Liakopoulos砂柱重力排水試驗初始應力場生成方式簡析

艾麥爾江·麥麥提敏

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

FLAC3D軟件因其流固耦合功能強大，被學者們廣泛用于實際工程中涉及地下水問題的分析研究[1-6]。如蔣中明等[1]采用FLAC3D對極端久雨條件下的軟巖邊坡的穩(wěn)定性進行了分析研究，過程中采用了Geo-studio(seep)軟件的滲流計算結(jié)果。但是眾多學者并未對涉及孔隙水壓力條件下的初始地應力場生成方式進行探討。本文應用FLAC3D軟件，對經(jīng)典的Liakopoulos 砂柱重力排水試驗開始前涉及穩(wěn)定滲流的初始地應力場的生成方式進行分析探討，獲得了一些有益的指導性結(jié)論，可為今后采用FLAC3D軟件進行涉及地下水孔隙水壓力相關(guān)問題的分析研究提供指導。

2 FLAC3D初始地應力場生成方式

基于快速拉格朗日有限差分方法的FLAC3D數(shù)值分析軟件提供了多種初始地應力場生成方式。不存在孔隙水壓力情況下，初始地應力場生成方式主要有彈性求解法、更改強度參數(shù)的彈塑性求解法、分階段彈塑性求解法，生成方式明確，易于理解。

當涉及地下水問題即有孔隙水壓力存在時，初始地應力場生成方式主要分為滲流求解模式下生成和無滲流求解模式下生成兩種情況。其中，在無滲流求解模式下生成主要分為設(shè)置初始應力和不設(shè)置初始應力兩種情況生成初始地應力場。在設(shè)置初始應力的條件下，初始應力的設(shè)置值與真實地應力場的接近程度將影響初始應力場生成時的計算時間。為此，用戶需要有一定的水力學知識，能夠正確計算出各處的初始地應力場的值，正確的計算結(jié)果將極大縮短FLAC3D生成初始地應力場時的計算耗時，從而為后續(xù)計算過程節(jié)省時間。但是，設(shè)置不當?shù)某跏紤υ谀撤N程度上反而增加FLAC3D生成初始地應力場時的計算耗時。

實際工程中，無論是邊坡工程還是地下工程，普遍涉及地下水。FLAC3D軟件盡管在流固耦合問題中做了不考慮毛細作用的假設(shè)，即水位面以下有孔隙水壓力、水位面以上孔隙水壓力假設(shè)為0，但由于毛細作用對工程的影響相對較小，尤其在毛細作用可以忽略的土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡、地下工程中，其模擬結(jié)果與真實情況較為接近，因此仍然被廣大學者應用于流固耦合問題的分析研究[7-12]。

3 模型構(gòu)建

首先采用CAD繪制三維圓柱，尺寸為直徑10 cm，高100 cm，并導出為dxf文件格式；采用Rhino軟件打開，用Rhino軟件自帶的曲面剖分工具對圓柱進行剖分；之后用加載于Rhino軟件的Griddle插件進行處理；最后導出成可以在FLAC3D中加載的文件格式，通過在FLAC3D命令行輸入命令，使模型在FLAC3D中加載完成，再設(shè)置相關(guān)參數(shù)和初始條件，模型見圖1。

圖1 Liakopoulos試驗物理模型

試驗時(t=0-)，先通過不斷在模型頂端提供穩(wěn)定水流，使模型從上至下達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，主要是底部出水速度不再發(fā)生變化，即一定時間內(nèi)流出的水量經(jīng)過測量相等；而后(t=0+時)，切斷頂端水源，使砂柱中的水在自重作用下向下滲出，通過在模型側(cè)面均勻設(shè)置監(jiān)測點，獲得在砂柱中的水流自由滲出時的各時間點、各位置處孔隙水壓力的變化情況。

為了節(jié)省計算時間，采用邊長為0.1～0.2 m之間的四面體對模型進行網(wǎng)格劃分。頂部設(shè)置為不透水邊界，圓柱四周設(shè)置為不透水邊界，底部邊界設(shè)置為孔壓為0的狀態(tài)，以模擬其與大氣相通；圓柱四周X、Y方向的位移設(shè)置為0，底部界面的X、Y、Z方向的位移均設(shè)置為0。

