2FLAC建模的基本方法和程序

1、2 、flac建模的基本方法和程序2.1 flac程序建模方法通过建立数值计算模型求解不同的工程地质问题。下面给出flac程序了具 体的解题步骤以及应注意的相关问题。一. 根据实际工程规划计算模型，主要包括以下五个方面的内容:(1) 设计模型尺寸：计算模型范围的选取直接关系到计算结果的正确与否， 模型范围太大，白白耗费了计算机能源，模型范围太小，计算结果失真，不能给 实际工程指导性的意见，因此合理的选择计算模型的范围至关重要；(2) 规划计算网格数目和分布：计算模型的尺寸一旦确定，计算网格的数目 也相应确定，程序屮所能容纳的计算网格数口和计算机的cpu以及内存有重要 的关系，因此一台配置较好的

2、计算机是非常重要的。程序屮为了减少因网格划分 引起的误差，网格的长宽比应不人于5,对于重点研究区域可以进行网格加密处 理；(3) 安排工程对象(开挖、支护等)：对于需要开挖或者支护的工程，应在建模 过程中进行规划，调整网格结点，安排开挖以及支护的位置等；(4) 给出材料的力学参数：在建模时，应根据实际工程确定木构关系，给模 型赋以相应的力学参数，力学参数往往来源于现场或者试验；(5) 确定边界条件：模型的边界条件包括位移边界和力边界两种(包括模型内 部出适应力和位移)，在计算前应确定模型的边界状况。二、做好以上的规划准备后，须在计算机上建立模型，建模过程中具体操作步骤和常用的语句介绍如下:(1

3、) 网格生成：grid i,j模型开始建立时，首先应该给出模型在x方向上总的单元格数目i和模型在y方向上总的单元格数目j,例如: grid 30,20mod ej=（2）网格规划：gen x,y】x2,y2 x3,y3 x4,y4模型总的网格数fl给定后，需要对模型的整体区域进行圈定，因此也就指定 了模型的尺寸，（xi,yi）、（x2,y2）、（x3,y3）和（x4,y4）分别为区域从左下角起按顺时针 旋转的四点坐标，例如：3(x3,y3)2(x2,y2)4(x4,yjgrid 30 20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0图6-21模型网格规划示意图（3）分区规划网格：考

4、虑到实际工程中地质条件的影响以及施工过程中的需 要，程序中需对整体模型进行区块划分，命令如下：genxn,ynx|2,yi2xi3,yi3xi4,yi4i=l,n】j=l,mi（i 区）genxiii,yinxn2,yn2xn3,yii3xn4,yii4i=ni,n2j=l,mi（ii 区）其中（xmyii）、（xi2,yi2）、（xi3,yi3）和曲旳）为第i个区域从左下角起按顺时针旋转的 四点坐标，例如：grid 30 20mod egen0,00,1010,2010,0i=l,ll j=l,21（i、j 为区域沿 x、y 方向的结点号）gen10,010,2030,2030,0i二 11

5、,31 j=l,21=1iii=31,j=l图6-22模型分区网格图（4）特殊形状网格的形成：在实际工程屮涉及到地质状况非常复杂，仅仅掌 握这些规则区域形成的命令语句还是不够的，为了能形象地刻画出洞室、复杂的 矿体埋藏以及地表分布状况等，还需要用到以下特殊形状网格形成的语句。 圆形：gen circle xc,yc rad,其中（xc,yj为圆心坐标，rad为圆形半径， 例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen circle 15,10 5 （定义了以（15,10）为圆心，5为半径的圆形）图6-23圆形网格图 弧线：gen arc xc,yc x

6、b,yb theta,其中（xc,y为圆心坐标，其中（xb,yb） 为弧线起点坐标，theta为弧线按照逆时针旋转的角度，例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen arc 15,10 20,15 90 （定义了以（15,10）为圆心，（20,15）为弧线起点, 逆时针旋转90°的弧线）线段：gen line xhyix22,其屮（x,yi）和（x2$2）分别为线段的两个端点坐标，例如:grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen line 10,5 20,15(形成了端点分别为(10,5)、(20,

7、15)的线段)图6-25线段网格图任意形状：table n xhyi x2,y2xm,ym xhyigen table n其屮table n代表圈定的第n个区域，（xi,yj、（x2,y2）和（xm,ym）分别代表区域 典型点的位置，可以根据习惯逆时针圈定或者顺时针圈定，但是圈定区域必须为 闭合区域，也就是第一个坐标和最后一个坐标应该相同，gen table n则定义 了这个区域，例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0table 15,5 &1215,15 25,12 22,512,3 5,5gen table 1三. 模型建立以后，在计算前

