岩土工程讲义

岩土工程讲义第1页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第2页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第3页，共74页，2023年，2月20日，星期四软件介绍FastLagrangianAnalysisofContinua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→3.1Itasca其他软件第4页，共74页，2023年，2月20日，星期四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FISHVC++第5页，共74页，2023年，2月20日，星期四丰富的本构模型第6页，共74页，2023年，2月20日，星期四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SpecialOption中有特定的时间步要求动力、渗流、流变、温度中是真实时间第7页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第8页，共74页，2023年，2月20日，星期四大应变与小应变SETsmall默认为小应变模式不更新节点坐标不进行应力旋转修正SETlarge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第9页，共74页，2023年，2月20日，星期四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=(第10页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第11页，共74页，2023年，2月20日，星期四Lagrangian格式动量平衡方程F(t)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，方程变为平衡方程第12页，共74页，2023年，2月20日，星期四例1：自由落体的模拟G=mgS=1/2gt2=20m命令流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2第13页，共74页，2023年，2月20日，星期四例1：自由落体的模拟(movie)第14页，共74页，2023年，2月20日，星期四不平衡力平衡状态F≈0最大不平衡力有所有单元确定SETmechforce???最大不平衡力比与内力的比值SETmechratio???工程、计算中间阶段 10-4论文、最终结果 10-5F≈0v≈0v≠0收敛、平衡不收敛、塑性流动第15页，共74页，2023年，2月20日，星期四BLOCKstate*-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PLOTblockstate*-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第16页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第17页，共74页，2023年，2月20日，星期四例2：一个最简单的例子genzonbrisize333;建立网格(前处理)modelelas;材料参数propbulk3e6shear1e6inidens2000;初始条件fixzranz-.1.1;边界条件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveploconzd;后处理 切片功能RUNFLAC3D第18页，共74页，2023年，2月20日，星期四FLAC3D3.1的新特征64-bitVersion(64位计算)ParallelProcessingonMultiprocessorComputers(并行算法)Two-DimensionalGridExtrusionToolNodalMixedDiscretization(节点混合离散方法)EmbeddedStructuralLiner(内置衬砌单元)挡土墙的模拟On-boardHelpFile(内置的帮助系统)第19页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第20页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第21页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第22页，共74页，2023年，2月20日，星期四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APPLYINTERIOR(内部)TABLEFISH第23页，共74页，2023年，2月20日，星期四Quiet边界静态(quiet,粘性)边界LysmerandKuhlemeyer(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第24页，共74页，2023年，2月20日，星期四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t=-2Csrvs地震底部输入的侧向边界扭曲了入射波quietquietquiet第25页，共74页，2023年，2月20日，星期四Free-field边界Cundalletal.(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APPLYff之前自由场边界示意图第26页，共74页，2023年，2月20日，星期四Free-field边界APPLYff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边界设置之前第27页，共74页，2023年，2月20日，星期四力学阻尼瑞利(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第28页，共74页，2023年，2月20日，星期四滞回阻尼(HystereticDamping)模拟岩土介质的动模量衰减曲线initialdamphystereticnamesig3(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第29页，共74页，2023年，2月20日，星期四滞回阻尼(HystereticDamping)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的中国培训资料第30页，共74页，2023年，2月20日，星期四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BasicStrong-MotionAccelerogramProcessingSoftware(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.FISOriginSeismoSignal第31页，共74页，2023年，2月20日，星期四地震波的调整El-Centro波FFT修正后的时程修正后FFT5Hz第32页，共74页，2023年，2月20日，星期四动孔压的生成——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第33页，共74页，2023年，2月20日，星期四动孔压的生成——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,Wangetal.1990)简单模型：MC+体积应变增量模型Finn模型：Byrne模型：第34页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第35页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第36页，共74页，2023年，2月20日，星期四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NOmerge,NOattach!!!接触面dist1234第37页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第38页，共74页，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(2)save1.savdelrangrop2notInterface1facesave2.savrest1.sav

