石 斌 馬福民 蔣一波 孫軍柱 雷俊鋒 溫樹鑫

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048； 2.中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710065)

FLAC3D作為巖土工程專業(yè)的一款數(shù)值計(jì)算軟件，能夠進(jìn)行邊坡、隧道、結(jié)構(gòu)、流固耦合等多方面模擬研究，廣泛運(yùn)用于土木工程領(lǐng)域。實(shí)際工程中，由于地質(zhì)地形的多樣性、邊坡的復(fù)雜性等給FLAC3D的建模帶來很大的困難。因此，研究復(fù)雜邊坡地形的FLAC3D建模方法具有重要意義。

目前有很多學(xué)者采用FLAC3D軟件的建模、模擬分析等進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，并已取得了豐碩的成果。如馬新根等[1]基于Rhino3D NURBS，采用KUBRIX插件實(shí)現(xiàn)了Rhino3D模型導(dǎo)入FLAC3D中。陳慶發(fā)等[2]基于3DMine數(shù)字化模型，提出了3DMine,Surfer,RhinoANSYS,FLAC3D等多軟件耦合建模方法，并以廣西某礦體開采為背景進(jìn)行了相關(guān)探討。韓萬東等[3]采用FLAC3D對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為邊坡失穩(wěn)的預(yù)防和治理提供了科學(xué)的依據(jù)。張永貴等[4]利用FLAC3D軟件構(gòu)建工程地質(zhì)模型,分析了邊坡、排土場等區(qū)域的穩(wěn)定性破壞模式,對(duì)該露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。徐君等[5]、張燦燦[6]、劉振宇等[7]也采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析,通過計(jì)算其安全系數(shù)來判斷邊坡穩(wěn)定情況,分析各自工況下邊坡內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變情況,為相關(guān)災(zāi)害防治工作提供了參考。

本文以四川G4216線仁壽經(jīng)沐川至屏山新市(含馬邊支線)段高速公路大梗上隧道出口邊坡為例，基于認(rèn)識(shí)分析功能強(qiáng)大的巖土工程計(jì)算軟件FLAC3D，結(jié)合對(duì)CAD與ANSYS建模軟件的運(yùn)用，在復(fù)雜邊坡地形下建立最佳的三維數(shù)值模型。

1 軟件介紹

1.1 建模軟件

AutoCAD是一個(gè)可視化的繪圖軟件，許多命令和操作可以通過菜單選項(xiàng)和工具按鈕等多種方式實(shí)現(xiàn)，具有豐富的繪圖和繪圖輔助功能。在對(duì)CAD進(jìn)行二次開發(fā)后，允許用戶定制菜單和工具欄，能利用內(nèi)嵌語言Visual Lisp,VBA,ADS,ARX，還可以加載運(yùn)行腳本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本身所沒有的功能，比如三維自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。CAD不僅在二維繪圖處理更加成熟，三維功能也更加完善，可方便地進(jìn)行建模和渲染。ANSYS是一款大型通用有限元分析軟件與計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的互聯(lián)，仿真各種類型的結(jié)構(gòu)材料，簡化復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)工程問題，與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)化工反應(yīng)等。ANSYS軟件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，為相當(dāng)多的工程帶來便利。

1.2 計(jì)算軟件

FLAC3D全稱為Fast Lagrangian Analysis of Continua,即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析，是由美國Itasca Consulting Group Inc.公司開發(fā)的三維顯式有限差分程序，作為巖土方面的專業(yè)模擬軟件。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。FLAC3D具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，并且界面簡潔明了，特點(diǎn)鮮明，其使用特征和計(jì)算特征在眾多數(shù)值模擬軟件中獨(dú)樹一幟。FLAC3D不僅適宜于處理大尺度、大變形和地質(zhì)問題，而且可在初試模型中加入斷裂、節(jié)理構(gòu)造等地質(zhì)因素。目前FLAC3D廣泛應(yīng)用于巖土力學(xué)分析，例如礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等[7]。

