GeoHohai
FLAC3D在岩土工程
中的应用
报告人：陈育民
导 师：刘汉龙
河海大学岩土工程研究所
ymch@hhu.edu.cn
lakewater@126.com
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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FLAC3D简介
? Fast Lagrangian Analysis of Continua
? 美国 Itasca咨询公司开发 2D程序 (1986)
? 1990年代初引入中国
? 有限差分法 (FDM)
? DOS版 → 2.0 →2.1 → 3.0
? Itasca其他软件
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FLAC3D简介
? 应用：
?岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水
利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等
?岩土工程,采矿工程、水利工程、地质工程
? 特色：
?大应变 模拟
?完全动态 运动方程 使得 FLAC3D在模拟物理上的不稳
定过程不存在数值上的障碍
?显示求解具有较快的 非线性 求解速度
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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基本原理
? 有限差分法
? Lagrangian网格
? 空间混合离散技术
? Lagrangian格式动量平衡方程
? FLAC3D的求解过程
? FLAC3D的本构模型
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有限差分法
? 古老的方法 (上世纪 40年代 )
? 用差分格式转化控制方程中的微商格式
? 流体力学；土工渗流问题；固结
? FDM & FEM的混合求解
? FDM的新进展
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Lagrangian网格
? 源自流体力学中的拉格朗日法
?跟踪流体质点的运动状态
?跟踪固体力学中结点，按时步用
Lagrangian法研究网格节点的运动
? 节点和单元随材料移动，边界和接
触面与单元的边缘一致
? 固体力学大变形理论
法国数学家、物理学家拉格朗日
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空间混合离散技术
? 结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体
或六面体等单元
? 以 为基本单元 (常应力、常应变 )
? 体应变的计算：
? 偏应变的计算：
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空间混合离散技术
+ /2=
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Lagrangian格式动量平衡方程
F(t)
duF m a m
dt? ? ? ?
iji
i
j
du g
d t x
??????
?
,,uuu
m
牛顿运动定律
对于连续体
在静力平衡条件下，加速度
项为 0，方程变为平衡方程
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Case-1自由落体的模拟
G = mg
S = 1/2gt2 = 20m
命令流：
config dyn
gen zon bri size 1 1 1
ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1
model elas
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 1000
set grav 0 0 -10
solve age 2
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Case-1自由落体的模拟 (movie)
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FLAC3D的求解过程
平衡方程
(动量方程 )
应力 — 应变关系
(本构模型 )
Gauss定律 单元积分
应变率
速度 节点力
新的应力
对所有的网格节点
对所有单元
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FLAC3D中的本构模型
? 开挖模型 null
? 3个弹性模型
?各向同性弹性
?横观各向同性弹性
?正交各向同性弹性
? 8个塑性模型（ Drucker-Prager模型,Morh-
Coulomb模型、应变硬化 /软化模型、遍布节理
模型、双线性应变硬化 /软化遍布节理模型、修正
剑桥模型和 胡克布朗模型 ）
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FLAC3D中的本构模型
岩石各向同性的岩石材料胡克 - 布朗模型
粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型
轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致
永久体积减小
双屈服面塑性模型
层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料
双线性应变硬化 / 软化遍
布解理模型
松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料 ( 即板岩 )遍布解理模型
破坏后研究 ( 失稳过程，立柱屈服，
顶板崩落 )
存在非线性硬化或软化的粒状材料
应变硬化 / 软化摩尔 - 库仑
模型
岩土力学通用模型 ( 边坡稳定性分
析，地下开挖 )
松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混
凝土
摩尔 - 库仑
模型
与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土
德鲁克 - 普拉格
模型
不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性 ( 即板岩 )
横观各向同性
弹性
不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料
正交各向同性
弹性
低于强度极限的人工材料 ( 如钢
铁 ) ；安全系数计算
均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型
孔洞，开挖，后续施工材料 ( 如回填 )空空模型
实际应用材料特性模型
岩石各向同性的岩石材料胡克 布朗模型
粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型
轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致
永久体积减小
双屈服面塑性模型
层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料
双线性应变硬化 软化遍
布解理模型
松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料 即板岩遍布解理模型
破坏后研究 失稳过程，立柱屈服，
顶板崩落
存在非线性硬化或软化的粒状材料
应变硬化 软化摩尔 库仑
模型
岩土力学通用模型 边坡稳定性分
析，地下开挖
松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混
凝土
摩尔 库仑
模型
与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土
德鲁克 普拉格
模型
不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性 即板岩
横观各向同性
弹性
不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料
正交各向同性
弹性
低于强度极限的人工材料 如钢；安全系数计算
均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型