delrangroup2

expgrid1.fac3drest2.sav

impgrid1.flac3d

第39页，共74页，2023年，2月20日，星期四Interface的建立(3)GENseparateINTERFACEwrap指定正确的group第40页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第41页，共74页，2023年，2月20日，星期四例3：单桩承载力分析软土地基bulk1.6878E6shear3.6167E5coh15E3fric12dens1.73E3桩体bulk5e9shear3.75e9dens2.5e30.5m8m10m20m第42页，共74页，2023年，2月20日，星期四计算过程施加桩顶荷载计算结果第43页，共74页，2023年，2月20日，星期四影响因素水平因素knksfriccoh1100e100e203.00E+04210k10g0.7friccoh/0.73kgfric7.50E+03第44页，共74页，2023年，2月20日，星期四计算工况设计

水平因素工况knksfriccoh(1)1111(2)1222(3)1333(4)2123(5)2231(6)2312(7)3132(8)3213(9)3321第45页，共74页，2023年，2月20日，星期四计算结果Ks取1Ks取2Ks取3水平因素knksfriccohRa差异度(1)111137.8%(2)122242.9%(3)133396.9%(4)212337.8%(5)22317.1%(6)231296.9%(7)313254.1%(8)321322.4%(9)332196.9%第46页，共74页，2023年，2月20日，星期四最优方案水平因素knksfriccohk159.2%43.2%52.4%47.3%k247.3%24.1%59.2%64.6%k357.8%96.9%52.7%52.4%极差11.9%72.8%6.8%17.3%最优方案2211102211112222第47页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第48页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第49页，共74页，2023年，2月20日，星期四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beamcablepileshellgeogridliner第50页，共74页，2023年，2月20日，星期四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)结构单元的厚度第51页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第52页，共74页，2023年，2月20日，星期四例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hthbrB第53页，共74页，2023年，2月20日，星期四计算步骤模型网格初始应力生成施加管片计算结果第54页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第55页，共74页，2023年，2月20日，星期四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倍第56页，共74页，2023年，2月20日，星期四例5：结构的动力响应configdynselpileid=1beg000end001selpilepropdens2400&Emod1.0e10Nu0.3XCArea0.3&XCJ0.16375XCIy0.00625XCIz0.01575&Per2.8CS_sK1.3e11CS_nK1.3e11&CS_nGapoffselnodefixxyzxryrzrranid=1selsetdampcombineddeff1whilesteppingf0=10000*sin(10*dytime)np=nd_headloopwhilenp#nullifnd_pos(np,1,3)=1nd_apply(np,1)=f0endifnp=nd_next(np)endloopendsolveage1pile10000*sin(10*t)第57页，共74页，2023年，2月20日，星期四例5：结构的动力响应第58页，共74页，2023年，2月20日，星期四主要内容软件介绍动力分析DynamicOption桩-土相互作用分析Interface隧道分析StructureElement流固耦合分析Fluid-MechanicalInteraction学习方法及经验介绍第59页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第60页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第61页，共74页，2023年，2月20日，星期四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第62页，共74页，2023年，2月20日，星期四有效应力计算不设置CONFIGFluid孔压不改变设置孔压分布INITIALppWATERtableWATERdensityWATERtablefaceSETgravity手动设置干湿密度设置CONFIGfluid设置土体干密度

渗流模型MODELfl_isotropicMODELfl_anisotropicMODELfl_nullSETfluidoffsetWATERbulk=0无渗流模式渗流模式第63页，共74页，2023年，2月20日，星期四不耦合计算CONFIGfluidSETmechoff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KfCONFIGfluidSETfluidoff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第64页，共74页，2023年，2月20日，星期四流固耦合计算CONFIGfluidSETfluidon真实的流体模量Kf和渗透系数耦合方式DpDevDsDevDp计算模式手动调整的STEP求解主从进程的SOLVE求解自动STEP求解第65页，共74页，2023年，2月20日，星期四流固耦合的计算方法手动调整的STEP求解

SETfluidonmechoff STEP SETfluidoffmechon STEP 主从进程的SOLVE求解SETmechforceSETmechsubstepnauto (从进程)SETmechsubstepm (主进程)SOLVEage自动STEP求解STEP第66页，共74页，2023年，2月20日，星期四渗流问题(CONFIGfluid)分析步骤时间比例(ts,t