2 建模過程

2.1 依托工程概況

四川仁壽經(jīng)沐川至屏山新市鎮(zhèn)高速公路馬邊支線段LJ21標(biāo)段起點(diǎn)位于利店鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于石梁子鄉(xiāng)，起點(diǎn)樁號(hào)LK23+250(LZK23+250)，終點(diǎn)樁號(hào)LK29+772(LZK29+759)，根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，場區(qū)內(nèi)出漏及鉆探揭露的地質(zhì)為新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層、崩坡積層及中生界侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組。本文以該標(biāo)段內(nèi)大梗上隧道出口邊坡為研究對(duì)象，該邊坡表層有崩坡積層，成分主要為(含塊石)粉質(zhì)粘土、碎石、塊石，厚度1 m～15 m。邊坡清表后見圖1。

2.2 建模步驟

結(jié)合施工圖紙與實(shí)地考察，確定邊坡尺寸，為使模擬計(jì)算結(jié)果更加精確，坡腳與同側(cè)計(jì)算邊界的距離應(yīng)大于1.5H，本文取2H，坡頂與同側(cè)計(jì)算邊界的距離應(yīng)大于2.5H，H為邊坡高度，為75.52 m，模型長521 m。

1)根據(jù)設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)在AutoCAD中建立比例為1∶1的二維模型，如圖2所示。

2)將AutoCAD二維模型導(dǎo)入ANSYSSCDM拉伸建立三維模型，拉伸寬度為50 m，如圖3所示。

3)建立好三維模型后，使用ANSYSAPDL對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分前需要設(shè)置好材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比和密度等，ANSYSAPDL在劃分網(wǎng)格的同時(shí)會(huì)把劃分的網(wǎng)格根據(jù)材料屬性進(jìn)行分組，所以需要把不同參數(shù)的巖土體分開劃分網(wǎng)格。劃分好網(wǎng)格的模型如圖4所示。

4)隨后將該模型導(dǎo)入FLAC3D中，在導(dǎo)入前，由于ANSYS和FLAC3D兩款軟件的工作空間坐標(biāo)軸不同，ANSYS默認(rèn)的工作平面是X-Y平面，F(xiàn)LAC3D默認(rèn)的工作平面X-Z平面，需要將模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。模型共有19 500個(gè)網(wǎng)格，導(dǎo)入FLAC3D的模型如圖5所示。

3 主要計(jì)算過程

3.1 邊坡模型材料參數(shù)輸入

FLAC3D可選擇的本構(gòu)模型有12種，本文用到的模型有以下兩種，彈性模型(model elastic)：用來模擬彈性材料的模型；摩爾—庫侖模型(model mohr)：是本文模型的主要材料模型，可模擬摩爾—庫侖塑性材料，如土體、巖體，是巖土工程大量使用的模型。通過鉆孔圖的數(shù)據(jù)可知該邊坡分為基巖部分和土體部分，由于基巖和土體的參數(shù)有所區(qū)別，所以模型分為了兩個(gè)組別，group 1為土體，group 2為基巖。

彈性模型需要定義的參數(shù)有：bulk(體積模量)(K)，shear(切變模量)(G)。切變模量(G)和體積模量(K)是根據(jù)材料的泊松比(v)和楊氏模量(E)求得的。

摩爾—庫侖模型除了需要定義切變模量(G)和體積模量(K)之外，還需要定義材料的內(nèi)摩擦角(friction)、剪脹角(dilation)、粘聚力(cohesion)、抗拉強(qiáng)度(tension)。在FLAC3D中，以上任一參數(shù)如果沒有定義，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)其值為“0”。材料參數(shù)的具體取值，通過現(xiàn)場工程資料和相關(guān)規(guī)范可獲取(如表1所示)。

表1 模型參數(shù)取值表

3.2 邊界條件和初始應(yīng)力場的生成

邊界條件是模型位移的邊界，通過設(shè)置邊界條件，可以限制模型邊界的位移，使計(jì)算夠收斂，若不設(shè)置邊界，模型可無限運(yùn)動(dòng)，計(jì)算就不能收斂結(jié)束。

