GeoHohai
FLAC3D在岩土工程中的应用陈育民，左威龙导师：刘汉龙 教授河海大学岩土工程研究所
ymch@hhu.edu.cn
2007-4-16
东南大学交通学院岩土工程研究所
GeoHohai2 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai3 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai4 / 77
软件介绍
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 → 3.1
Itasca其他软件
GeoHohai5 / 77
软件介绍应用
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,交通工程,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
动力 分析功能 —— 地震工程
衬砌功能 —— 地下工程
可开发功能
FISH
VC++
GeoHohai6 / 77
丰富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
GeoHohai7 / 77
软件介绍有限差分法 (FDM)
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的新进展时间步与时间
时间步的设置须满足数值求解的稳定
Special Option中有特定的时间步要求
动力、渗流、流变、温度中是 真实时间
GeoHohai8 / 77
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跟踪
节点和单元随材料移动
边界和接触面与单元的边缘一致
积分点随材料移动
本构方程在相同的材料点赋值固体力学大变形理论法国数学家、物理学家 Lagrangian
复杂的边界 条件精确描述材料 的发展
GeoHohai9 / 77
大应变与小应变
SET small
默认为小应变模式
不更新节点坐标
不进行应力旋转修正
SET large
大位移，大位移梯度，大转角岩土工程中的大变形问题
软土的固结变形
土体的开挖
软岩巷道
地下硐室
GeoHohai10 / 77
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：
+ )/2=(
GeoHohai11 / 77
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
GeoHohai12 / 77
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
GeoHohai13 / 77
例 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
GeoHohai14 / 77
例 1：自由落体的模拟 (movie)
GeoHohai15 / 77
不平衡力平衡状态
F≈0
最大不平衡力
有所有单元确定
SET mech force
最大不平衡力比
与内力的比值
SET mech ratio
工程、计算中间阶段 10-4
论文、最终结果 10-5
F ≈ 0
v≈0
v≠0
收敛、平衡不收敛、塑性流动
GeoHohai16 / 77
BLOCK state
*-n与 *-p
-n：此时刻进入屈服状态
-p：曾经进入屈服状态，现已退出
程序预留了多个状态空间供用户定义
液化的判断
温度破坏的判断
PLOT block state *-n
活动塑性区贯通
结合速度结果
计算模型边界选取的影响
GeoHohai17 / 77
分析问题的过程建立网格初始条件边界条件初始应力平衡外荷载求解前处理后处理
GeoHohai18 / 77
例 2：一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格 (前处理 )
model elas ;材料参数
prop bulk 3e6 shear 1e6
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
plo con zd ;后处理切片功能
RUN FLAC3D
GeoHohai19 / 77
FLAC3D3.1的新特征
64-bit Version (64位计算 )
Parallel Processing on Multiprocessor Computers (并行算法 )
Two-Dimensional Grid Extrusion Tool
Nodal Mixed Discretization (节点混合离散方法 )
Embedded Structural Liner (内置衬砌单元 )
挡土墙的模拟
On-board Help File (内置的帮助系统 )
GeoHohai20 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai21 / 77
完全非线性的动力分析与等效线性方法的比较动力荷载动力边界条件力学阻尼与滞回阻尼地震波的调整动孔压的生成
GeoHohai22 / 77
FLAC与等效线性方法等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法动本构模型
等效线性模型
剪切模量的降级曲线
阻尼比随剪应变的变化
FLAC
常规模型 (MC)
多种频率成分的干涉和混合永久变形计算弹塑性计算
GeoHohai23 / 77
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
GeoHohai24 / 77
Quiet边界静态 (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性能
对于法向 p波和 s波能很好的吸收
对于倾斜入射的波和 Rayleigh波也有所吸收，但存在反射
人工边界仍应当足够远
GeoHohai25 / 77
Quiet边界应用内部振动 (如隧道中的列车振动问题 )?
动力荷载直接施加在节点上
使用 Quiet边界减小人工边界上的反射
不需要 FF边界外部荷载的底部边界?
软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件
使用应力条件?= -2Cs?vs
地震底部输入的侧向边界?
