在2000 4000步之間 其他叫法有時間步 循環(huán)次 18 FLAC3D的前后處理 術語 靜態(tài)解答STATICSOLUTION 如果模型中動量變化率小于了某一可忽略的值 就認為靜態(tài)或類靜態(tài)出現(xiàn)了 這通過限定運動方程實現(xiàn) 靜態(tài)就是模型達到應力平衡 或流體材料受外力后從不穩(wěn)定到穩(wěn)定 這種分析方法在FLAC3D中是默認的分析方法 機械的靜態(tài)分析也可與地下水滲透或熱傳遞問題結合 通過特定設置后 動態(tài)問題可由帶約束的靜態(tài)分析代替 非平衡力UNBALANCEDFORCE 非平衡力標征靜態(tài)分析達到機械平衡 或塑性變形前 嚴格的說平衡時每個節(jié)點上的應力矢量都為0 最大應力會自動被監(jiān)測 當擊活step或solve命令時 其值會顯示在屏幕上 最大網(wǎng)格力也叫非平衡力或抗平衡力 非平衡力在數(shù)值上永遠也不能達到0 當最大非平衡力相對加載的力很小時 我們就認為模型達到了平衡狀態(tài) 如果非平衡力一直保持某一非0值 這就說明模型中可能發(fā)生了破壞或塑性變形 19 FLAC3D的前后處理 術語 動態(tài)解答DYNAMICSOLUTION 在動態(tài)分析中 求解所有動態(tài)方程 動量的產(chǎn)生和消耗都將產(chǎn)生直接影響 在高頻率發(fā)生或持續(xù)時間很短的過程中用到 如地震或爆炸 動態(tài)計算是FLAC3D的一個可選模塊 見附錄K 大應變 小應變LARGESTRAIN SMALLSTRAIN FLAC3D默認的都是小應變 也就是說 即使計算出來的位移相對通常區(qū)域尺寸很大 節(jié)點也不發(fā)生相應位移 大應變中 節(jié)點根據(jù)每一步計算出的位移量發(fā)生位移 幾何非線性只有用大應變才能實現(xiàn) 20 FLAC3D的前后處理 命令驅(qū)動 推薦 程序控制圖形界面接口計算模型輸出指定本構模型及參數(shù)指定初始條件及邊界條件 指定結構單元指定接觸面指定自定義變量及函數(shù) FISH 求解過程的變量跟蹤進行求解模型輸出 21 菜單驅(qū)動 計算模式 命令欄 22 菜單驅(qū)動 Plot 23 一個最簡單的例子 genzonbrisize333 建立網(wǎng)格modelelas 材料參數(shù)propbulk3e8shear1e8inidens2000 初始條件fixzranz 1 1 邊界條件fixxranx 1 1fixxranx2 93 1fixyrany 1 1fixyrany2 93 1setgrav00 10solve 求解appnstr 10e4ranz3x12y12solve RUNFLAC3D 24 前后處理功能的優(yōu)點 多種zone類型后處理快捷 方便 豐富計算過程中的hist變量動態(tài)顯示FISH可進行參數(shù)化模型設計單元狀態(tài)的可編程計算暫停時的后處理與可保存 25 前后處理功能的缺點 復雜模型的建模功能不強可以編程導入其他軟件形成的網(wǎng)格 比如 Ansys Adina GeoCAD 無等值線的后處理功能 3D 可編程將 sav文件寫入TecPlot等其他后處理軟件全命令操作 學習困難鼠標功能單一 雙擊取擊點坐標 26 用tecplot繪制曲線1 第一主應力2 xdisp ydisp zdisp disp用excel做曲線隧道1做地表沉降槽 zdisp 2地表橫向位移 xdisp 3隧道中線豎向沉降曲線 zdisp 4提取位移矢量圖 5顯示初期支護結構內(nèi)力6顯示state 找塑性區(qū) 基坑1做地表沉降槽 zdisp 2提取位移矢量圖 3顯示初期支護結構內(nèi)力4顯示state 找塑性區(qū) 邊坡做安全系數(shù)和應變圖 后處理 27 需要掌握gen ini app plo solve等建模 初始條件 邊界條件 后處理和求解的命令 常用命令 FLAC3D程序的編寫步驟 1Config 2Grid 3Model 4求起始的應力平衡 1 建立x y坐標與網(wǎng)格的關系 建議使用Gen指示 Genx1 y1x2 y2 x3 y3x4 y4i i0 i1j j0 j1 2 設定材料性質(zhì) prop 3 設定外力 SetGrav ApplyPressure inisxx Syy 4 設定邊界條件 fix free 5 求起始的應力平衡 solve 6 儲存 