孔洞，开挖，后续施工材料 如回填空模型
实际应用材料特性模型
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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FLAC3D的 前后处理
? 命令驱动 (推荐 )
?程序控制
?图形界面接口
?计算模型输出
?指定本构模型及参数
?指定初始条件及边界条件，指定结构单元
?指定接触面
?指定自定义变量及函数 (FISH)
?求解过程的变量跟踪
?进行求解
?模型输出
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菜单驱动 (计算模式 )
命令栏
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菜单驱动 (Plot)
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Case-2 一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格
model elas ;材料参数
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 2000 ;初始条件
fix z ran z -.1,1 ;边界条件
fix x ran x -.1,1
fix x ran x 2.9 3.1
fix y ran y -.1,1
fix y ran y 2.9 3.1
set grav 0 0 -10
solve ;求解
app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2
solve RUN FLAC3D
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前后处理功能的优点
? 多种 zone类型
? 后处理快捷、方便、丰富
? 计算过程中的 hist变量动态显示
? FISH可进行参数化模型设计
? 单元状态的可编程
? 计算暂停时的后处理与可保存
GeoHohai 24/74
前后处理功能的缺点
? 复杂模型的建模功能不强
?可以编程导入其他软件形成的网格 (比如,Ansys、
Adina,GeoCAD)
? 无等值线的后处理功能 (3D)
?可编程将,sav文件写入 TecPlot等其他后处理软件
? 全命令操作，学习困难
? 鼠标功能单一 (双击取击点坐标 )
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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流 -固耦合分析 (单相流 )
? 基本功能
? 理论框架
? 计算模式
? 渗流边界条件，初始条件
? 单渗流计算及渗流耦合计算
GeoHohai 27/74
基本功能
? 渗流各向同性, 各向异性
? 不同的渗流模型和属性
? 流体压力, 涌入量, 渗漏量和不渗水边界
? 抽水井, 点源, 体积源
? 饱和渗流可采用显式差分法, 隐式差分法
? 非饱和渗流 采用显式差分法
? 渗流 -固体 -热 的耦合
? 流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒 (骨架 )的压
缩程度, 用 Biot系数表示颗粒的可压缩程度 。
? 循环荷载引起的动水压力变化和 土体液化 。
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理论框架
? 准静态 Biot理论
? 多孔介质中遵循 Darcy定律的单相渗流
? 描述多孔介质中流体渗流的变量
?孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量
? 质量守恒定律
? 达西定律
? 本构定律
?考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应
变改变和温度改变
GeoHohai 29/74
流 -固耦合的计算模式
? 无渗流模式
?孔压计算
? 有渗流模式
?瞬态渗流分析
?流 -固耦合计算
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无渗流模式
? 不设置 CONFIG Fluid
? 孔压不改变
? INITIAL pp
? WATER table
?WATER density
?SET gravity
?WATER table face
? 手动设置 干湿密度
? 设置 CONFIG fluid
? 瞬态渗流分析
? 有效应力计算
? 不排水计算
? 设置土体 干密度
? 渗流模型
?MODEL fl_isotropic
?MODEL fl_anisotropic
?MODEL fl_null
渗流模式
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渗流边界条件，初始条件
? 默认的边界条件是不透水边界
? 孔隙压力自由 (不透水边界 )
? 固定孔隙水压力 (透水边界 )
?如：井
? 孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分
布可以用 INITIAL命令或者 PROPERTY命令定义。
GeoHohai 32/74
单渗流计算及渗流耦合计算
? 时间比例
? 完全耦合分析方法
? 孔压固定分析 (有效应力分析 )
? 单渗流得到孔压分布
? 无渗流计算 ——孔压的力学响应
? 流 -固耦合计算
GeoHohai 33/74
时间比例 (scale)
? 力学过程的特征时间
? 流体扩散过程的特征时间
4 / 3
m
cc
u
tL
KG
??
?
2
f c
c
Lt
c
?
GeoHohai 34/74
完全耦合分析方法
? 时间比例
?短期行为 (不排水 )
? ts(分析时间 )<<tc(耦合扩散时间 )
? 忽略渗流影响
?长期行为 (排水 ) ts>>tc
? 施加扰动的属性
?流体扰动：渗流可不与力学过程耦合
?力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比
? 流固刚度比
2
4 / 3k
MR
KG
??
?
GeoHohai 35/74
单渗流得到孔压分布
? 用途：排水沟；抽水井；耦合计算
? 计算步骤
?CONFIG fluid SET mech off
?SET fluid implicit on/off
?MODEL fl_; PROP
?STEP; SOLVE age; SET fluid ratio
?SET fluid off mech on
? PROP biot_c 0 (or INI fmod 0)
GeoHohai 36/74
无渗流计算 ——孔压的力学响应
? 不排水短期响应
? 两种分析方法：干法和湿法
?干法,Ku=K+a2M
? 两种破坏形式
? WATER或 INI获得常孔压，不排水的 c,φ (孔压改变较小 )
?φ=0,c=cu (M>>K+4/3G)
?湿法：耦合体系的短期行为
? 使用排水的 K,c,φ
? 若 SET fluid off,Biot_mod(fmod)真实
GeoHohai 37/74
流 -固耦合计算
? CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数 ) 真实，则 FLAC3D默
认耦合计算
? Δp→Δε v→σ
? Δεv→Δp
? 预估流 /力特征时间
? 耦合计算前先达到一个平衡状态
? SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP
? SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m
(=1)
? STEP:渗流步足够小
GeoHohai 38/74
Case-3真空预压的简单模拟
? 孔压边界条件
? ts>>tc
?长期分析 (排水 )
? Rk>>1
?骨架很软
? 孔压扰动
?进行 biot_mod调整
砂层
软土层
粘土层
PVD
2m
8m
10m
Data file,
GeoHohai 39/74
数值分析过程 (movie)
GeoHohai 40/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 41/74
接触面单元的用途
? 岩体介质中的解理、断层、岩层面
? 地基与土体的接触
? 箱、槽及其内充填物的接触
? 空间中无变形的固定“障碍”
GeoHohai 42/74
接触面的原理
? 三角形单元 (无厚度 !)