扭曲了入射波
quiet quiet
quiet
GeoHohai26 / 77
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之前自由场边界示意图
GeoHohai27 / 77
Free-field边界
APPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移 ff
单元上；
设置以后主体网格上的改动将不会被 FF边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合 (仅竖向 )
FF边界进行小变形计算，主体网格可大变形,FF边界上的变形要相对较小存在 attach的边界将不能设置 FF边界边界上的 Interface将不能连续动力边界设置需在 FF边界设置之前
GeoHohai28 / 77
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 (等价平均应变 =60%*emax)
中心频率 (共振计算，地震平均频率 )
临界阻尼比
缺点：计算速度慢局部 (local)阻尼
FLAC3D的静力分析阻尼
参数简单
适合简单情况
GeoHohai29 / 77
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 (3参数 )
sig4 (4参数 )
Hardin(1参数 )
(哈丁模型 )
Default（ 2参数 )
优点
直接采用模量降级曲线
阻尼比不会影响时间步缺点
输出的曲线会不一致
GeoHohai30 / 77
滞回阻尼 (Hysteretic Damping)
低循环应变下得到的阻尼比要小于试验结果，这会导致低级的噪声，尤其在高频情况下。可以在中心频率上增加一个小量的 Rayleigh阻尼
(~0.2%刚度比例 )，这样也不会降低时步；
若初始应力不为 0，剪应力 -剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始应力时就要调用 Hyst阻尼；
Hyst阻尼不仅会增加能量损失，还会导致在大循环应变下的平均剪切模量的降低，在输入波的基频接近共振频率的时候，可能会导致动力反应幅值的增大；
Hyst阻尼之前要做一次弹性无阻尼求解，以获得发生循环应变的最大水平，若循环应变过大导致剪切模量过多的降低，那么用 Hyst阻尼是有问题的；
即使应变较小，使用屈服模型也会增大应变，因此若有广泛屈服的现象，
则使用屈服模型，不用 Hyst阻尼参考了 Itasca的中国培训资料?
GeoHohai31 / 77
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
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
SeismoSignal
GeoHohai32 / 77
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
t
u
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
GeoHohai33 / 77
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
GeoHohai34 / 77
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：
GeoHohai35 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai36 / 77
Interface单元简介用途
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,
原理
三角形单元 (无厚度 !)
8参数
三种工作模式
粘结界面
粘接滑移
库伦滑动
GeoHohai37 / 77
Interface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
NO merge,NO attach!!!
接触面dist
1 2
3 4
GeoHohai38 / 77
Interface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
GeoHohai39 / 77
Interface的建立 (2)
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
GeoHohai40 / 77
Interface的建立 (3)
GEN separate
INTERFACE wrap
指定正确的 group
GeoHohai41 / 77
Interface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
GeoHohai42 / 77
例 3：单桩承载力分析软土地基
bulk 1.6878E6
shear 3.6167E5
coh 15E3
fric 12
dens 1.73E3
桩体
bulk 5e9
shear 3.75e9
dens 2.5e3
0.5m
8m
10m
20m
GeoHohai43 / 77
计算过程施加桩顶荷载计算结果
GeoHohai44 / 77
影响因素水平因素 kn ks fric coh
1 100e 100e 20 3.00E+04
2 10k 10g 0.7fric coh/0.7
3 k g fric 7.50E+03
GeoHohai45 / 77
计算工况设计水平因素工况
kn ks fric coh
(1) 1 1 1 1
(2) 1 2 2 2
(3) 1 3 3 3
(4) 2 1 2 3