Save5求工程的影響 求出區(qū)域內(nèi)的應力分布情況后 再依工程的流程及步驟階段執(zhí)行各工程進行過程的影響 建議使用以下的步驟 1 調(diào)出起初的應力平衡 re sav 2 設定新的材料性質(zhì) model prop 3 設定新的支撐性質(zhì) struct 4 設定新的外力 5 設定邊界條件 6 求工程時的應力平衡 7 儲存 28 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 29 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 初始化不同限定的格網(wǎng) 可以使用GENERATE 生成 命令 genzonebricksize688這個命令會建立以一個初始化的格網(wǎng) 這個格網(wǎng)在X方向上有6個分區(qū) Y方向上有8個分區(qū) Z方向有8個分區(qū) 所建模型的Z軸在垂直方向上 第一步 初始模型的建立 顯示模型格網(wǎng) 命令plot 創(chuàng)建一個名為 Trench 的塊視圖并將塊表面設為黃色 把視圖塊的軸設為黑色 show關鍵字是顯示當前視圖 自動地創(chuàng)建一個視圖并設置為當前視圖 模型的正面透視圖會出現(xiàn)在窗口視圖中 按住鍵盤的X Y Z鍵 圖形能X Y Z方向旋轉(zhuǎn) 使用M鍵可以放大視圖 使用箭頭鍵可以移動圖形塊 shift鍵然后按住相應的鍵可以反轉(zhuǎn)和縮小圖形 顯示的圖形塊中的標題中給出了 Center Rotation Dist 和 Mag 的數(shù)據(jù) 30 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 創(chuàng)建另一個視圖 黑體部分顯示了新增加的命令 我們假定Plot 命令提示符仍然是被激活的 如果沒有 在鍵入命令之前鍵入PLOT然后按回車鍵 CreateTrench2AddsurfaceyellowAddaxesblackSetrotation17 4959 84728 481Setcenter344Setdist26 12Setmagnification0 8Show 第一步 初始模型的建立 31 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 使用莫爾 庫侖 Mohr Coulomb 準則彈塑性模型 在MODEL命令中不指定區(qū)域的范圍 FLAC3D假定所有的區(qū)域都是Mohr Coulomb性質(zhì) Propbulk 1e8shear 0 3e8fric 35coh 1e10tens 1e10Propcoh 1e10tens 1e10 注意 關鍵參數(shù)的值可能被空格鍵或 分開 體積 剪應力 內(nèi)摩檫角 內(nèi)聚力和抗壓強度是一定的 我們所見的內(nèi)聚力和抗壓強度都給得很大 這僅僅是在重力作用階段給材料的初始值 實際中 在初始應力階段材料是彈性的 setgrav0 0 9 81inidens 1000 初始化 ini initial 密度為1000Kg m3 在z的負方向加以9 81m sec2的重力加速度 在坐標軸的正方向把重力視為正 為了給模型一個重力 材料密度需預先給定 命令INI用于把模型的每個區(qū)域的平均密度設為1000Kg m3 第一步 初始模型的建立 模型屬性 32 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 邊界條件也可在FLAC3D的提示符下輸入 fixxrangex 0 10 1fixxrangex5 96 1fixyrangey 0 10 1fixyrangey7 98 1fixzrangez 0 10 1 1 前兩個命令規(guī)定 沿著在x 0和x 6兩個平面的柵格邊界上的節(jié)點在x方向被 固定 這兩個邊界面通過Fix命令在 range 限定的范圍內(nèi)下降 2 在y 0和y 8上的節(jié)點在y方向上被固定 第3 4條命令規(guī)定了他們的下降范圍 3 沿著底面邊界上的節(jié)點在z方向上被固定 z 0 這個平面被第5條命令固定了范圍 第一步 初始模型的建立 邊界條件 33 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 在計算過程中我們想監(jiān)測所選參數(shù)的變化 