8、需要赋给单元材料性质，下面介绍 常用的两种力学模型中需要赋值的参数。(1)弹性模型模型采用弹性本构关系进行计算时，单元材料只需要三个参数值，具体语句 如下：modeelastic (弹性)propden=? bulk=? shear=? 1=1132j= jlj2(i,j分别为沿模型x方向和y方向的单元号)其中:d材料的容重;bu材料的弹性模量，k =e(bu ikmodulus)；3(1-2”)sh材料的剪切模量，g =e(sh ear modulus)。2(1+")注意：在赋予材料力学性质时，应注意量纲的统一，表61给出了量纲之间的关 系。表6-1力学参数单位对应表siimper

9、iallengthmmmcmftindensitykg/m3103kg/m31o6kg/m3106g/cm3slugs/ft3sn ails/i n3forcenknmnmdynesibfibfstresspakpampabaribf/ft2psigravitym/sec°m/sec2m/seccm/s2ft/sec2in/sec2stiffnesspa/mkpa/mmpa/mbar/cmib,/ft3ib/in3*刚度指节理面的法向和剪切刚度。（2）mohr-coulumb 模型模型采用莫尔库伦本构关系进行计算时，单元材料需要六个参数值，语句 如下：mod m （弹塑性 mohr-

10、coulumb 准则）prop d=? bu=? sh=? c=? fri=? ten=? i=ii2 j=ji其中：d材料的容重；bu材料的弹性模量；sh材料的剪切模量；c材料的粘聚力；fri材料的内摩擦角；ten材料的抗拉强度。四、模型边界条件（1）位移边界（结点）通常由丁选取模型的范围比模拟对象的范围大，因此对模型无明显影响的边 界条件可以采用限制边界位移方法处理，具体语句如下：fix x i=ii,i2 j=jij2 邙艮制了 x方向上的位移）fix y i二i34 j=j3j4邙艮制了 y方向上的位移）例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0

11、gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=llfix x i=l（限制了模型左边界x方向上的位移）fix y戸1（限制了模型下边界y方向上的位移）fix x图627位移边界网格图（2）力边界条件（结点）有些模型建立以后，根据实际情况需要对模型施加外部载荷，也就是边界力, 具体语句如下：apply pressure=? j=ji（作用在边界上的机械压力） 或apply y仁？ i二i2 j二ji,j2（作用在边界网格点上的y方向的力分量） apply x仁？ i二i34 j=j3j4 （作用在边界网格点上的x方向的力分量） 或apply syy=? i=i“2 &g

12、t;ji,j2 （作用在边界上的总应力张量的yy分量值） apply sxx=? i二i34 j=j3j4 （作用在边界上的总应力张量的xx分量值）例如:grid 30,20 mod e gen 0,0 0,20 30,20 30,0 gen circle 15 jo 5 mod nu reg i=15 j=l 1apply y f=-10i=l,31j=21apply xf=-5i=31 j 二 1,21或(apply syy=-10 i= 1,31j=21)(apply sxx=-5 i=31 j=l,21)(2)grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0

13、gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=l 1apply pressure= 10 j=21apply pressure=5 i=31(1)、(2)输出结果的不同:(1)(2)yf=-10j=21jlctiii i五、初始应力场的形成地应力始终是工程地质界的研究重点，特别是在有构造应力的条件下，水平 地应力往往大于垂直地应力，应力环境对地质工程的受力状态起重要的作用,在 程序中正确的输入地应力成为不可缺少的一项，flac程序很好的解决了地应力 输入的问题，具体语句如下：inisxx=?varn】n2i=ii2j=jij2（初始化单元总应力xx方向的值）inisy

14、y=?varrrij m2i=i3,i4j=j3j4（初始化单元总应力yy方向的值）其中：sxxx方向地应力；syyy方向地应力；var ni n2地应力的变化量从m逐渐过渡到n2;i,j 单元。例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0gen circle 15,10 5mod nu reg i=15 j=l 1ini sxx=-10 i=l,30 j=l,20ini syy=-6.5i=l,30 j=l,20图6-29地应力场th开始计算程序在计算前，还应该设置以下参数：（1）根据实际情况施加重力加速度，施加重力加速度的语句如下：set grav 9

15、.81 （重力加速度的数值可根据实际情况进行选取）（2）假如程序中允许大变形发生，则使用下面语句：set large （值得注意的是采用大变形后，在计算过程中网格由于变形过大 易出问题）（3）根据实际工程设置程序计算的步数：step n （n为计算的步数）（4）将计算结果存盘，以便以后调用：save file.sav （file为存储的文件名）七、结果显示模型计算完成后，需要根据计算结果的应力场、破坏场以及位移场等对工程 进行评价和分析，主要用到以下语句：plotgrid：显示计算模型的网格；plotbo：显示模型的边界；plotplas：显示塑性区；plotsiglfill：业不最大主应力6