(5) 2 2 3 1
(6) 2 3 1 2
(7) 3 1 3 2
(8) 3 2 1 3
(9) 3 3 2 1
GeoHohai46 / 77
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 500 1000 1500 2000
kN
cm 3 6 9
计算结果
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
0 200 400 600 800 1000
kN
cm 1 4 7
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0 200 400 600 800 1000
kN
cm
2 5 8
Ks取 1 Ks取 2
Ks取 3
水平因素 kn ks fric coh Ra差异度
(1) 1 1 1 1 37.8%
(2) 1 2 2 2 42.9%
(3) 1 3 3 3 96.9%
(4) 2 1 2 3 37.8%
(5) 2 2 3 1 7.1%
(6) 2 3 1 2 96.9%
(7) 3 1 3 2 54.1%
(8) 3 2 1 3 22.4%
(9) 3 3 2 1 96.9%
GeoHohai47 / 77
最优方案
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 200 400 600 800
kN
cm 5 10 11
水平因素 kn ks fric coh
k1 59.2% 43.2% 52.4% 47.3%
k2 47.3% 24.1% 59.2% 64.6%
k3 57.8% 96.9% 52.7% 52.4%
极差 11.9% 72.8% 6.8% 17.3%
最优方案 2 2 1 1
10 2 2 1 1
11 2 2 2 2
GeoHohai48 / 77
合理步骤单桩分析简单网格接触面参数多次试算理论、实测加密网格接触参数理想结果群桩分析
Pile结构单元单元参数理想结果
Pile结构单元单元参数理想结果
GeoHohai49 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai50 / 77
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
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
GeoHohai51 / 77
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
GeoHohai52 / 77
Liner结构单元三节点扁平有限单元每个节点有 6个自由度
3个移动,3个旋转能够抵抗膜及弯矩荷载能够承受主方向的拉压应力能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用法向切向
GeoHohai53 / 77
例 4：隧道与土体的相互作用半圆隧道直径 3.25m
上覆土层厚度 5m
计算范围 3r
土体弹性计算
(K=30MPa,G=10MPa)
参数化编程
几何尺寸
模型参数
网格形状
ht
hb
r
B
GeoHohai54 / 77
计算步骤模型网格 初始应力生成施加管片计算结果
GeoHohai55 / 77
管片的连接冷连接
弯矩和剪力不能直接在环与环间传递，只能通过其相邻的介质传递全连接
相邻的 Liner单元在连接处共用一个节点，连接处重叠单元不能发生移动或旋转结点连接
即结点间的连接在 6个方向的自由度上用 弹簧 来模拟，
每个自由度都可具有一定的特性通缝拼接错缝拼接
GeoHohai56 / 77
连接方式的影响变形结果
zr属性更改 6属性更改注：变形放大 200倍
GeoHohai57 / 77
例 5：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)
GeoHohai58 / 77
例 5：结构的动力响应
GeoHohai59 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai60 / 77
FLAC3D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
GeoHohai61 / 77
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
GeoHohai62 / 77
地下水模拟方法有效应力计算
不耦合
孔压为了正确计算有效应力渗流计算已得到孔压分布
饱和
有水面线的部分饱和力学变形产生孔压
静力或者动力
不排水孔压或液化流固耦合计算模式
时间比例
GeoHohai63 / 77
有效应力计算不设置 CONFIG Fluid
孔压不改变设置孔压分布
INITIAL pp
WATER table
WATER density
WATER table face
SET gravity
手动设置 干湿密度设置 CONFIG fluid
设置土体 干密度渗流模型
MODEL fl_isotropic
MODEL fl_anisotropic
MODEL fl_null
SET fluid off
set WATER bulk = 0
无渗流模式 渗流模式
GeoHohai64 / 77
不耦合计算
CONFIG fluid
SET mech off
正确的渗透系数得到孔压分布和水面线稳态渗流可以减小 Kf
CONFIG fluid
SET fluid off
正确的流体模量 Kf
不需要渗透系数单渗流模式 单力学模式
GeoHohai65 / 77
流固耦合计算
CONFIG fluid
SET fluid on
真实的流体模量 Kf和渗透系数耦合方式
Dp?Dev?D?