4 計算結(jié)果

4.1 設(shè)置初始應力和不設(shè)置初始應力時

分析比較模型在不配置滲流計算模式時，采用設(shè)置初始應力和不設(shè)置初始應力的方式生成初始地應力場時的計算耗時和計算結(jié)果，見圖2。當設(shè)置初始應力且設(shè)置正確時，最后生成正確的初始地應力場耗時(圖2(a))相對不設(shè)置初始應力(圖2(b))較短；當不設(shè)置初始應力時，在計算生成初始地應力場時需使用‘solve elastic’命令，而在設(shè)置了初始應力時，可直接使用‘solve’命令進行計算求解，而無需使用‘solve elastic’命令。

圖2 不同方式計算的Z方向初始應力場云圖

4.2 彈性求解和彈塑性求解時

在分析比較了設(shè)置初始應力和不設(shè)置初始應力的結(jié)果后，分析比較在不設(shè)置初始應力時，進行彈性求解和彈塑性求解獲得的初始應力場結(jié)果。在同時都將材料設(shè)置成彈塑性材料且材料特性相同的條件下，分別采用‘solve’直接進行彈塑性求解和‘solve elastic’命令先進行彈性求解后進行彈塑性求解，獲得的初始地應力場云圖見圖3。

圖3 不設(shè)置初始應力時Z方向初始地應力場云圖

先進行彈性求解再進行彈塑性求解時，結(jié)果見圖3(a)，獲得的初始地應力場結(jié)果和實際情況相符；而直接進行彈塑性求解時，結(jié)果見圖3(b),獲得的初始地應力場云圖與實際情況不吻合，說明當不設(shè)置初始應力時，直接進行彈塑性求解計算的方法不可取，而應采用‘solve elastic’ 命令先進行彈性求解后進行彈塑性求解獲得初始地應力場。兩種計算求解方式在計算時間上相同，但是由前述分析可知，由于采用‘solve’命令直接進行彈塑性求解獲得的初始地應力場云圖與實際不符，因此在用戶不設(shè)置初始應力時，需采用‘solve elastic’ 命令先進行彈性求解后進行彈塑性求解獲得初始地應力場。

由以上兩種情況的計算結(jié)果比較可知，在有孔隙水壓力條件下，可以采用設(shè)置初始應力后，直接進行彈塑性求解獲得初始地應力場，也可以不設(shè)置初始應力，而采用‘solve elastic’ 命令先進行彈性求解后進行彈塑性求解獲得初始地應力場，這兩種方式最后都能夠獲得正確的初始地應力場。但是由于在計算時間上，設(shè)置初始應力時比不設(shè)置初始應力時耗時大大縮短，因此當用戶能夠快速正確地計算出初始地應力場分布時，建議采用該方法。由于用戶在初始地應力場的計算過程中，容易出錯，因此想要在采用FLAC3D軟件進行初始地應力場生成時設(shè)置正確的初始應力并非易事。而不設(shè)置初始應力，通過‘solve elastic’ 命令先進行彈性求解后進行彈塑性求解同樣能夠獲得正確的初始地應力場，因此本文建議采用該方法進行孔隙水壓力條件下的初始地應力場設(shè)置，既可以避免計算過程中出錯，又可以避免由于計算給用戶帶來的極大困擾和不解，同時發(fā)揮了FLAC3D軟件自身的作用，充分體現(xiàn)了FLAC3D軟件的優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

在涉及孔隙水壓力時，通過對FLAC3D軟件初始應力場生成方式的比較，在模型不配置滲流計算時，得出以下幾點結(jié)論：

1) 可以采用設(shè)置初始應力的方式和不設(shè)置初始應力的方式生成初始地應力場。

2) 采用設(shè)置初始應力的方式生成初始地應力場時，應保證設(shè)置的初始應力與真實的初始地應力場的分布一致。

3) 但采用不設(shè)置初始應力的方式生成初始地應力場，求解計算中應采用‘solve elastic’ 命令先進行彈性求解后再進行彈塑性求解，以獲得正確的初始地應力場。