初始應(yīng)力是指:在施工還沒開始之前，巖土體就已經(jīng)處于之前的時(shí)間形成的某種應(yīng)力狀態(tài)，也叫做地應(yīng)力，在進(jìn)行計(jì)算之前，我們需要使用軟件求解初始應(yīng)力狀態(tài)。求解方法分為彈性求解、改強(qiáng)度塑性求解、分階段彈塑性求解三種，在求解時(shí)需把體積模量和切變模量設(shè)置最大，可將其設(shè)置為3e7,1e7。

3.3 最大不平衡力及收斂條件

外力作用于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)把力傳到整個(gè)模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有受到外力并由此產(chǎn)生內(nèi)力，最大不平衡力就是每個(gè)計(jì)算循環(huán)中，所有節(jié)點(diǎn)中，外力與內(nèi)力之差的最大值。FLAC3D默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)是最大不平衡力和典型內(nèi)力的比率為10-5，該值可以自己設(shè)置改變。典型內(nèi)力指的是模型的所有網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)力平均值。在結(jié)果計(jì)算出來后，可以查看最大不平衡力的監(jiān)測曲線，以此來判斷是否已經(jīng)收斂。為了防止計(jì)算不收斂，可以設(shè)置計(jì)算的步時(shí)收斂標(biāo)準(zhǔn)為150 000步，設(shè)置好監(jiān)測點(diǎn)后，便可以開始計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果出圖分析

計(jì)算結(jié)束后，通過軟件后處理可以得到位移云圖、應(yīng)力云圖、剪應(yīng)力分布云圖等，如剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D見圖6。

位移云圖反映邊坡各個(gè)區(qū)域的位移量區(qū)間，并不能反映具體數(shù)值，圖中最大的位移區(qū)間為1.50 cm～1.51 cm，但圖中并未出現(xiàn)該區(qū)間，可能在其內(nèi)部有出現(xiàn)。這時(shí)候剪應(yīng)變?cè)隽客蛔兾恢门c最大水平位移出現(xiàn)位置和最大豎直位移出現(xiàn)位置吻合，剪應(yīng)變?cè)隽孔畲笾禐?.721×10-3，最小值為8.750×10-8，土體應(yīng)變主要是由剪應(yīng)力引起。

為更直觀了解模型內(nèi)部，可采用FLAC3D的切片功能，可以根據(jù)自己的需要選取一個(gè)平面來查看內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，可以更好的分析模型的具體受力情況，如采用y=-25的平面進(jìn)行切片處理的云圖如圖7所示。

最大剪應(yīng)變?cè)隽颗c最大位移、最大主應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)位置相同，說明土體位移破壞主要是由剪應(yīng)力引起的剪切破壞，主要影響邊坡穩(wěn)定性的應(yīng)力為剪應(yīng)力以及水平應(yīng)力，因此土體的內(nèi)摩擦角以及粘聚力是分析邊坡穩(wěn)定性中的重要參數(shù)。大主應(yīng)力以及豎直應(yīng)力都是隨土的深度增加的，分布均勻，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。

5 結(jié)語

本文基于AutoCAD，ANSYS軟件，依托四川仁沐新高速公路大梗上隧道出口邊坡工程，闡述了建立復(fù)雜邊坡地形下有限差分計(jì)算模型的關(guān)鍵步驟，解決了FLAC3D軟件建立復(fù)雜模型困難的問題。建模過程簡單明確，輸出模型精確度高，有效的減少了工程人員在建模時(shí)所費(fèi)的時(shí)間與精力，提高了數(shù)值模擬的效率，為設(shè)計(jì)人員提供新的更為有效的選擇。最后對(duì)FLAC3D分析邊坡穩(wěn)定性的主要計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果展示也進(jìn)行了簡要介紹，相關(guān)建模和求解分析過程可為相關(guān)工程的類似分析提供借鑒和參考。