Dev?Dp
计算模式
手动调整的 STEP求解
主从进程的 SOLVE求解
自动 STEP求解
GeoHohai66 / 77
流固耦合的计算方法手动调整的 STEP求解
–SET fluid on mech off
–STEP
–SET fluid off mech on
–STEP
主从进程的 SOLVE求解
–SET mech force
–SET mech substep n auto (从进程 )
–SET mech substep m (主进程 )
–SOLVE age
自动 STEP求解
–STEP
GeoHohai67 / 77
渗流问题 (CONFIG fluid)分析步骤时间比例 (ts,tc)
稳态
不排水状态
相当扰动类型
力学扰动
孔压扰动流固刚度比 Rk
是否 >>>1
完全耦合模式
时间比例相当；力学扰动
GeoHohai68 / 77
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。
GeoHohai69 / 77
例 6,真空预压的模拟孔压边界条件
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
V a cu u m,txt
Data file,
GeoHohai70 / 77
例 6,真空预压的模拟 (movie)
GeoHohai71 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai72 / 77
FLAC / 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
手册说明仍需完善
GeoHohai73 / 77
FLAC3D的学习经验
Manuals for Details,(dynamax)
But manual is not enough.
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
GeoHohai74 / 77
FLAC3D的学习方法看 Manual
Getting Started 基本了解
Problem Solving with FLAC3D 基本使用
Special Option 可选模块
FISH 高级应用静力计算是一切高级功能的基础
大多计算中问题都来源于初始应力设置不正确
静力?渗流?动力 (流变、温度 )
不要迷信 Manual中的例子
仅为某个特定功能而设定
全面了解手册内容
GeoHohai75 / 77
FLAC3D的应用经验得到正确、合理的初始应力状态
从 gpfix,fap,prop,szz,pp,state等各方面检查模型
具备一定的理论基础和工程经验少量网格的试算
大大减少计算时间
量级 >> 精度学会解释计算结果
不要,想当然,
理论是计算的基础学会处理错误
积累常见错误提示的处理方法
灵活运用模型检查的命令
GeoHohai76 / 77
参考文献及资料
FLAC3D Manual
FLAC3D Training in Dalian,2006
D,Billaux et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics –2001.
P,Andrienux et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics –
2003.
R,Hart et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics – 2006.
秦建设,盾构施工开挖面变形与破坏机理研究 [D],河海大学,2005
刘波，韩彦辉,FLAC原理、实例与应用指南
SimWe仿真论坛? D01,FLAC3D/FLAC2D
GeoHohai
谢谢大家 !
敬请大家批评指正 !
FLAC3D在岩土工程中的应用陈育民，左威龙导师：刘汉龙 教授河海大学岩土工程研究所
ymch@hhu.edu.cn
2007-4-16
东南大学交通学院岩土工程研究所
GeoHohai2 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai3 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai4 / 77
软件介绍
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 → 3.1
Itasca其他软件
GeoHohai5 / 77
软件介绍应用
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,交通工程,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
动力 分析功能 —— 地震工程
衬砌功能 —— 地下工程
可开发功能
FISH
VC++
GeoHohai6 / 77
丰富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
GeoHohai7 / 77
软件介绍有限差分法 (FDM)
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的新进展时间步与时间
时间步的设置须满足数值求解的稳定
Special Option中有特定的时间步要求
动力、渗流、流变、温度中是 真实时间
GeoHohai8 / 77
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跟踪
节点和单元随材料移动
边界和接触面与单元的边缘一致
积分点随材料移动
本构方程在相同的材料点赋值固体力学大变形理论法国数学家、物理学家 Lagrangian
复杂的边界 条件精确描述材料 的发展
GeoHohai9 / 77
大应变与小应变
SET small
默认为小应变模式
不更新节点坐标
不进行应力旋转修正
SET large
大位移，大位移梯度，大转角岩土工程中的大变形问题
软土的固结变形
土体的开挖
软岩巷道
地下硐室
GeoHohai10 / 77
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：
+ )/2=(
GeoHohai11 / 77