History命令可以幫助我們判斷是處于平衡狀態(tài)還是發(fā)生了不穩(wěn)定的破壞 histn 5 hist history設置步長為5histunbal 最大非平衡力histgpzdisp448 測試柵格點448的位移 我們設定監(jiān)測參數(shù)的變化步長為5 默認步長是10 則每隔5步被選定的參數(shù)值就會自動保存在歷史列表中 被保存的2個參數(shù)是 最大非平衡力和節(jié)點z方向上的位移 x 4 y 4 z 8點 知道一個模型中的最大非平衡力很有用 如果最大非平衡力的值很小或位移很穩(wěn)定 這說明模型已達到平衡狀態(tài) 為了考查模型的重力作用 先規(guī)定達到平衡的步數(shù) Solve命令可自動判斷平衡 計算時間 不是實際時間 當鍵入 setmechforce 50solve 計算開始 步數(shù)和最大非平衡力將在屏幕上顯示 當最大非平衡力小于極限值 set命令給定的大小為50N的力 時 程序?qū)⑼Ｖ惯\行 第一步 初始模型的建立 監(jiān)測網(wǎng)格點 34 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 可以根據(jù)最大主應力和z方向位移的歷史記錄判斷它是否達到平衡 當鍵入 plothist1可得到最大非平衡力的歷史記錄 最大非平衡力的歷史記錄圖 z方向上位移歷史記錄圖 在x 4 y 4 z 8這點上 hist2 當最大非平衡力的歷史值達到0 而且位移的歷史記錄穩(wěn)定 這兩個方面都可以反應出模型已達到了平衡狀態(tài) 得到z方向的位移歷史記錄 注意 通過hist命令 每一個歷史都被連續(xù)地從一開始進行數(shù)值化 回到FLAC提示符下 鍵入 printhist得到一個歷史列表和相應的數(shù)值 第一步 初始模型的建立 監(jiān)測網(wǎng)格點 35 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 同樣可以在模型中考察重力效應 現(xiàn)在我們建立一個包含多個圖形的復雜窗口 只需鍵入 plotcreateGravVplotsetplanedip 90dd 0origin 3 4 0plotsetrot15020 thiswouldbeachievedinteractivelyplotsetcenter2 54 24 0 andisshowheresimplytoillustrateplotaddboundbehindplotaddbcontszzplaneplotaddaxesplotshow 這樣我們就建立了一個叫 GravV 的圖形 將它設為當前圖層 對此圖形設置一個傾角為90 的面 在x y面上 約定z的負方向為下 傾向為0 在x y面上 從y的正方向開始沿順時針方向計量 過x y面上一點 x 3 y 4 z 0 在平面后加一個網(wǎng)格 垂直方向的應力Qzz 最后給模型加軸線 整體圖形輪廓與添加圖形相反 顯示每個區(qū)域中心的應力計算值 每個區(qū)域的顏色直接對應基本區(qū)域的應力 當鍵入show 我們建立的圖形被顯示 在初始平衡時的重力應力等值線圖 第一步 初始模型的建立 監(jiān)測網(wǎng)格點 36 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 保存初始狀態(tài) 你可以在進行參數(shù)分析的時候提取 保存此狀態(tài)后 回到FLAC3D的提示符下鍵入 savetrench Sav于是在默認路徑下將建立一個叫 trench Sav 的文件 現(xiàn)在在模型中建立兩個面 鍵入命令 plotprint就可以顯示這些視圖的列表 動態(tài)圖將會用箭頭標出 圖形 base 為草稿視圖 鍵入命令 plotprintview將顯示當前圖形的詳細信息 在以上命令中加入圖形名稱或數(shù)字將產(chǎn)生一個圖形的詳細描述 包含所有設置和項目在圖上 當我們把當前的 GravV 圖形改變?yōu)?trench 圖形時 只要通過輸入命令 plotcurrentTrench Trench視圖必須存在 通過create命令生成 這樣就讓 Trench 接受項目或設置的改變 任何現(xiàn)存的視圖都可直接顯示出來 而不用先把它設為當前 plotshowTrench將在主菜單下顯示所有可視的圖形 第一步 初始模型的建立 監(jiān)測網(wǎng)格點 37 