? 参数较多
? 三种工作模式
?粘结界面
?粘接滑移
?库伦滑动
GeoHohai 43/74
接触单元模型的建立 (1)
? 关键 要形成同一位置的两个节
点 (面 )
?,移来移去” (推荐 )
?建两个分开的模型
?建立接触单元
?通过 INI * add使模型接触
?注意 dist的含义 接触面dist
GeoHohai 44/74
接触单元模型的建立 (2)
?,导来导去”
?利用 expgrid,impgrid命令进行网格导出与导入
?配合 DELETE命令
?适于内部接触面的建立，或
?其他前处理工具建立的网格
GeoHohai 45/74
“导来导去”具体方法
? save 1.sav
? del ran grop 2 not
? Interface 1 face
? save 2.sav
? rest 1.sav
del ran group 2
expgrid 1.fac3d
? rest 2.sav
impgrid 1.flac3d
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接触面参数的确定
? 虚构的为了合并节点而设置的接触面
?Kn=ks=10*
? 真实的刚性接触面
?如料仓下料
?c,D,Tension重要,kn,ks不重要
? 真实的柔性接触面
?断层； 水力劈裂 材料
?试验得到参数
?对于 kn,ks：岩石断层 10~100MPa/m(粘土 );
100GPa(岩石 )
?反分析方法,通过断层中岩石的变形与原岩的变形
GeoHohai 47/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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完全非线性的动力分析
? 特点
? 动力荷载
? 动力边界条件
? 地震波的调整
? 动孔压的生成
GeoHohai 49/74
FLAC3D动力分析特点
? 完全非线性分析
? 遵循任何指定的非线性本构关系
? 不同频率间会出现干涉和混合
? 模拟不可恢复的位移和 永久变形
? 合适的塑性理论，塑性应变增量与应力有关
? 易进行不同本构模型的对比分析
GeoHohai 50/74
动力荷载
? 动力输入的类型
?加速度时程
?速度时程
?应力 (压力 )时程
?力时程
? APPLY
?INTERIOR (内部 )
?TABLE
?FISH
GeoHohai 51/74
动力边界条件
? 静态 (quiet,粘性 )边界
?Lysmer and Kuhlemeyer(1969)
?模型边界法向和切向设置独立的阻尼器
? 自由场 (free field)边界
?Cundall et al,(1980)
?自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器，自由场网
格的不平衡力施加到主体网格边界上
?设置条件
? 底部水平，重力方向为 z向
? 侧面垂直，法向分别为 x,y向
? 其他边界条件在 APPLY ff之前
GeoHohai 52/74
力学阻尼
? 瑞利 (rayleigh)阻尼
?假设阻尼与质量、刚度的线性关系
?参数确定简单
?计算速度慢，不推荐
? 局部 (local)阻尼
?FLAC3D的静力分析阻尼
?参数简单
?适合简单情况
GeoHohai 53/74
滞回阻尼 (Hysteretic Damping)
? 模拟岩土介质的动模量衰减曲线
? initial damp hysteretic name
? sig3 (三参数 )
? sig4 (四参数 )
? Hardin
? (哈丁模型 )
? default
? 计算速度快
? 推荐
GeoHohai 54/74
地震波的调整
? 基线校正
?对于地震分析的加速度时程，其积分得到的速度和位
移应归 0
?美国地质调查研究所
? Basic Strong-Motion Accelerogram Processing
Software (BAP)
?对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为 0
GeoHohai 55/74
地震波的调整
? 动力荷载的频率与单元尺寸的双向调整
?高频的输入要求单元尺寸很小
?一定的单元尺寸对应输入的最大频率
?一般进行滤波处理
? 滤掉低能量的高频
? FFT.FIS
? Origin
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地震波的调整
0 5 10 15 20 25 30
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
100
200
300
400
a
cc
(cm/
s
2
)
t (s)
EI ce n t u o
0 5 10 15 20 25 30
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
100
200
300
400
a
cc
(cm/
s
2
)
t (s)
2 0 H z L o w Pa ss F i l t e r o n EI _ B
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
EI ce n t u o
F re q u e n cy (H z )
Amp
li
tu
d
e
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
2 0 H z L o w p a ss EI
F re q u e n cy (H z )
Amp
li
tu
d
e
El-Centro波
FFT
修正后的时程
修正后 FFT
5Hz
GeoHohai 57/74
动孔压的生成 ——液化
? 干沙剪应变循环加载试验
?初始加载阶段，沙土通常先压实再膨胀。卸载时，沙
土遵循与加载相似的路径，但在零应变时，有些残余
体积应变存在。取决于初始孔隙率，这可能代表纯粹
的压实
? 假定孔隙中充满水
?对于常体积测试，有效应力降低，孔隙水压保持不变
?对于常荷载测试,(例如，盒子上法向荷载固定 )，孔
隙水压增加，有效应力减小
? 有效应力为零时发生液化
GeoHohai 58/74
动孔压的生成 ——液化
? 因此孔隙水压增加不是液化的基本原因
? 由于颗粒间 (重组以后 )的低接触力导致有效应力
的减小
? 描述液化的模型
?高级模型,BSHP (边界面低塑性本构模型,Wang et
al,1990)
?简单模型,MC + 体积应变增量模型
? Finn模型：
? Byrne模型：
GeoHohai 59/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 60/74
自定义本构模型的基本方法
? 必要性
?试验总结的本构模型
?特定条件下的本构模型
?交叉学科的本构模型
? 二次开发环境
? 自定义本构模型的功能
? 自定义本构模型的基本方法
GeoHohai 61/74
二次开发环境
? FLAC3D采用面向对象的语言标准 C++编写
? 本构模型都是以动态连接库文件 (.DLL文件 )的形
式提供
? VC++6.0(SP4)或更高版本的开发环境
? 优点
?自定义的本构模型和软件自带的本构模型的执行效率