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
GeoHohai12 / 77
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
GeoHohai13 / 77
例 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
GeoHohai14 / 77
例 1：自由落体的模拟 (movie)
GeoHohai15 / 77
不平衡力平衡状态
F≈0
最大不平衡力
有所有单元确定
SET mech force
最大不平衡力比
与内力的比值
SET mech ratio
工程、计算中间阶段 10-4
论文、最终结果 10-5
F ≈ 0
v≈0
v≠0
收敛、平衡不收敛、塑性流动
GeoHohai16 / 77
BLOCK state
*-n与 *-p
-n：此时刻进入屈服状态
-p：曾经进入屈服状态，现已退出
程序预留了多个状态空间供用户定义
液化的判断
温度破坏的判断
PLOT block state *-n
活动塑性区贯通
结合速度结果
计算模型边界选取的影响
GeoHohai17 / 77
分析问题的过程建立网格初始条件边界条件初始应力平衡外荷载求解前处理后处理
GeoHohai18 / 77
例 2：一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格 (前处理 )
model elas ;材料参数
prop bulk 3e6 shear 1e6
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
plo con zd ;后处理切片功能
RUN FLAC3D
GeoHohai19 / 77
FLAC3D3.1的新特征
64-bit Version (64位计算 )
Parallel Processing on Multiprocessor Computers (并行算法 )
Two-Dimensional Grid Extrusion Tool
Nodal Mixed Discretization (节点混合离散方法 )
Embedded Structural Liner (内置衬砌单元 )
挡土墙的模拟
On-board Help File (内置的帮助系统 )
GeoHohai20 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai21 / 77
完全非线性的动力分析与等效线性方法的比较动力荷载动力边界条件力学阻尼与滞回阻尼地震波的调整动孔压的生成
GeoHohai22 / 77
FLAC与等效线性方法等效线性方法是岩土地震工程中的常用方法动本构模型
等效线性模型
剪切模量的降级曲线
阻尼比随剪应变的变化
FLAC
常规模型 (MC)
多种频率成分的干涉和混合永久变形计算弹塑性计算
GeoHohai23 / 77
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
GeoHohai24 / 77
Quiet边界静态 (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性能
对于法向 p波和 s波能很好的吸收
对于倾斜入射的波和 Rayleigh波也有所吸收，但存在反射
人工边界仍应当足够远
GeoHohai25 / 77
Quiet边界应用内部振动 (如隧道中的列车振动问题 )?
动力荷载直接施加在节点上
使用 Quiet边界减小人工边界上的反射
不需要 FF边界外部荷载的底部边界?
软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件
使用应力条件?= -2Cs?vs
地震底部输入的侧向边界?
扭曲了入射波
quiet quiet
quiet
GeoHohai26 / 77
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之前自由场边界示意图
GeoHohai27 / 77
Free-field边界
APPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移 ff
单元上；
设置以后主体网格上的改动将不会被 FF边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合 (仅竖向 )
FF边界进行小变形计算，主体网格可大变形,FF边界上的变形要相对较小存在 attach的边界将不能设置 FF边界边界上的 Interface将不能连续动力边界设置需在 FF边界设置之前
GeoHohai28 / 77
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 (等价平均应变 =60%*emax)
中心频率 (共振计算，地震平均频率 )
临界阻尼比
缺点：计算速度慢局部 (local)阻尼
FLAC3D的静力分析阻尼
参数简单
适合简单情况
GeoHohai29 / 77
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 (3参数 )
sig4 (4参数 )
Hardin(1参数 )
(哈丁模型 )
Default（ 2参数 )
优点
直接采用模量降级曲线
阻尼比不会影响时间步缺点
输出的曲线会不一致
GeoHohai30 / 77
滞回阻尼 (Hysteretic Damping)
低循环应变下得到的阻尼比要小于试验结果，这会导致低级的噪声，尤其在高频情况下。可以在中心频率上增加一个小量的 Rayleigh阻尼
(~0.2%刚度比例 )，这样也不会降低时步；
若初始应力不为 0，剪应力 -剪应变曲线可能不匹配。因此在生成初始应力时就要调用 Hyst阻尼；
Hyst阻尼不仅会增加能量损失，还会导致在大循环应变下的平均剪切模量的降低，在输入波的基频接近共振频率的时候，可能会导致动力反应幅值的增大；
Hyst阻尼之前要做一次弹性无阻尼求解，以获得发生循环应变的最大水平，若循环应变过大导致剪切模量过多的降低，那么用 Hyst阻尼是有问题的；
即使应变较小，使用屈服模型也会增大应变，因此若有广泛屈服的现象，
则使用屈服模型，不用 Hyst阻尼参考了 Itasca的中国培训资料?