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 第二步開挖巷道 在 plot 下 現(xiàn)在我們在土體內(nèi)開挖巷道 先鍵入 propfric 35coh 1e3tens 1e3摩擦角35 粘聚力1 103抗拉強度1 103這就給整個區(qū)域設置了一個大小為1000Pa的內(nèi)聚力和抗拉強度 這個強度足以防止在初始階段發(fā)生破壞 即開挖前 但是你要選擇一個步數(shù) 使它計算完后有破壞的可能性 進行開挖 鍵入 modelnullrangex 24y 26z 510開挖的巷道尺寸 即空材料 通過x y z 定義一個合適的范圍 一個低內(nèi)聚力和無垂直支護的巷道將發(fā)生跨塌 因為我們想仔細考察這一過程 應使用大應變模式 通過鍵入以下命令實現(xiàn) setlarge為了得到更好的顯示效果 我們只想看巷道開挖后的位移變化 而不想從重力加載就開始觀察 所以我們?nèi)サ魟傞_始x y z方向上由于重力發(fā)生的位移 inixdis 0ydis 0zdis 0 我們有意設置足夠小的內(nèi)聚力讓其破壞 我們現(xiàn)在不用 solve 命令計算 因為用他時要給一個失去平衡的應力極限 為了平衡而選擇的 而我們的模擬永遠都不會達到平衡 此外 我們可以給定一個時間步 當此時跨塌時顯示其結果 這只是一個間接方法 模擬不必在每個計算過程中都達到平衡 因為我們用不著解決一系列數(shù)字式 38 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 5 開挖巷道 用 step 命令step2000此時FLAC3D將計算2000步 這樣考察計算主要通過顯示一些結果 比如 為了產(chǎn)生出一個面的彩色等值線而重復 plot 但要顯示位移等值線圖 鍵入plotcreateDispcontcopyGravVDispcontsettingaddcontdispplanebehindaddaxesshow 位移等值線圖可顯示出由于開挖引起的下沉量 39 Case 1 土體中挖了一個長寬為2m 4m 深為4m的溝 挖土體的同時監(jiān)測周圍土體的變形情況 模型6m 8m 8m 40 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 41 Case 2 淺基礎的穩(wěn)定性分析 條形基礎是指基礎長度遠遠大于寬度的一種基礎形式 按上部結構分為墻下條形基礎和柱下條形基礎 基礎的長度大于或等于10倍基礎的寬度 條形基礎的特點是 布置在一條軸線上且與兩條以上軸線相交 有時也和獨立基礎相連 在此 以條形基礎作為研究對象進行說明 42 Case 2 淺基礎的穩(wěn)定性分析 43 Case 2 淺基礎的穩(wěn)定性分析 可以用平面應力分析方法解決條形基礎問題 土體參數(shù) 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m 44 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m 45 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m genzonebricksize20110 建立矩形的網(wǎng)格區(qū)域 其大小為20 1 10plotCreateTrenchAddsurfaceyellowAddaxesblackShow 顯示模型格網(wǎng)pause modelmohr 采用摩爾 庫侖模型propbul2 e8shea1 e8cohesion1 e5 模型的材料性質(zhì) 體積模量2 0 108 剪切模量1 0 108粘聚力1 0 105propfriction0 dilation0 tension1 e10 內(nèi)摩擦角0 剪脹角0 抗拉強度1 0 1010fixxrangex 1 1 在x方向上固定邊界x 0 即只在x方向上受約束 fixxyzrangez 1 1 在xyz方向上固定邊界z 0 即為固定約束 fixxyzrangex19 920 1 在xyz方向上固定邊界x 20fixy 約束所有y方向上運動fixxyzrangex 13 1z9 910 1 在xyz方向上固定平面x 0 3z 10inizvel 0 5e 5rangex 13 1z9 910 1 在平面x 0 3z 10上初始化z方向的速度為 0 5 10 5 