处在同一个水平
?自定义本构模型 (.DLL文件 )适用于高版本的
FLAC(2D),3DEC,UDEC等其他 Itasca软件中
GeoHohai 62/74
自定义本构模型的功能
? 主要功能：对给出的应变增量得到新的应力
? 辅助功能：
? 模型名称、版本
? 读写操作
? 模型文件的编写
? 基类 (class Constitutive Model)的描述
? 成员函数的描述
? 模型的注册
? 模型与 FLAC3D之间的信息交换
? 模型状态指示器的描述
GeoHohai 63/74
自定义本构模型的基本方法
? 头文件 (usermodel.h)中进行新的本构模型派生类
的声明
? 修改模型的 ID(>100)、名称和版本
? 修改派生类的私有成员
? C++文件 (usermodel.cpp)中修改模型结构
? (UserModel::UserModel(bool bRegister),
ConstitutiveModel)
? const char **UserModel::Properties()函数
? 模型的参数名称字符串
? const char **UserModel::States()函数
? 计算过程中的状态指示器
GeoHohai 64/74
自定义本构模型的基本方法
? double UserModel::GetProperty()和 void UserModel:,
SetProperty()函数
? const char * UserModel::Initialize()函数
? 参数和状态指示器的初始化，并对派生类声明中定义的私
有变量进行赋值
? const char * UserModel::Run() 函数
? 由应变增量计算得到应力增量，从而获得新的应力
? const char * UserModel::SaveRestore()函数
? 对计算结果进行保存。
? 程序的调试
? 在 VC++的工程设置中将 FLAC3D软件中的 EXE文件路径加
入到程序的调试范围中，并将 FLAC3D自带的 DLL文件加入
到附加动态链接库 (Additional DLLs)中，然后在 Initialize()
或 Run()函数中设置断点，进行调试；
? 在程序文件中加入 return()语句，这样可以将希望得到的变
量值以错误提示的形式在 FLAC3D窗口中得到。
GeoHohai 65/74
一个例子 (Duncan-Chang)
0 1 2 3 4 5 6
0
5 00
10 00
15 00
20 00
25 00
30 00
35 00
40 00
45 00
σ
3
=90 0kPa
σ
3
=6 00kPa
(
σ
1
-
σ
3
)/kPa
ε
a
（%）
σ
3
= 30 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 60 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 90 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 30 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 60 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 90 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 300kP a
0 1 2 3 4 5 6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
ε
a
（% ）
σ
3
=600kPa by FLAC3D
σ
3
=900kPa by FLAC3D
σ
3
=600kPa by Duncan-Chang
σ
3
=900kPa by Duncan-Chang
(
σ
1
-
σ
3
)/kPa
ε
a
（%）
σ
3
=900kPa
σ
3
=600kPa
GeoHohai 66/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 67/74
FLAC3D中的结构单元
? 有限单元
? 梁 (beam)单元
? 锚索 (cable)单元
? 桩 (pile)单元
?锚杆, rockbolt on
? 壳 (shell)单元
? 格栅 (geogrid)单元
?土工织物；土工格栅
? 初衬 (liner)单元
beam cable
pile
shell
geogrid
liner
GeoHohai 68/74
Case-4结构的动力响应
config dyn
sel pile id=1 beg 0 0 0 end 0 0 1
sel pile prop dens 2400 &
Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3 &
XCJ 0.16375 XCIy 0.00625 XCIz 0.01575 &
Per 2.8 CS_sK 1.3e11 CS_nK 1.3e11&
CS_nGap off
sel node fix x y z xr yr zr ran id=1
sel set damp combined
def f1
whilestepping
f0=10000*sin(10*dytime)
np = nd_head
loop while np # null
if nd_pos(np,1,3)=1
nd_apply(np,1)=f0
endif
np = nd_next(np)
endloop
end
solve age 1
pile
10000*sin(10*t)
GeoHohai 69/74
Case-4结构的动力响应
GeoHohai 70/74
结构单元的应用
? 土与结构的相互作用
? 桩基；基坑；边坡锚固
? 地下硐室的支撑结构；采矿；盾构
? 土工织物；土工合成材料
? 结构不宜复杂
? 岩土工程软件，不宜单纯的结构分析
? 复杂结构的模拟很困难
? 结构单元仍不完善
? plot显示
? 双向接触结构 (挡土墙 )
? 结构单元的厚度
GeoHohai 71/74
FLAC3D的使用心得
??
? 很好的岩土工程 专业 软件
? 本构模型丰富
? 强大的动力分析功能
? 对内存的要求不高
? 可开发性好
? FISH
? C++
??
? 时步受网格尺寸的影响很大
? 长期动力计算的时间很长
? 长期渗流计算的时间很长
? 前处理功能需提高
? 结构单元仍需完善
? 手册说明仍需完善
GeoHohai 72/74
FLAC3D的学习经验
? Manuals for Details,(dynamax)
? 中间时步表现出一些不合实际的结果，需要足够
的专业和数学知识进行判断与解释。 (qinjianshe)
? 充分了解你写的每一条命令的含义。 (qinjianshe)
? 少量单元的数值试验帮助理解软件的功能
? 关键变量的参数化编程设计
? 参数 > 模型 > 方法 (软件 )
? 由简到繁，循序渐进
? --SimWe--仿真论坛 ? A17,FLAC3D/FLAC2D
GeoHohai 73/74
欢迎大家访问
GeoHohai 74/74
谢谢大家 !
敬请大家批评指正 !