GeoHohai31 / 77
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
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
SeismoSignal
GeoHohai32 / 77
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
t
u
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
GeoHohai33 / 77
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
GeoHohai34 / 77
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：
GeoHohai35 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai36 / 77
Interface单元简介用途
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,
原理
三角形单元 (无厚度 !)
8参数
三种工作模式
粘结界面
粘接滑移
库伦滑动
GeoHohai37 / 77
Interface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
NO merge,NO attach!!!
接触面dist
1 2
3 4
GeoHohai38 / 77
Interface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
GeoHohai39 / 77
Interface的建立 (2)
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
GeoHohai40 / 77
Interface的建立 (3)
GEN separate
INTERFACE wrap
指定正确的 group
GeoHohai41 / 77
Interface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
GeoHohai42 / 77
例 3：单桩承载力分析软土地基
bulk 1.6878E6
shear 3.6167E5
coh 15E3
fric 12
dens 1.73E3
桩体
bulk 5e9
shear 3.75e9
dens 2.5e3
0.5m
8m
10m
20m
GeoHohai43 / 77
计算过程施加桩顶荷载计算结果
GeoHohai44 / 77
影响因素水平因素 kn ks fric coh
1 100e 100e 20 3.00E+04
2 10k 10g 0.7fric coh/0.7
3 k g fric 7.50E+03
GeoHohai45 / 77
计算工况设计水平因素工况
kn ks fric coh
(1) 1 1 1 1
(2) 1 2 2 2
(3) 1 3 3 3
(4) 2 1 2 3
(5) 2 2 3 1
(6) 2 3 1 2
(7) 3 1 3 2
(8) 3 2 1 3
(9) 3 3 2 1
GeoHohai46 / 77
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 500 1000 1500 2000
kN
cm 3 6 9
计算结果
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
0 200 400 600 800 1000
kN
cm 1 4 7
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0 200 400 600 800 1000
kN
cm
2 5 8
Ks取 1 Ks取 2
Ks取 3
水平因素 kn ks fric coh Ra差异度
(1) 1 1 1 1 37.8%
(2) 1 2 2 2 42.9%
(3) 1 3 3 3 96.9%
(4) 2 1 2 3 37.8%
(5) 2 2 3 1 7.1%
(6) 2 3 1 2 96.9%
(7) 3 1 3 2 54.1%
(8) 3 2 1 3 22.4%
(9) 3 3 2 1 96.9%
GeoHohai47 / 77
最优方案
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 200 400 600 800
kN
cm 5 10 11
水平因素 kn ks fric coh
k1 59.2% 43.2% 52.4% 47.3%
k2 47.3% 24.1% 59.2% 64.6%
k3 57.8% 96.9% 52.7% 52.4%
极差 11.9% 72.8% 6.8% 17.3%
最优方案 2 2 1 1
10 2 2 1 1
11 2 2 2 2
GeoHohai48 / 77
合理步骤单桩分析简单网格接触面参数多次试算理论、实测加密网格接触参数理想结果群桩分析
Pile结构单元单元参数理想结果
Pile结构单元单元参数理想结果
GeoHohai49 / 77
主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
GeoHohai50 / 77
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
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
GeoHohai51 / 77
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
GeoHohai52 / 77
Liner结构单元三节点扁平有限单元每个节点有 6个自由度
3个移动,3个旋转能够抵抗膜及弯矩荷载能够承受主方向的拉压应力能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用法向切向
GeoHohai53 / 77
例 4：隧道与土体的相互作用半圆隧道直径 3.25m
上覆土层厚度 5m
计算范围 3r
土体弹性计算
(K=30MPa,G=10MPa)
参数化编程
几何尺寸
模型参数
网格形状
ht
hb
r
B
GeoHohai54 / 77
计算步骤模型网格 初始应力生成施加管片计算结果
GeoHohai55 / 77
管片的连接冷连接
弯矩和剪力不能直接在环与环间传递，只能通过其相邻的介质传递全连接
相邻的 Liner单元在连接处共用一个节点，连接处重叠单元不能发生移动或旋转结点连接
即结点间的连接在 6个方向的自由度上用 弹簧 来模拟，
每个自由度都可具有一定的特性通缝拼接错缝拼接
GeoHohai56 / 77
连接方式的影响变形结果
zr属性更改 6属性更改注：变形放大 200倍
GeoHohai57 / 77
例 5：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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例 5：结构的动力响应