46 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m defp cons 用fish語言定義函數(shù)p conspdis1 gp near 0 0 10 靠近坐標 0 0 10 的節(jié)點的地址賦予pdis1pdis2 gp near 0 1 10 靠近坐標 0 0 10 的節(jié)點的地址賦予pdis2p sol 2 pi 2 賦予p solend 用于fish語言的結尾p cons 運行函數(shù)p cons p load averagefootingpressure c 場地的平均壓力 c disp magnitudeofverticaldisplacementatfootingcenter a 場地中心的垂直沉降量 defactLoad 定義函數(shù)actLoad 活荷載 fish語言的起始句 47 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m pnt gp head 把網(wǎng)格點指針的首個地址 gp head 賦予變量pntpload 0 0 定義變量pload為0n 0 定義變量n為0loopwhilepnt null loop是循環(huán)命令 其條件是pnt 0ifgp zpos pnt 9 9then 當變量pnt所對應的z坐標大于9 9ifgp xpos pnt 3 1then 且x坐標小于3 1時pload pload gp zfunbal pnt 變量pload為上次循環(huán)中的值與變量pnt所對應 的z方向上的不平衡力的和n n 1 n自我加1endif 結束里面的ifendif 結束外面的if pnt gp next pnt 把網(wǎng)格點指針的下一個地址 gp next 賦予變量pntendloop 結束循環(huán)actLoad pload 3 5 z prop zone head cohesion 這里函數(shù)actLoad的值 為后面的式子所賦予 其中pload為循環(huán)結束后的最終 值z prop zone head cohesion 為首個單元 的粘聚力的數(shù)值c disp gp zdisp pdis1 gp zdisp pdis2 7 0 同理 這里函數(shù)c disp的值 也為后面的式子所賦予 其中gp zdisp pdis1 為 變量pdis1所對應的網(wǎng)格點在z方向的位移 gp zdisp pdis2 變量pdis2所對應 的網(wǎng)格點在z方向的位移end fish語言的結束句 48 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m defp err 定義函數(shù)p errp err 100 actLoad p sol p sol 函數(shù)p err的值為后面式子所定義end fish語言的結束句histn50 對n做歷史記錄histactLoad 對actLoad做歷史記錄histp sol 對p sol做歷史記錄histc disp 對c disp做歷史記錄histunbal 對unbal 不平衡力 做歷史記錄plotsketch 繪出輪廓線plotaddvel 添加矢量plotaddhis12vs3 繪出歷史記錄n actLoad p solcyc15000 運行15000時步printp err 輸出函數(shù)p errsavepran sav 形成sav文件 并保存為pran sav 49 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m 50 Case 2 二維的條形基礎的塑性流動 Tresca材料 模型20m 1m 10m 51 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 52 Case 3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結 plotcreategrid4plotaddblockgroupredyellow 把在group中的部分染成紅色和黃色plotaddaxesblack 添加坐標軸線為黑色pausegenzonebricksize888p0 10 10 20p110 10 20此命令是接觸面單元合并成一個整體 53 