淺論FLAC3D的應用現狀

摘 要：FlAC3D作為數值模擬軟件已經被越來越多的應用于工程地質學方面的研究，文章主要闡述了FLAC3D軟件的基本原理和特征，通過對FLAC3D在工程地質學方面的應用現狀進行分析，指出了其應用中的不足之處，認為其在工程地質學方面大有可為。

關鍵詞：FLAC3D；應用現狀；工程地質

1 FLAC3D原理

FLAC3D是利用顯示差分方法來求解運動方程以及動力方程的一種軟件。在計算的時候，首先要把想要計算的區域進行離散化處理，將其分解成為若干個單元，單元與單元之間由節點進行聯結，當節點受到荷載的作用之后，就可以將其運動方程表示成為時間步長為Vt的形式。表示的意思是指在某一個很小的時間段以內，該節點上受到的荷載作用只對其周圍的若干個節點存在影響。然后可以根據節點速度的變化，求解出來單元與單元之間的相對位移，從而進一步求解出單元的應變狀態。之后，隨著設定的時間段的不斷增長，上述的影響過程將向整個區域進行擴展，進而求解出單元與單元之間的不平衡力。然后，將求解得到的不平衡力重新作用到相應的節點上，再進行下一步的迭代過程，直到計算出來的平衡力足夠小的程度或者節點的位移漸漸達到平衡為止。FLAC3D軟件中有10種內置的本構模型，在進行相關計算的時候，可以有針對性根據不同材料對本構模型進行選取，從而使其能夠相對真實地反映出來實際材料的力學動態。FLAC3D軟件的計算特征：一是在模擬材料塑性破壞和流動的時候，其采用的主要是“混合離散法”；二是在求解的時候，既可以采用模擬靜態系統，也可以采用動態運動方程，從而使得FLAC3D軟件在模擬物理不穩定過程中不會存在著數值上的障礙；三是求解微分方程時采用的是顯式差分法。

2 FLAC3D應用

2.1 在應力方面的應用

大型巖土工程施工設計前必須對巖體初始地應力和圍巖穩定性進行分析。曾范永等[1]通過對FLAC3D計算模型施加自重力和在模型邊界施加切向和法向力的方法，分析了斷層構造及埋深對地層主應力的影響。余洋等[2]利用多元線性回歸的方法建立FLAC3D數值模型，進行礦區地應力回歸。邱道宏等[3]利用FLAC3D程序建立了該區域的數值計算模型，反演了計算區域的初始地應力場。曹蘭柱等[4]使用FLAC3D對邊坡的應力應變和位移變化進行了數值模擬分析，很好的分析邊坡的穩定性。王宏偉等[5]基于FLAC3D數值分析軟件模擬礦區開采，得到開采過程中的邊坡應力、位移變化情況。薛海斌等[6]借助FLAC3D軟件實現了邊坡的漸進性破壞過程模擬解決了應變軟化邊坡穩定性的分析問題。

2.2 在滲流等耦合作用方面的應用

順傾向層狀巖質邊坡的研究方法多以基于力學體系的分析推導和模型實驗為主。丁梓涵等[7]人利用FLAC3D精細模擬巖層厚度，探討巖層傾角對順傾向層狀邊坡地震效應的影響。朱二磊等[8]應用FLAC3D對該隧道工程的支護結構和支護參數進行優化，提出了圍巖穩定性分段支護的方案。馬彥康等[9]利用FLAC3D分析了目標區移動變形區的走向位移、垂直應力分布和塑性破壞區的影響。易理德等[10]應用FLAC3D對云南某礦體上下盤礦層開挖回采時的變形規律進行研究。

2.3 在裂隙巖體損傷過程方面的應用

裂隙巖體是壩基、邊坡及地下硐室等巖石工程中廣泛遇到的一類復雜的巖體，其強度和滲透性等特性將直接影響各類巖土工程施工設計與運行期的穩定性，付金偉等[11]運用FLAC3D對滲流影響下裂隙巖體的損傷和漸進破裂過程進行了研究。金煜皓等[12]利用FLA

C3D選取代表性斷面建立三維結構-地基模型，計算核電站取水溝道直管段及彎道段在靜動力工況下內力及變形的變化情況。

3 結束語

盡管FLAC3D軟件有著非常強大的功能，但是其在模型的建立以及單元網格的劃分處理問題上卻一直存在著需要改進的地方，主要表現為：（1）FLAC3D模型的建立只能靠數據文件來實現，不可以直接對相關圖形進行處理。（2）在處理相對較為復雜的工程模型時，需要提供各個控制點的較為詳細數據。主要是由于FLAC3D軟件對于輸入到其中的數據，并不能判斷它是否合理。（3）FLAC3D然間在建模的時候工作量相對較大，花費的時間總體而言也比較長，這就直接造成了利用FLAC3D進行模擬計算時不僅周期長而且難度大。但是，雖然FLAC3D軟件從目前來看仍然存在著一些的不足，但是FLAC3D在各領域的使用還是越來越廣泛，它已經開始與相關的其他重要軟件如MAPGIS、CAD、ANSYS等進行配合使用，隨著FLAC3D的功能不斷拓展，它將在工程地質方面大放異彩。

參考文獻

[1]曾范永，王連國，路銀龍.基于FLAC3D的不同埋深地應力場分布特征的研究[J].煤炭技術，2016，35（1）：108-110.

[2]于洋，劉曉麗，王建新，等.陡傾巖層礦區地應力回歸與分析[J].地下空間與工程學報，2015，11（2）：133-136.

[3]邱道宏，李術才，張樂文，等.基于隧洞超前地質探測和地應力場反演的巖爆預測研究[J].巖土力學，2015，36（7）：100-102.

[4]曹蘭柱，孫成亮，王東，等.FLAC3D的露天礦邊坡變形破壞數值模擬分析[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016，36（7）：108-110.

[5]王宏偉，王攀，王永強，等.馬鋼凹山露天采場南幫邊坡監測及穩定性分析[J].金屬礦山，2016（3）：101-105.

[6]薛海斌，黨發寧，尹小濤，等.應變軟化邊坡穩定性分析方法研究[J].巖土工程學報，2016，38（3）：324-326.

[7]丁梓涵，趙其華，彭社琴，等.巖層傾角對順傾向邊坡地震效應的影響[J].地震工程學報，2015，37（4）：81-84.

[8]朱二磊，朱永建，王平，等.基于FLAC3D的淺埋破碎圍巖隧道支護方案分段優化分析[J].礦業工程研究，2015，30（4）：99-102.

[9]馬彥康，楊本水.FLAC3D在張集煤礦開采沉陷預測中的應用分析[J].安徽建筑大學學報，2015，23（5）：205-208.

[10]易理德，熊毅，王卓雄.基于FLAC3D數值模擬的某礦山不同采礦方法對比[J].山西建筑，2016，42（9）：109-111.

[11]付金偉，朱維申，張敦福，等.滲流影響下巖石損傷和漸進破裂演化過程的數值試驗研究[J].水文地質工程地質，2015，42（1）：360-

365.

[12]金煜皓，趙杰，尹訓強.山東海陽核電站一期取水溝道抗震性能分析[J].水利與建筑工程學報，2016，14（1）：1140-1144.

作者簡介：胡楊（1983-），男，講師，主要從事數值模擬研究。