FLAC3D在岩土工程
中的应用
报告人：陈育民
导 师：刘汉龙
河海大学岩土工程研究所
ymch@hhu.edu.cn
lakewater@126.com
GeoHohai 2/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 3/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 4/74
FLAC3D简介
? Fast Lagrangian Analysis of Continua
? 美国 Itasca咨询公司开发 2D程序 (1986)
? 1990年代初引入中国
? 有限差分法 (FDM)
? DOS版 → 2.0 →2.1 → 3.0
? Itasca其他软件
GeoHohai 5/74
FLAC3D简介
? 应用：
?岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水
利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等
?岩土工程,采矿工程、水利工程、地质工程
? 特色：
?大应变 模拟
?完全动态 运动方程 使得 FLAC3D在模拟物理上的不稳
定过程不存在数值上的障碍
?显示求解具有较快的 非线性 求解速度
GeoHohai 6/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 7/74
基本原理
? 有限差分法
? Lagrangian网格
? 空间混合离散技术
? Lagrangian格式动量平衡方程
? FLAC3D的求解过程
? FLAC3D的本构模型
GeoHohai 8/74
有限差分法
? 古老的方法 (上世纪 40年代 )
? 用差分格式转化控制方程中的微商格式
? 流体力学；土工渗流问题；固结
? FDM & FEM的混合求解
? FDM的新进展
GeoHohai 9/74
Lagrangian网格
? 源自流体力学中的拉格朗日法
?跟踪流体质点的运动状态
?跟踪固体力学中结点，按时步用
Lagrangian法研究网格节点的运动
? 节点和单元随材料移动，边界和接
触面与单元的边缘一致
? 固体力学大变形理论
法国数学家、物理学家拉格朗日
GeoHohai 10/74
空间混合离散技术
? 结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体
或六面体等单元
? 以 为基本单元 (常应力、常应变 )
? 体应变的计算：
? 偏应变的计算：
GeoHohai 11/74
空间混合离散技术
+ /2=
GeoHohai 12/74
Lagrangian格式动量平衡方程
F(t)
duF m a m
dt? ? ? ?
iji
i
j
du g
d t x
??????
?
,,uuu
m
牛顿运动定律
对于连续体
在静力平衡条件下，加速度
项为 0，方程变为平衡方程
GeoHohai 13/74
Case-1自由落体的模拟
G = mg
S = 1/2gt2 = 20m
命令流：
config dyn
gen zon bri size 1 1 1
ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1
model elas
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 1000
set grav 0 0 -10
solve age 2
GeoHohai 14/74
Case-1自由落体的模拟 (movie)
GeoHohai 15/74
FLAC3D的求解过程
平衡方程
(动量方程 )
应力 — 应变关系
(本构模型 )
Gauss定律 单元积分
应变率
速度 节点力
新的应力
对所有的网格节点
对所有单元
GeoHohai 16/74
FLAC3D中的本构模型
? 开挖模型 null
? 3个弹性模型
?各向同性弹性
?横观各向同性弹性
?正交各向同性弹性
? 8个塑性模型（ Drucker-Prager模型,Morh-
Coulomb模型、应变硬化 /软化模型、遍布节理
模型、双线性应变硬化 /软化遍布节理模型、修正
剑桥模型和 胡克布朗模型 ）
GeoHohai 17/74
FLAC3D中的本构模型
岩石各向同性的岩石材料胡克 - 布朗模型
粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型
轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致
永久体积减小
双屈服面塑性模型
层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料
双线性应变硬化 / 软化遍
布解理模型
松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料 ( 即板岩 )遍布解理模型
破坏后研究 ( 失稳过程，立柱屈服，
顶板崩落 )
存在非线性硬化或软化的粒状材料
应变硬化 / 软化摩尔 - 库仑
模型
岩土力学通用模型 ( 边坡稳定性分
析，地下开挖 )
松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混
凝土
摩尔 - 库仑
模型
与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土
德鲁克 - 普拉格
模型
不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性 ( 即板岩 )
横观各向同性
弹性
不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料
正交各向同性
弹性
低于强度极限的人工材料 ( 如钢
铁 ) ；安全系数计算
均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型
孔洞，开挖，后续施工材料 ( 如回填 )空空模型
实际应用材料特性模型
岩石各向同性的岩石材料胡克 布朗模型
粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型
轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致
永久体积减小
双屈服面塑性模型
层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料
双线性应变硬化 软化遍
布解理模型
松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料 即板岩遍布解理模型
破坏后研究 失稳过程，立柱屈服，
顶板崩落
存在非线性硬化或软化的粒状材料
应变硬化 软化摩尔 库仑
模型
岩土力学通用模型 边坡稳定性分
析，地下开挖
松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混
凝土
摩尔 库仑
模型
与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土
德鲁克 普拉格
模型
不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性 即板岩
横观各向同性
弹性
不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料
正交各向同性
弹性
低于强度极限的人工材料 如钢；安全系数计算
均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型
孔洞，开挖，后续施工材料 如回填空模型
实际应用材料特性模型