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 54 Case 4 界面的生成 CreateBasegenzonebricksize333p0 0 0 0 p1 3 0 0 p2 0 3 0 p3 0 0 1 5 p4 3 3 0 p5 0 3 1 5 p6 3 0 4 5 p7 3 3 4 5 groupBase 建立另外一個塊體網(wǎng)格 其大小為3 3 3 其尺寸及位置是p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6和p7等楔型體的8個角點坐標來決定 并把這個區(qū)域歸為一個群 名為Base 即下面的底座 CreateTop 1unithighforinitialspacinggenzonebricksize333p0 0 0 1 5 p1 3 0 4 5 p2 0 3 1 5 p3 0 0 6 p4 3 3 4 5 p5 0 3 6 p6 3 0 6 p7 3 3 6 groupToprangegroupBasenot 建立另外一個塊體網(wǎng)格 其大小為3 3 3 其尺寸及位置是p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6和p7等楔型體的8個角點坐標來決定 并把這個區(qū)域歸為一個群 名為Top 即上面的部分 genseparateTop 使兩部分的接觸網(wǎng)格分離為兩部分 Createinterfaceelementsonthetopsurfaceofthebase 在兩部分之間添加交界面單元interface1wrapBaseTop 在這兩部分之間添加接觸單元 plotcreateview int 顯示 并創(chuàng)建標題view intplotaddsurface 顯示表面plotaddinterfacered 顯示交互面為紅色plotshow 打開圖形saveint sav 形成sav文件 并保存為int sav 55 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 56 Case 5 隧道的生成 new 新建defsetup 定義函數(shù)setupnumy 8 定義常量numy為8depth 10 0 depth為10end 結束對函數(shù)的定義setup 運行函數(shù)setupgenzoneradcylsize5numy810p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 它們的具體意思參看generate命令 決定 plocreaqqqploaddsurfredploshopause genzonebricksize5numy10顯示圖形 57 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 58 Case 6 模型材料問題 genzonecylp0000p1100p2020p3001size454 建立圓柱的網(wǎng)格單元 大小為4 5 4genzonereflectnorm1 0 0 對單元進行鏡像 法線為 1 0 0 原點為 0 0 0 genzonereflectnorm0 0 1 對以上所有單元再進行鏡像 法線為 0 0 1 原點為 0 0 0 plotCreateTrenchAddsurfaceyellowAddaxesblackShow 顯示模型格網(wǎng)pausemodelmohr 采用摩爾 庫侖模型propbulk1 19e10shear1 1e10 為模型賦予參數(shù) 體積模量為1 19 1010 剪切模量為1 1 1010 propcoh2 72e5fric44ten2e5 內(nèi)聚力為2 72 105 內(nèi)摩擦角為44 抗拉強的為2 105 fixxyzrangey 1 1 邊界y 0為固定支座fixxyzrangey1 92 1 邊界y 2為固定支座 iniyvel1e 7rangey 1 1 在y 0的邊界上 初始y方向上的速度為1 10 7iniyvel 1e 7rangey1 92 1 在y 2的邊界上 初始y方向上的速度為 1 10 7 inipp1e5histgpydisp0 0 0 監(jiān)測網(wǎng)格點 0 0 0 點的y方向上的位移histzonesyy0 1 0 監(jiān)測單元 0 1 0 點的y方向上的應力histzonesyy1 1 0 