工程地質(zhì)數(shù)值法學習心得

1、.工程地質(zhì)數(shù)值法班級：姓名：學號：指導老師 ：.下載可編輯 .某路基工程施工過程數(shù)值模擬本文首先對 FLAC3D軟件進行了介紹 ，簡明闡述了其特點 、應用范圍及不足 ，然后結(jié)合具體路堤工程 ，采用 FLAC3D軟件對施工過程進行了模擬 ，生成了初始豎向和水平應力云圖 、第一次填筑及填筑結(jié)束時的沉降云圖及水平位移云圖 ;最后生成了路基中心點和坡腳節(jié)點的沉降曲線 。關鍵詞：FLAC3D:數(shù)值模擬 ；應力云圖 ；沉降云圖 ；位移云圖1、 FLAC3D 的功能與特性自年首次將有限元引入土石壩的穩(wěn)定性分析以來，數(shù)值模擬技術在巖土工程領域獲得了巨大的進步，并成功解決了許多重大工程問題。特別是個人電腦的出現(xiàn)

2、及其計算性能的不斷提高，使得分析人員在室內(nèi)進行巖土工程數(shù)值模擬成為可能，也使得數(shù)值模擬技術逐漸成為巖土工程研究和設計的主流方法之一。數(shù)值模擬技術的優(yōu)勢在于有效延伸和擴展了分析人員的認知范圍 ，為分析人員洞悉巖體 、土體內(nèi)部的破壞機理提供了強有力的可視化手段。FLAC系列軟件的出現(xiàn) ，為巖土工程研究工作者提供了一款功能強大的數(shù)值模擬工具 。1.1 FLAC3D 主要特點.下載可編輯 .FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由 Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學分析 ，是該公司旗下最知名的軟件系統(tǒng)之一，F(xiàn)LAC目前已在全球七十多個國家得到廣泛應用

3、，在國際土木工程（尤其是巖土工程 ）學術界和工業(yè)界享有盛譽 。FLAC3D界面簡潔明了 ，特點鮮明 。其使用特征主要表現(xiàn)為 ：命令驅(qū)動模式 、專一性、開放性 。作為有限差分軟件 ，相對于其他有限元軟件 ，在算法上 ， FLAC3D有以下幾個優(yōu)點 ：采用 “混合離散法 ”來模擬材料的塑性破壞和塑性流動 ，比有限元中通常采用的 “離散集成法 ”更準確 、合理；即使模擬靜態(tài)系統(tǒng) ，也采用動態(tài)運動方程進行求解，這使得 FLAC3D模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙；采用顯示差分法求解微分方程 。采用 FLAC3D進行數(shù)值模擬時 ，必須指定有限差分網(wǎng)格 、本構(gòu)關系和材料特性 、邊界和初始條件 ，這

4、是FLAC3D求解的一般流程 。1.2 FLAC3D 的應用范圍FLAC3D的應用范圍已拓展到土木建筑 、交通、水利、地質(zhì)、核廢料處理 、石油及環(huán)境工程等領域 ，成為這些專業(yè)領域進行分析和設計不可或缺的工具 。其研究范圍主要集中在以下幾個方面 ：巖體、土體的漸進破壞和崩塌現(xiàn)象的研究；巖體中斷層結(jié)構(gòu)的影響和加固系統(tǒng) （如噴錨支護 、噴射混凝土等）的模擬研究 ；巖體、土體材料固結(jié)過程的模擬研究 ；巖體、土體材料流變現(xiàn)象的研究 ；高放射性廢料的地下存儲效果的研究分析 ；巖體、土體材料的變形局部化剪切帶的演化模擬研究；巖體、土體的動力穩(wěn)定性分析 、土與結(jié)構(gòu)的相互作用分析以及液化現(xiàn)象的研究等 。.下載可

5、編輯 .1.3 FLAC3D 的不足毋庸置疑 ，F(xiàn)LAC3D是十分優(yōu)秀的巖土工程數(shù)值模擬軟件 ，其實用性和專業(yè)性得到了廣泛證實 。但FLAC3D也存在著諸多不足 ，主要集中在以下幾個方面 ：求解時間受網(wǎng)格尺寸影響很大；某些模式下的計算求解時間很長：前處理功能較弱 。FLAC3D對于復雜三維模型的建立仍然十分困難。2、某路基工程施工過程模擬2.1 工程概況該路基工程地基計算深度為 50m ，分為兩層 ，上部為回填土 ，厚度 10m ，下部為粘土 ，厚度 40m: 路基計算寬度為 200m ，填筑高度為 5m ，坡度為 1：1.5。各土層物理 、力學參數(shù)見表 1。.下載可編輯 .2.2 模型建立由