GeoHohai 18/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 19/74
FLAC3D的 前后处理
? 命令驱动 (推荐 )
?程序控制
?图形界面接口
?计算模型输出
?指定本构模型及参数
?指定初始条件及边界条件，指定结构单元
?指定接触面
?指定自定义变量及函数 (FISH)
?求解过程的变量跟踪
?进行求解
?模型输出
GeoHohai 20/74
菜单驱动 (计算模式 )
命令栏
GeoHohai 21/74
菜单驱动 (Plot)
GeoHohai 22/74
Case-2 一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格
model elas ;材料参数
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 2000 ;初始条件
fix z ran z -.1,1 ;边界条件
fix x ran x -.1,1
fix x ran x 2.9 3.1
fix y ran y -.1,1
fix y ran y 2.9 3.1
set grav 0 0 -10
solve ;求解
app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2
solve RUN FLAC3D
GeoHohai 23/74
前后处理功能的优点
? 多种 zone类型
? 后处理快捷、方便、丰富
? 计算过程中的 hist变量动态显示
? FISH可进行参数化模型设计
? 单元状态的可编程
? 计算暂停时的后处理与可保存
GeoHohai 24/74
前后处理功能的缺点
? 复杂模型的建模功能不强
?可以编程导入其他软件形成的网格 (比如,Ansys、
Adina,GeoCAD)
? 无等值线的后处理功能 (3D)
?可编程将,sav文件写入 TecPlot等其他后处理软件
? 全命令操作，学习困难
? 鼠标功能单一 (双击取击点坐标 )
GeoHohai 25/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 26/74
流 -固耦合分析 (单相流 )
? 基本功能
? 理论框架
? 计算模式
? 渗流边界条件，初始条件
? 单渗流计算及渗流耦合计算
GeoHohai 27/74
基本功能
? 渗流各向同性, 各向异性
? 不同的渗流模型和属性
? 流体压力, 涌入量, 渗漏量和不渗水边界
? 抽水井, 点源, 体积源
? 饱和渗流可采用显式差分法, 隐式差分法
? 非饱和渗流 采用显式差分法
? 渗流 -固体 -热 的耦合
? 流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒 (骨架 )的压
缩程度, 用 Biot系数表示颗粒的可压缩程度 。
? 循环荷载引起的动水压力变化和 土体液化 。
GeoHohai 28/74
理论框架
? 准静态 Biot理论
? 多孔介质中遵循 Darcy定律的单相渗流
? 描述多孔介质中流体渗流的变量
?孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量
? 质量守恒定律
? 达西定律
? 本构定律
?考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应
变改变和温度改变
GeoHohai 29/74
流 -固耦合的计算模式
? 无渗流模式
?孔压计算
? 有渗流模式
?瞬态渗流分析
?流 -固耦合计算
GeoHohai 30/74
无渗流模式
? 不设置 CONFIG Fluid
? 孔压不改变
? INITIAL pp
? WATER table
?WATER density
?SET gravity
?WATER table face
? 手动设置 干湿密度
? 设置 CONFIG fluid
? 瞬态渗流分析
? 有效应力计算
? 不排水计算
? 设置土体 干密度
? 渗流模型
?MODEL fl_isotropic
?MODEL fl_anisotropic
?MODEL fl_null
渗流模式
GeoHohai 31/74
渗流边界条件，初始条件
? 默认的边界条件是不透水边界
? 孔隙压力自由 (不透水边界 )
? 固定孔隙水压力 (透水边界 )
?如：井
? 孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分
布可以用 INITIAL命令或者 PROPERTY命令定义。
GeoHohai 32/74
单渗流计算及渗流耦合计算
? 时间比例
? 完全耦合分析方法
? 孔压固定分析 (有效应力分析 )
? 单渗流得到孔压分布
? 无渗流计算 ——孔压的力学响应
? 流 -固耦合计算
GeoHohai 33/74
时间比例 (scale)
? 力学过程的特征时间
? 流体扩散过程的特征时间
4 / 3
m
cc
u
tL
KG
??
?
2
f c
c
Lt
c
?
GeoHohai 34/74
完全耦合分析方法
? 时间比例
?短期行为 (不排水 )
? ts(分析时间 )<<tc(耦合扩散时间 )
? 忽略渗流影响
?长期行为 (排水 ) ts>>tc
? 施加扰动的属性
?流体扰动：渗流可不与力学过程耦合
?力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比
? 流固刚度比
2
4 / 3k
MR
KG
??
?
GeoHohai 35/74
单渗流得到孔压分布
? 用途：排水沟；抽水井；耦合计算
? 计算步骤
?CONFIG fluid SET mech off
?SET fluid implicit on/off
?MODEL fl_; PROP
?STEP; SOLVE age; SET fluid ratio
?SET fluid off mech on
? PROP biot_c 0 (or INI fmod 0)
GeoHohai 36/74
无渗流计算 ——孔压的力学响应
? 不排水短期响应
? 两种分析方法：干法和湿法
?干法,Ku=K+a2M
? 两种破坏形式
? WATER或 INI获得常孔压，不排水的 c,φ (孔压改变较小 )
?φ=0,c=cu (M>>K+4/3G)
?湿法：耦合体系的短期行为
? 使用排水的 K,c,φ
? 若 SET fluid off,Biot_mod(fmod)真实
GeoHohai 37/74
流 -固耦合计算
? CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数 ) 真实，则 FLAC3D默
认耦合计算
? Δp→Δε v→σ
? Δεv→Δp
? 预估流 /力特征时间
? 耦合计算前先达到一个平衡状态
? SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP
? SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m
(=1)
? STEP:渗流步足够小
GeoHohai 38/74
Case-3真空预压的简单模拟
? 孔压边界条件
? ts>>tc
?长期分析 (排水 )
? Rk>>1
?骨架很软
? 孔压扰动
?进行 biot_mod调整
砂层
软土层
粘土层
PVD
2m
8m
10m
Data file,
GeoHohai 39/74
数值分析过程 (movie)
GeoHohai 40/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 41/74
接触面单元的用途
? 岩体介质中的解理、断层、岩层面
? 地基与土体的接触
? 箱、槽及其内充填物的接触
? 空间中无变形的固定“障碍”
GeoHohai 42/74
接触面的原理
? 三角形单元 (无厚度 !)