16、；plotsig2fill：业不最小主应力plotsd讦fill:显示主应力差（oo2）；plotstr：显示主应力矢量场；plotxdisfil：显示x方向位移；plotydisfil：显示y方向位移；)z x7 17 17 |7 |7 lz / )z 123456789 z(- 7(x z( z( z( z(x z( z( z(10) plot disp：显示位移矢量场。8、调用结果命令(1 )call test.txt(或ca test.dat)：调用名为test的数据段进行计算；(2) new：重新开始新的建模过程；(3) rest test.sav：调用已经存盘的名为test的结果；

17、(4) quit：退出程序,停止使用。2.2 flac程序解题技巧除了以上介绍的基本使用命令外，flac程序中还有许多其它的使用命令, 这里就不一一介绍了，下面主要介绍一些常用的解题技巧。1、关于开挖的模拟涉及到开挖模拟的工程以边坡、嗣室最为常见，开挖模拟的语句如下：mod nu i=il,i2 j=jl,j2 (开挖规则的形状)例如：grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0mod nu i 二20,30 j二 15,20图6-30开挖规则形状网格图或 mod nu region ij (一个单元)(一个封闭区内任一点的单元号被给定, 这个区域将被挖掉，主要

18、用于不规则形状的开挖)grid 30,20mod egen 0,0 0,20 30,20 30,0table 15,5 &1215,15 25,12 22,512,3 5,5gen table 1mod nu region i=15 j=10图631开挖不规则形状网格图2、关于锚杆支护的模拟图6-326-34给出了锚杆支护在程序模拟中的相关定义和解释。在工程应用 屮，锚杆有三种类型，即端锚、全长锚固和预应力锚固，这三种锚固方式在程序 屮的模拟方式不同，具体表述如下。图632锚杆单元结点位移定义图6-33锚杆材料力学特性图6-34理想的砂浆锚杆体系锚杆命令：structure 关键词st

19、ructure用于定义结构单元的几何形状、性质等条件。struct命令要 求说明结构单元的类型和形状以及它与flac网格的连接情况。定义结构单元的关键词有：(1)结构类型关梁一个梁单元系在关键词beam后用梁的几何形状和性质的关键 词及其值来表征。一个锚束单元系 在关键词cable后以其儿何形状和性质的关键词及其值来表征。(2)结构单元的几何形状及其结点联结begin关键词begin表征梁或锚束的起始点 end关键词end表征梁或锚束的终了点结构单元的端点可以在begin和end关键词后直接用下面三个z的关 键词来表征：grid ij(结构单元的起点或终点为结点i,j)node n (flac

20、将自动按照构件单元输入的顺序为结构单元的结点 编号，此处n为所编的第n号结点。)x,y(直接给端点以x和y坐标。)(3) 结构单元的性质类型关键词结构单元的类型要赋予性质数n,用struct prop=n再加上关键词及其值来 说明。(4) 结构单元分段的关键词seg k将结构单元等分成k个分段。(5) 锚束预加张力的关键词tension tstruct node=n 关键词每个结构结点用下列的关键词可以有不同的边界或几何条件。ffix <x> <y> <r>可以将n结点的x和/或y位移或转动固定。free <x> <y> <r&

21、gt;此命令为命令fix之逆。pi使结点n为钱接，即放松力矩。load fx,fy,m可对结点n施加x和/或y方向的力或力矩x,yn结点的x坐标和y坐标。struct prop=n 关键词=值性质的关键词有：e二值i二值（梁的惯性矩）area二断面值kbond二灰浆的粘结刚度力/锚束单位长/位移sbond二灰浆的粘结强度力/锚束单位长yield二锚束的屈服强度（力）端锚锚杆端锚的具体模拟语句如下：struct cable begin grid ii ,ji end grid ioj2 seg n prop nlstru prop nl e=? yields? a=? sbond=? kbond

22、=? sfri=? perimeter? den=? 其屮：锚杆的两端均为结点号；seg n表示将锚杆划分的区段；prop nl表示锚杆的力学参数为第nl种；e锚杆的弹性模量；yield锚杆的屈服强度；a锚杆的横截面积；sbond锚杆的变形模量；kbond锚杆的剪切模量；sfri锚杆和砂浆之间的内摩擦角；perimeter钻孔的周长；den锚杆的密度。例如：grid 30,20mod mgen 0,0 0,20 30,20 30,0prop d 2.5e-3 bu 2.5e3 sh 1.2e3c 1.5 fri42ten0mod nu i 二20,30 j=15,20struct cable begin grid 20,16 endgrid 10,14seg10prop1stru prop 1e=2e5 yield=0.5 a=0.235e-3sbond=0.0001kbond=0.0001stru