第四章 flac3d数值模拟

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1、第四章FLAC3D数值模拟4.1FLAC3D数值分析软件介绍4.2模型建立与运行4.2.1建立模型4.2.2各工况的数值模拟（1）（2）（3）4.3水平荷载下刚性单桩工作性状分析4.4水平荷载下带帽刚性桩工作性状分析4.5水平荷载下带帽刚性桩复合地基工作性状分析4.5.1桩长、桩径及长径比、桩帽大小、褥垫层厚度带帽刚性桩复合地基应力场和位移场的影响4.5.2各计算参数的敏感性分析注：本章与第三章要相对应，分三类（刚性单桩、带帽刚性桩、带帽刚性桩复合地基），每一类又有多少工况，依据是什么？第四章FLAC3D数值模拟4.1FLAC3D数值分析软件介绍自R.W.Clough1965

2、年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并且成功的解决列入许多重大的工程问题。近代个人电脑的出现以及其计算能力的飞速发展，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能，也使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的必不可少的方法之一。数值模拟的优势在于有效的延伸和扩展了分析人员的认知范围，为分析人员洞悉岩土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化工具。因此，岩土工程数值模拟软件必须做到专业性、可视化和完善的信息输出能力，才能更方便的帮助分析人员研究问题。FLAC3D等软件的出现是数值模拟工程发展的一个里程碑。FLAC3D软件是由It

3、asca公司研发推出的一款数值分析软件，其界面简单明了，特点鲜明，使用特征和计算特征别具一格，因此在岩土工程中应用广泛，并享有盛誉。FLAC3D是一个三维有限差分程序，它是二维有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石及其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。FLAC3D可对分析的单元进行线性或非线性本构模型的定义，当材料发生屈服流动后，网格能够相应的发生变形和移动（大变形模式）。其采用了显示拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。相对与我们熟知的ansys得有限元程序，它不需要形成刚度矩阵，因此大大其对内存空间的需求，能轻易的

4、求解大范围的三维问题。FLAC3D的优点1、对于模拟破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。该方法相比于有限元法中采用的“离散集成法”更加精确、合理。2、即使模拟的系统是静态的，仍然采用动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟屋里上的不稳定过程不存在数值上的障碍。3、采用了一个“显式解”方案。因此显式解方案对非线性应力-应变关系的求解所花费的时间几乎与线性本构关系相同。而隐式解求解方案将花费较长的时间求解非线性问题。尤其是它不需储存较大的刚度矩阵，使得采用中等容量的内存就能求解多单元结构，模拟大变形问题几乎并不比小变形问题花费的计算时间多，因为没有任何刚度矩阵需要修改。FLAC3

5、D的缺点毋庸置疑，FLAC3D软件是一个十分优秀的岩土工程数值模拟软件，它的实用性和专业性得到了广泛的证实。但是不可否认，FLAC3D软件也存在诸多问题，主要如下：1、FLAC3D求解工程问题受划分的网格的密度的影响很大。对于一般的弹性问题，它比一般的有限元程序运行得要慢，其求解的时间与网格单元的三分之四次方成正比。由此可见，FLAC3D对网格的多少十分敏感，对于同一个模型，不同密度的网格单元可以导致求解时间相差数倍。2、FLAC3D在某些模式下的计算求解时间很长。由于很多物理过程如固结过程、长期动力影响、材料流变等都与时间密不可分，不得不考虑时间的影响。对于这一问题，FLA

6、C3D采用的是真实时间，因而造成求解时间很长。3、FLAC3D的前处理功能相对不够完善。对于复杂的三维模型的建立仍然非常的困难。尽管FLAC3D软件提供了12中初始单元模型，通过对这些单元进行组合可以方便快捷的建立规则的三维工程地质模型；同时也可以通过内置的FISH语言，通过编写命令来调整、完善特殊的计算模型，使之更加符合工程实际。但是由于FLAC3D运用的是命令流的形式进行人机交互，加上FISH语言需要一定的编程能力，对操作人员来说是一项重大的挑战。既是是有经验的分析人员，复杂模型的建立也是一项费时费力的苦差。这也是严重制约FLAC3D进一步推广的主要原因。FLAC3D的应

7、用范围尽管最早开发FLAC3D软件是运用于岩土工程和采矿工程的力学分析，但由于该软件具有强大的解决复杂力学问题的功能，因此FLAC3D的应用范围已经拓展到土木建筑、地质、交通、水利等工程领域，成为这些专业领域进行工程分析和设计中不可缺少的工具。其研究的范围主要有：1、岩、土体的渐近破坏和崩塌现象的研究。2、岩体中断层结构的影响和加固系统的模拟研究。3、岩、土体材料固结过程的模拟研究。4、岩、土体材料流变现象的研究。5、高放射性废料的地下储存效果的研究分析。6、岩、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究