? 参数较多
? 三种工作模式
?粘结界面
?粘接滑移
?库伦滑动
GeoHohai 43/74
接触单元模型的建立 (1)
? 关键 要形成同一位置的两个节
点 (面 )
?,移来移去” (推荐 )
?建两个分开的模型
?建立接触单元
?通过 INI * add使模型接触
?注意 dist的含义 接触面dist
GeoHohai 44/74
接触单元模型的建立 (2)
?,导来导去”
?利用 expgrid,impgrid命令进行网格导出与导入
?配合 DELETE命令
?适于内部接触面的建立，或
?其他前处理工具建立的网格
GeoHohai 45/74
“导来导去”具体方法
? save 1.sav
? del ran grop 2 not
? Interface 1 face
? save 2.sav
? rest 1.sav
del ran group 2
expgrid 1.fac3d
? rest 2.sav
impgrid 1.flac3d
GeoHohai 46/74
接触面参数的确定
? 虚构的为了合并节点而设置的接触面
?Kn=ks=10*
? 真实的刚性接触面
?如料仓下料
?c,D,Tension重要,kn,ks不重要
? 真实的柔性接触面
?断层； 水力劈裂 材料
?试验得到参数
?对于 kn,ks：岩石断层 10~100MPa/m(粘土 );
100GPa(岩石 )
?反分析方法,通过断层中岩石的变形与原岩的变形
GeoHohai 47/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 48/74
完全非线性的动力分析
? 特点
? 动力荷载
? 动力边界条件
? 地震波的调整
? 动孔压的生成
GeoHohai 49/74
FLAC3D动力分析特点
? 完全非线性分析
? 遵循任何指定的非线性本构关系
? 不同频率间会出现干涉和混合
? 模拟不可恢复的位移和 永久变形
? 合适的塑性理论，塑性应变增量与应力有关
? 易进行不同本构模型的对比分析
GeoHohai 50/74
动力荷载
? 动力输入的类型
?加速度时程
?速度时程
?应力 (压力 )时程
?力时程
? APPLY
?INTERIOR (内部 )
?TABLE
?FISH
GeoHohai 51/74
动力边界条件
? 静态 (quiet,粘性 )边界
?Lysmer and Kuhlemeyer(1969)
?模型边界法向和切向设置独立的阻尼器
? 自由场 (free field)边界
?Cundall et al,(1980)
?自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器，自由场网
格的不平衡力施加到主体网格边界上
?设置条件
? 底部水平，重力方向为 z向
? 侧面垂直，法向分别为 x,y向
? 其他边界条件在 APPLY ff之前
GeoHohai 52/74
力学阻尼
? 瑞利 (rayleigh)阻尼
?假设阻尼与质量、刚度的线性关系
?参数确定简单
?计算速度慢，不推荐
? 局部 (local)阻尼
?FLAC3D的静力分析阻尼
?参数简单
?适合简单情况
GeoHohai 53/74
滞回阻尼 (Hysteretic Damping)
? 模拟岩土介质的动模量衰减曲线
? initial damp hysteretic name
? sig3 (三参数 )
? sig4 (四参数 )
? Hardin
? (哈丁模型 )
? default
? 计算速度快
? 推荐
GeoHohai 54/74
地震波的调整
? 基线校正
?对于地震分析的加速度时程，其积分得到的速度和位
移应归 0
?美国地质调查研究所
? Basic Strong-Motion Accelerogram Processing
Software (BAP)
?对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为 0
GeoHohai 55/74
地震波的调整
? 动力荷载的频率与单元尺寸的双向调整
?高频的输入要求单元尺寸很小
?一定的单元尺寸对应输入的最大频率
?一般进行滤波处理
? 滤掉低能量的高频
? FFT.FIS
? Origin
GeoHohai 56/74
地震波的调整
0 5 10 15 20 25 30
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
100
200
300
400
a
cc
(cm/
s
2
)
t (s)
EI ce n t u o
0 5 10 15 20 25 30
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
100
200
300
400
a
cc
(cm/
s
2
)
t (s)
2 0 H z L o w Pa ss F i l t e r o n EI _ B
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
EI ce n t u o
F re q u e n cy (H z )
Amp
li
tu
d
e
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
2 0 H z L o w p a ss EI
F re q u e n cy (H z )
Amp
li
tu
d
e
El-Centro波
FFT
修正后的时程
修正后 FFT
5Hz
GeoHohai 57/74
动孔压的生成 ——液化
? 干沙剪应变循环加载试验
?初始加载阶段，沙土通常先压实再膨胀。卸载时，沙
土遵循与加载相似的路径，但在零应变时，有些残余
体积应变存在。取决于初始孔隙率，这可能代表纯粹
的压实
? 假定孔隙中充满水
?对于常体积测试，有效应力降低，孔隙水压保持不变
?对于常荷载测试,(例如，盒子上法向荷载固定 )，孔
隙水压增加，有效应力减小
? 有效应力为零时发生液化
GeoHohai 58/74
动孔压的生成 ——液化
? 因此孔隙水压增加不是液化的基本原因
? 由于颗粒间 (重组以后 )的低接触力导致有效应力
的减小
? 描述液化的模型
?高级模型,BSHP (边界面低塑性本构模型,Wang et
al,1990)
?简单模型,MC + 体积应变增量模型
? Finn模型：
? Byrne模型：
GeoHohai 59/74
主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
GeoHohai 60/74
自定义本构模型的基本方法
? 必要性
?试验总结的本构模型
?特定条件下的本构模型
?交叉学科的本构模型
? 二次开发环境
? 自定义本构模型的功能
? 自定义本构模型的基本方法
GeoHohai 61/74
二次开发环境
? FLAC3D采用面向对象的语言标准 C++编写
? 本构模型都是以动态连接库文件 (.DLL文件 )的形
式提供
? VC++6.0(SP4)或更高版本的开发环境
? 优点
?自定义的本构模型和软件自带的本构模型的执行效率
处在同一个水平
?自定义本构模型 (.DLL文件 )适用于高版本的
FLAC(2D),3DEC,UDEC等其他 Itasca软件中
GeoHohai 62/74
自定义本构模型的功能
? 主要功能：对给出的应变增量得到新的应力
? 辅助功能：
? 模型名称、版本
? 读写操作
? 模型文件的编写
? 基类 (class Constitutive Model)的描述
? 成员函数的描述
? 模型的注册