監(jiān)測單元 1 1 0 點的y方向上的應力step3000 運行3000步 59 Case 6 模型材料問題 監(jiān)測網(wǎng)格點 0 0 0 點的y方向上的位移 60 Case 6 模型材料問題 監(jiān)測單元 0 1 0 點的y方向上的應力 61 Case 6 模型材料問題 監(jiān)測單元 1 1 0 點的y方向上的應力 62 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 63 Case 7 Interface合并 聯(lián)結 問題 new 新建 gluedinterfacegrid 粘合交互網(wǎng)格genzonebricksize444p00 0 0p14 0 0p20 4 0p30 0 2 建立塊體網(wǎng)格單元 大小為4 4 4 其具體位置由p0 p1 p2 p3的坐標決定 genzonebricksize884p00 0 3p14 0 3p20 4 3p30 0 5 建立塊體網(wǎng)格單元 大小為8 8 4 其具體位置由p0 p1 p2 p3的坐標決定 callplot dat 調(diào)用plot dat文件pause 暫停inter1facerangez2 9 3 1 在z 3的面上建立交互單元inter1propkn300e9ks300e9tens1e10SBRATIO 1 賦予交界面參數(shù) 法向剛度為3 0 1011 剪切剛度為3 0 1011 抗拉強度為1 0 1010 網(wǎng)格的比率為1inizadd 1 0rangez2 9 5 1 z方向上在2 9到5 1的范圍內(nèi) 所有z的坐標都減1modelelas 材料模型為彈性模型propbulk8e9shear5e9 材料的參數(shù)為 體積模量為8 109 剪切模量為5 109fixzrangez 1 1 固定邊界z 0 為滾動支座 fixxrangex 1 1 固定邊界x 0 為滾動支座fixxrangex3 94 1 固定邊界x 4 為滾動支座fixyrangey 1 1 固定邊界y 0 為滾動支座fixyrangey3 94 1 固定邊界y 4 為滾動支座applyszz 1e6rangez3 94 1x0 2y0 2 在z 4的平面中 x 0 2 y 0 2 的范圍內(nèi)施加z方向的應力為 1 106histunbal 監(jiān)測不平衡力solve 計算 一般計算到ratio 1 10 5為止saveinter sav 將文件保存為inter savcallplot dat 調(diào)用plot dat文件pause 暫停 64 Case 7 Interface合并 聯(lián)結 問題 65 Case 7 Interface合并 聯(lián)結 問題 new 新建文檔 attachedgrid 連接網(wǎng)格genzonebricksize444p00 0 0p14 0 0p20 4 0p30 0 2 建立塊體的網(wǎng)格單元 其大小為4 4 4 其空間位置由p0 p1 p2 p3決定genzonebricksize884p00 0 2p14 0 2p20 4 2p30 0 4 建立塊體的網(wǎng)格單元 其大小為8 8 4 其空間位置由p0 p1 p2 p3決定attachfacerangez1 92 1 在z 2的平面上連接交界面modelelas 材料模型為彈性模型propbulk8e9shear5e9 體積模量為8 109 剪切模量為5 109fixzrangez 1 1 固定邊界z 0 為滾動支座fixxrangex 1 1 固定邊界x 0 為滾動支座fixxrangex3 94 1 固定邊界x 4 為滾動支座fixyrangey 1 1 固定邊界y 0 為滾動支座fixyrangey3 94 1 固定邊界y 4 為滾動支座 applyszz 1e6rangez3 94 1x0 2y0 2 在z 4的平面中 x 0 2 y 0 2 的范圍內(nèi)施加z方向的應力為 1 106histunbal 監(jiān)測不平衡力Solve 計算 一般計算到ratio 1 10 5為止saveatt sav 將文件保存為att savcallplot dat 調(diào)用plot dat文件pause 暫停 66 Case 7 Interface合并 聯(lián)結 問題 new 新建文本 onegrid 一個網(wǎng)格genzonebricksize888p00 