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主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
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FLAC3D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
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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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地下水模拟方法有效应力计算
不耦合
孔压为了正确计算有效应力渗流计算已得到孔压分布
饱和
有水面线的部分饱和力学变形产生孔压
静力或者动力
不排水孔压或液化流固耦合计算模式
时间比例
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有效应力计算不设置 CONFIG Fluid
孔压不改变设置孔压分布
INITIAL pp
WATER table
WATER density
WATER table face
SET gravity
手动设置 干湿密度设置 CONFIG fluid
设置土体 干密度渗流模型
MODEL fl_isotropic
MODEL fl_anisotropic
MODEL fl_null
SET fluid off
set WATER bulk = 0
无渗流模式 渗流模式
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不耦合计算
CONFIG fluid
SET mech off
正确的渗透系数得到孔压分布和水面线稳态渗流可以减小 Kf
CONFIG fluid
SET fluid off
正确的流体模量 Kf
不需要渗透系数单渗流模式 单力学模式
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流固耦合计算
CONFIG fluid
SET fluid on
真实的流体模量 Kf和渗透系数耦合方式
Dp?Dev?D?
Dev?Dp
计算模式
手动调整的 STEP求解
主从进程的 SOLVE求解
自动 STEP求解
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流固耦合的计算方法手动调整的 STEP求解
–SET fluid on mech off
–STEP
–SET fluid off mech on
–STEP
主从进程的 SOLVE求解
–SET mech force
–SET mech substep n auto (从进程 )
–SET mech substep m (主进程 )
–SOLVE age
自动 STEP求解
–STEP
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渗流问题 (CONFIG fluid)分析步骤时间比例 (ts,tc)
稳态
不排水状态
相当扰动类型
力学扰动
孔压扰动流固刚度比 Rk
是否 >>>1
完全耦合模式
时间比例相当；力学扰动
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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。
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例 6,真空预压的模拟孔压边界条件
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
V a cu u m,txt
Data file,
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例 6,真空预压的模拟 (movie)
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主要内容软件介绍动力分析
Dynamic Option
桩 -土相互作用分析
Interface
隧道分析
Structure Element
流固耦合分析
Fluid-Mechanical Interaction
学习方法及经验介绍
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FLAC / 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
手册说明仍需完善
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FLAC3D的学习经验
Manuals for Details,(dynamax)
But manual is not enough.
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
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FLAC3D的学习方法看 Manual
Getting Started 基本了解
Problem Solving with FLAC3D 基本使用
Special Option 可选模块
FISH 高级应用静力计算是一切高级功能的基础
大多计算中问题都来源于初始应力设置不正确
静力?渗流?动力 (流变、温度 )
不要迷信 Manual中的例子
仅为某个特定功能而设定
全面了解手册内容
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FLAC3D的应用经验得到正确、合理的初始应力状态
从 gpfix,fap,prop,szz,pp,state等各方面检查模型
具备一定的理论基础和工程经验少量网格的试算
大大减少计算时间
量级 >> 精度学会解释计算结果
不要,想当然,
理论是计算的基础学会处理错误
积累常见错误提示的处理方法
灵活运用模型检查的命令
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参考文献及资料
FLAC3D Manual
FLAC3D Training in Dalian,2006
D,Billaux et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics –2001.
P,Andrienux et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics –
2003.
R,Hart et al,FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics – 2006.
秦建设,盾构施工开挖面变形与破坏机理研究 [D],河海大学,2005
刘波，韩彦辉,FLAC原理、实例与应用指南
SimWe仿真论坛? D01,FLAC3D/FLAC2D
GeoHohai
谢谢大家 !
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