淺論FLAC3D的應(yīng)用現(xiàn)狀

摘 要：FlAC3D作為數(shù)值模擬軟件已經(jīng)被越來(lái)越多的應(yīng)用于工程地質(zhì)學(xué)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(guò)對(duì)FLAC3D在工程地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出了其應(yīng)用中的不足之處，認(rèn)為其在工程地質(zhì)學(xué)方面大有可為。

關(guān)鍵詞：FLAC3D；應(yīng)用現(xiàn)狀；工程地質(zhì)

1 FLAC3D原理

FLAC3D是利用顯示差分方法來(lái)求解運(yùn)動(dòng)方程以及動(dòng)力方程的一種軟件。在計(jì)算的時(shí)候，首先要把想要計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行離散化處理，將其分解成為若干個(gè)單元，單元與單元之間由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)結(jié)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到荷載的作用之后，就可以將其運(yùn)動(dòng)方程表示成為時(shí)間步長(zhǎng)為Vt的形式。表示的意思是指在某一個(gè)很小的時(shí)間段以內(nèi)，該節(jié)點(diǎn)上受到的荷載作用只對(duì)其周圍的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)存在影響。然后可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)速度的變化，求解出來(lái)單元與單元之間的相對(duì)位移，從而進(jìn)一步求解出單元的應(yīng)變狀態(tài)。之后，隨著設(shè)定的時(shí)間段的不斷增長(zhǎng)，上述的影響過(guò)程將向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)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(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，再進(jìn)行下一步的迭代過(guò)程，直到計(jì)算出來(lái)的平衡力足夠小的程度或者節(jié)點(diǎn)的位移漸漸達(dá)到平衡為止。FLAC3D軟件中有10種內(nèi)置的本構(gòu)模型，在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的時(shí)候，可以有針對(duì)性根據(jù)不同材料對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行選取，從而使其能夠相對(duì)真實(shí)地反映出來(lái)實(shí)際材料的力學(xué)動(dòng)態(tài)。FLAC3D軟件的計(jì)算特征：一是在模擬材料塑性破壞和流動(dòng)的時(shí)候，其采用的主要是“混合離散法”；二是在求解的時(shí)候，既可以采用模擬靜態(tài)系統(tǒng)，也可以采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，從而使得FLAC3D軟件在模擬物理不穩(wěn)定過(guò)程中不會(huì)存在著數(shù)值上的障礙；三是求解微分方程時(shí)采用的是顯式差分法。

2 FLAC3D應(yīng)用

2.1 在應(yīng)力方面的應(yīng)用

大型巖土工程施工設(shè)計(jì)前必須對(duì)巖體初始地應(yīng)力和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。曾范永等[1]通過(guò)對(duì)FLAC3D計(jì)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(gòu)造及埋深對(duì)地層主應(yīng)力的影響。余洋等[2]利用多元線性回歸的方法建立FLAC3D數(shù)值模型，進(jìn)行礦區(qū)地應(yīng)力回歸。邱道宏等[3]利用FLAC3D程序建立了該區(qū)域的數(shù)值計(jì)算模型，反演了計(jì)算區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)。曹蘭柱等[4]使用FLAC3D對(duì)邊坡的應(yīng)力應(yīng)變和位移變化進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，很好的分析邊坡的穩(wěn)定性。王宏偉等[5]基于FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬礦區(qū)開采，得到開采過(guò)程中的邊坡應(yīng)力、位移變化情況。薛海斌等[6]借助FLAC3D軟件實(shí)現(xiàn)了邊坡的漸進(jìn)性破壞過(guò)程模擬解決了應(yīng)變軟化邊坡穩(wěn)定性的分析問(wèn)題。

2.2 在滲流等耦合作用方面的應(yīng)用

順傾向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡的研究方法多以基于力學(xué)體系的分析推導(dǎo)和模型實(shí)驗(yàn)為主。丁梓涵等[7]人利用FLAC3D精細(xì)模擬巖層厚度，探討巖層傾角對(duì)順傾向?qū)訝钸吰碌卣鹦?yīng)的影響。朱二磊等[8]應(yīng)用FLAC3D對(duì)該隧道工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了圍巖穩(wěn)定性分段支護(hù)的方案。馬彥康等[9]利用FLAC3D分析了目標(biāo)區(qū)移動(dòng)變形區(qū)的走向位移、垂直應(yīng)力分布和塑性破壞區(qū)的影響。易理德等[10]應(yīng)用FLAC3D對(duì)云南某礦體上下盤礦層開挖回采時(shí)的變形規(guī)律進(jìn)行研究。

2.3 在裂隙巖體損傷過(guò)程方面的應(yīng)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(fù)雜的巖體，其強(qiáng)度和滲透性等特性將直接影響各類巖土工程施工設(shè)計(jì)與運(yùn)行期的穩(wěn)定性，付金偉等[11]運(yùn)用FLAC3D對(duì)滲流影響下裂隙巖體的損傷和漸進(jìn)破裂過(guò)程進(jìn)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(jié)構(gòu)-地基模型，計(jì)算核電站取水溝道直管段及彎道段在靜動(dòng)力工況下內(nèi)力及變形的變化情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

盡管FLAC3D軟件有著非常強(qiáng)大的功能，但是其在模型的建立以及單元網(wǎng)格的劃分處理問(wèn)題上卻一直存在著需要改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)為：（1）FLAC3D模型的建立只能靠數(shù)據(jù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不可以直接對(duì)相關(guān)圖形進(jìn)行處理。（2）在處理相對(duì)較為復(fù)雜的工程模型時(shí)，需要提供各個(gè)控制點(diǎn)的較為詳細(xì)數(shù)據(jù)。主要是由于FLAC3D軟件對(duì)于輸入到其中的數(shù)據(jù)，并不能判斷它是否合理。（3）FLAC3D然間在建模的時(shí)候工作量相對(duì)較大，花費(fèi)的時(shí)間總體而言也比較長(zhǎng)，這就直接造成了利用FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)不僅周期長(zhǎng)而且難度大。但是，雖然FLAC3D軟件從目前來(lái)看仍然存在著一些的不足，但是FLAC3D在各領(lǐng)域的使用還是越來(lái)越廣泛，它已經(jīng)開始與相關(guān)的其他重要軟件如MAPGIS、CAD、ANSYS等進(jìn)行配合使用，隨著FLAC3D的功能不斷拓展，它將在工程地質(zhì)方面大放異彩。

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作者簡(jiǎn)介：胡楊（1983-），男，講師，主要從事數(shù)值模擬研究。