6、于幾何模型具有對稱性 ，可以采用 1/2 模型進行分析 。首先建立坐標系 ，坐標系的原點 O設置在地基表面與模型對稱軸的交點 ，水平向右為 X方向，豎直向上為 Z方向，垂直于分析平面的方向為 Y方向。網(wǎng)格的建立按照分區(qū)域建模的思路進行 ，如圖 2所示 。由于路基坡腳的位置存在一個關鍵點 ，所以將模型劃分成 5個矩形區(qū)域 ，對每個區(qū)域按照控制點利用 brick 單元建立網(wǎng)格 ，并進行分組后賦值 。考慮到網(wǎng)格尺寸的一致性 ，Y方向只設置一個單元 ，該方向單元尺寸為5m 。.下載可編輯 .網(wǎng)格建立以后 ，首先設置邊界條件 。對底部邊界節(jié)點的 X、Y、Z三個方向的速度進行約束 ，相當于固定支座 ，對

7、X兩側(cè)的邊界進行水平速度約束 。由于 Y方向只設置一個單元長度 ，所以對模型中所有節(jié)點的 Y方向速度均進行約束 ，相當于進行平面應變分析 。2.3 初始應力計算在路基施工前 ，需要將路基部分網(wǎng)格賦值為空模型 ，而將地基部分的網(wǎng)格賦值為 Mohr 模型 。由于實例中存在 null 模型，不能采用 solve elastic 的求解方法獲得初始應力 ，所以采用分階段的彈塑性求解方法 。 先將 Mohr 模型的凝聚力 c值和抗拉強度 t賦值為無窮大進行求解，保證在重力作用下單元不至于發(fā)生屈服 ，然后再將 Mohr 模型參數(shù)賦值為真實值 ，再進行求解 。圖 3和圖 4為初始應力計算結(jié)束時得到的豎向應力

8、和水平應力云圖，可以發(fā)現(xiàn)最大豎向應力值為 85.3kPa ，最大水平應力值為.下載可編輯 .42.0kPa，靜止側(cè)壓力系數(shù)約為 0.5，與理論計算值基本一致。2.4 施工過程模擬在進行路基施工模擬前要將初始應力計算過程中產(chǎn)生的節(jié)點位移和速度進行清零處理。因本工程路基高度為 5m ，高度方向共劃分了5個單元，為了模擬路基填筑的施工過程 ，采用分級加載的方法激活路基單元 ，每次激活 1m 高度的單元 ，相當于每次填土高度為 1m ，分5次填筑完成 ，每次填土進行一次求解 。.下載可編輯 .圖5和圈 6分別為第一次填筑結(jié)束時的沉降云圖和水平位移云圖，圖7和圖 8分別為填筑結(jié)束時的沉降云圖和水平位移云

9、圖，可以發(fā)現(xiàn)最大沉降發(fā)生在地基表面的左側(cè)邊界處 ，而最大水平位移發(fā)生在坡腳以下的深部地基中 。.下載可編輯 .圖 9給出了計算過程中不平衡力的收斂過程 ，在初始應力計算過程中有很大的數(shù)值逐漸收斂 ，在后續(xù)路基填筑過程中 ，每一次填筑引起的不平衡力在計算過程中逐漸收斂 。 路基填筑計算過程中監(jiān)測了路基中心點和路基坡腳處節(jié)點的沉降和水平位移 。圖 10為監(jiān)測結(jié)果，可以看出在迭代過程中節(jié)點位移隨迭代步數(shù)的變化 。2.5 繪制沉降曲線在工程應用中常常需要得到某些關鍵點的沉降曲線 ，本工程中主要關心的是路基中心節(jié)點和坡腳節(jié)點的變形結(jié)果 。利用 FLAC3D中自帶的 print 命令配合 log 文件可以

10、得到這兩個節(jié)點的變形量 。用記事本打開相應的 log 文件，拷出沉降數(shù)據(jù) ，就可在 Excel中生成沉降曲線，如圖 11所示 。.下載可編輯 .3、結(jié)論本文結(jié)合具體路堤工程，采用 FLAC3D軟件對施工過程進行了模擬，生成了初始豎向和水平應力云圖，得出最大豎向應力值為85.3kPa，最大水平應力值為 42.0kPa，靜止側(cè)壓力系數(shù)約為 0.5，與理論計算值基本一致 ；第一次填筑及填筑結(jié)束時的沉降云圖及水平位移云圖 ，可以發(fā)現(xiàn)最大沉降發(fā)生在地基表面的左側(cè)邊界處 ，而最大水平位移發(fā)生在坡腳以下的深部地基中 ；最后生成了路基中心點和坡腳節(jié)點的沉降曲線 。參考文獻【1】龔紀文 ，席先武 ，王岳軍等 .應力與變形的數(shù)值模型方法一數(shù)值模擬軟件 FLAC介紹 J.華東地質(zhì)學院學報 ，2002 ，25(3):220-227.【2】寇曉東，周維垣，楊若瓊 .FLAC3D進行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定性分析J.巖石力學與工程