? 模型与 FLAC3D之间的信息交换
? 模型状态指示器的描述
GeoHohai 63/74
自定义本构模型的基本方法
? 头文件 (usermodel.h)中进行新的本构模型派生类
的声明
? 修改模型的 ID(>100)、名称和版本
? 修改派生类的私有成员
? C++文件 (usermodel.cpp)中修改模型结构
? (UserModel::UserModel(bool bRegister),
ConstitutiveModel)
? const char **UserModel::Properties()函数
? 模型的参数名称字符串
? const char **UserModel::States()函数
? 计算过程中的状态指示器
GeoHohai 64/74
自定义本构模型的基本方法
? double UserModel::GetProperty()和 void UserModel:,
SetProperty()函数
? const char * UserModel::Initialize()函数
? 参数和状态指示器的初始化，并对派生类声明中定义的私
有变量进行赋值
? const char * UserModel::Run() 函数
? 由应变增量计算得到应力增量，从而获得新的应力
? const char * UserModel::SaveRestore()函数
? 对计算结果进行保存。
? 程序的调试
? 在 VC++的工程设置中将 FLAC3D软件中的 EXE文件路径加
入到程序的调试范围中，并将 FLAC3D自带的 DLL文件加入
到附加动态链接库 (Additional DLLs)中，然后在 Initialize()
或 Run()函数中设置断点，进行调试；
? 在程序文件中加入 return()语句，这样可以将希望得到的变
量值以错误提示的形式在 FLAC3D窗口中得到。
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一个例子 (Duncan-Chang)
0 1 2 3 4 5 6
0
5 00
10 00
15 00
20 00
25 00
30 00
35 00
40 00
45 00
σ
3
=90 0kPa
σ
3
=6 00kPa
(
σ
1
-
σ
3
)/kPa
ε
a
（%）
σ
3
= 30 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 60 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 90 0k P a by F LA C3 D
σ
3
= 30 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 60 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 90 0k P a by D un ca n -C ha ng
σ
3
= 300kP a
0 1 2 3 4 5 6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
ε
a
（% ）
σ
3
=600kPa by FLAC3D
σ
3
=900kPa by FLAC3D
σ
3
=600kPa by Duncan-Chang
σ
3
=900kPa by Duncan-Chang
(
σ
1
-
σ
3
)/kPa
ε
a
（%）
σ
3
=900kPa
σ
3
=600kPa
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主要内容
? FLAC3D软件简介
? FLAC3D的基本原理
? FLAC3D的前后处理
? 流 -固耦合分析
? 接触单元与应用
? 完全非线性的动力分析
? 自定义本构模型的基本方法
? 结构单元及应用
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FLAC3D中的结构单元
? 有限单元
? 梁 (beam)单元
? 锚索 (cable)单元
? 桩 (pile)单元
?锚杆, rockbolt on
? 壳 (shell)单元
? 格栅 (geogrid)单元
?土工织物；土工格栅
? 初衬 (liner)单元
beam cable
pile
shell
geogrid
liner
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Case-4结构的动力响应
config dyn
sel pile id=1 beg 0 0 0 end 0 0 1
sel pile prop dens 2400 &
Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3 &
XCJ 0.16375 XCIy 0.00625 XCIz 0.01575 &
Per 2.8 CS_sK 1.3e11 CS_nK 1.3e11&
CS_nGap off
sel node fix x y z xr yr zr ran id=1
sel set damp combined
def f1
whilestepping
f0=10000*sin(10*dytime)
np = nd_head
loop while np # null
if nd_pos(np,1,3)=1
nd_apply(np,1)=f0
endif
np = nd_next(np)
endloop
end
solve age 1
pile
10000*sin(10*t)
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Case-4结构的动力响应
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结构单元的应用
? 土与结构的相互作用
? 桩基；基坑；边坡锚固
? 地下硐室的支撑结构；采矿；盾构
? 土工织物；土工合成材料
? 结构不宜复杂
? 岩土工程软件，不宜单纯的结构分析
? 复杂结构的模拟很困难
? 结构单元仍不完善
? plot显示
? 双向接触结构 (挡土墙 )
? 结构单元的厚度
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FLAC3D的使用心得
??
? 很好的岩土工程 专业 软件
? 本构模型丰富
? 强大的动力分析功能
? 对内存的要求不高
? 可开发性好
? FISH
? C++
??
? 时步受网格尺寸的影响很大
? 长期动力计算的时间很长
? 长期渗流计算的时间很长
? 前处理功能需提高
? 结构单元仍需完善
? 手册说明仍需完善
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FLAC3D的学习经验
? Manuals for Details,(dynamax)
? 中间时步表现出一些不合实际的结果，需要足够
的专业和数学知识进行判断与解释。 (qinjianshe)
? 充分了解你写的每一条命令的含义。 (qinjianshe)
? 少量单元的数值试验帮助理解软件的功能
? 关键变量的参数化编程设计
? 参数 > 模型 > 方法 (软件 )
? 由简到繁，循序渐进
? --SimWe--仿真论坛 ? A17,FLAC3D/FLAC2D
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