0 0p14 0 0p20 4 0p30 0 4 建立塊體的網(wǎng)格單元 其大小為8 8 8 其空間位置由p0 p1 p2 p3決定modelelas 材料模型為彈性模型propbulk8e9shear5e9 材料的體積模量為8 109 剪切模量為5 109fixzrangez 1 1 固定邊界z 0 為滾動支座fixxrangex 1 1 固定邊界x 0 為滾動支座fixxrangex3 94 1 固定邊界x 4 為滾動支座fixyrangey 1 1 固定邊界y 0 為滾動支座fixyrangey3 94 1 固定邊界y 4 為滾動支座applyszz 1e6rangez3 94 1x0 2y0 2 在z 4的平面中 x 0 2 y 0 2 的范圍內(nèi)施加z方向的應力為 1 106histunbal 監(jiān)測不平衡力solve 計算 一般計算到ratio 1 10 6為止savenoatt sav 將文件保存為noatt savcallplot dat 調(diào)用plot dat文件 67 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介1 基坑開挖2 淺基礎的穩(wěn)定性分析3 網(wǎng)格的合并聯(lián)結4 界面的生成5 隧道的生成6 模型材料問題7 Interface合并 聯(lián)結 問題8 初始條件問題9 破壞問題分析10 綜合實例 煤巷應力分析 68 Case 8 初始條件問題 APPLY命令可以在其后面選用關鍵詞gradient 這時 我們就可以在一個指定的范圍內(nèi)線性地改變應力或應變 在關鍵詞gradient后面的參數(shù)為gx gy gz 它們可以用來說明應力或者應變在x y z上的變化趨勢 應力或者應變線性改變的距離 是以全局坐標系下的原點 0 0 0 為準的 例如 對于這個公式的理解 我們最好用下面的這得例子加以解釋 applysxx 10e6gradient0 0 1e5rangez 100 0 特別指出 我們可以應用此命令來模擬由重力引起的 隨深度而有所增加的應力變化 我們在說明INITIAL命令時 確定應力場是隨坐標而產(chǎn)生坡度變化的 并且重力加速度的值已有SETgravity命令給出 69 Case 8 初始條件問題 genzonebricksize8810ratio1 211 產(chǎn)生塊體的網(wǎng)格單元 其到小為8 8 10 在x y z方向上的放大比率依 次為1 2 1 1modelmohr 材料模型為摩爾 庫侖模型inidens2000 所有材料的初始密度為2000propbulk2e8shear1e8 材料的體積模量為2 108 剪切模量為1 108 propfric30 材料的內(nèi)摩擦角為30 fixxrangex 1 1 固定邊界x 0 為滾動支座fixxrangex7 98 1 固定邊界x 8 為滾動支座fixyrangey 1 1 固定邊界y 0 為滾動支座fixyrangey7 98 1 固定邊界y 8 為滾動支座fixzrangez 1 1 固定邊界z 0 為滾動支座setgrav10 設置重力加速度為10solve 運算 saveini1 sav 形成sav文件 保存為ini1 savplotcreateszz contour 創(chuàng)建文件名為szz contour z方向的應力云圖 plotsetcent445 視圖的中心坐標為 4 4 5 plotsetrot20030 視圖的旋轉(zhuǎn)角度為 20 0 30 plotsetmag1 0 視圖的放大倍數(shù)為1 0plotaddcontszzoutonshadeon 打開szz的等值線圖plotaddaxes 打開坐標軸線plotshow 顯示窗口pause 暫停 70 Case 8 初始條件問題 71 Case 8 初始條件問題 new 新建文本genzonebricksize8810ratio1 211 產(chǎn)生塊體的網(wǎng)格單元 其到小為8 8 10 在x y z方向上的放大比率依次為1 2 1 1modelmohr 材料模型為摩爾 庫侖模型inidens2000 所有材料的初始密度為2000propbulk2e8shear1e8 材料的體積模量為2 108 剪切模量為1 108 propfric30 材料的內(nèi)摩擦角為30 fixxrangex 1 1 固定邊界x 0 為滾動支座fixxrange