坏坏的小幸福
前言第1章FIAC/FIAC3D的功能与特性1．1FIAC/FIAC3D简介1．2FIAC/FIAC3D的主要特点1．2．1FIAC/FIAC3D的使用特征1．2．2FIAC/FIAC3D的计算特征1．2．3FIAC/FIAC3D的求解流程1．3FIAC/FIAC3D的应用范围1．4FIAC/FIAC3D的不足第2章FIAC3D快速入门2．1初识FIAC3D2．1．1图形界面2．1．2分析的基本组成部分2．1．3简单分析命令概要2．1．4文件类型2．1．5结果输出2．2简单示例2．3收敛标准2．3．1常用收敛标准2．3．2自定义收敛标准2．4求解过程中有关变量的解释2．4．1不平衡力2．4．2网格节点速度2．4．3塑性区标识2．4．4历时曲线2．5本章小结第3章FIAC快速入门3．1概述3．1．1使用界面介绍3．1．2网格和节点3．1．3修改程序内存3．2一个简单的实例3．2．1问题描述3．2．2启动FIAC3．2．3建立网格3．2．4定义材料3．2．5定义边界条件3．2．6重力设置3．2．7初始应力计算3．2．8保存状态文件3．2．9查看初始应力计算结果3．2．10查看最大不平衡力3．2．I1实施开挖3．2．12设置历史变量3．2．13开挖计算并保存3．2．14后处理3．3文件系统3．4功能模块介绍3．4．1BuiId选项卡——建立网格3．4．2AIter选项卡——修改网格3．4．3MateriaI选项卡——材料赋值3．4．4InSitu选项卡——初始条件和边界条件3．4．5Structure选项卡——结构单元3．4．6IItiIity选项卡——应用功能3．4．7Settings选项卡——计算设置3．4．8PIot选项卡——后处理3．4．9Run选项卡——求解3．5应用实例——路堤堆载的模拟3．5．1问题描述3．5．2建立网格3．5．3材料赋值3．5．4边界条件3．5．5初始应力计算3．5．6路堤堆载的模拟3．5．7后处理3．6本章小结第4章计算原理与本构模型4．1计算基本原理4．1．1有限差分法4．1．2混合离散法4．1．3求解过程4．2本构模型4．2．1空模型4．2．2弹性模型4．2．3塑性模型4．2．4本构模型的选择4．2．5本构模型的执行方式4．3本章小结第5章FIAC3D的网格建模方法5．1网格生成器及应用5．1．1基本形状网格的特征5．1．2基本形状网格的建立5．1．3基本形状网格的连接与分离5．1．4FISH在网格建模中的应用5．1．5应用实例——层状边坡三维网格的生成5．2其他软件的网格导入5．2．1FIAC3D的网格单元数据形式5．2．2与其他软件的导入接口以ABAQUS为例5．3本章小结第6章FIAC3D的后处理6．1概述6．2基本后处理功能6．2．1PIOT命令的格式6．2．2PIOT图形的输出6．2．3初始应力计算结果的后处理6．2．4查看施加载荷后计算结果的后处理6．3其他软件的后处理——TecpIot6．4本章小结第7章初始地应力场的生成及应用7．1初始地应力场生成方法7．1．1弹性求解法7．1．2更改强度参数的弹塑性求解法7．1．3分阶段弹塑性求解法7．2．1个简单的例子7．2．1设置初始应力的弹塑性求解7．2．2存在静水压力的初始地应力场生成7．2．3水下建筑物的初始应力场生成7．2．4深埋工程的初始应力场生成7．3应用实例——路基施工过程模拟7．3．1问题描述7．3．2模型建立7．3．3初始应力计算7．3．4施工过程模拟7．3．5绘制沉降曲线7．4本章小结第8章FISH语言8．1两个问题8．2从最简单的程序开始8．3基本知识8．3．1函数与变量8．3．2数据类型8．4主要语句8．4．1选择语句8．4．2条件语句8．4．3循环语句8．4．4命令语句8．5内置变量与函数8．5．1变量与函数的类型8．5．2单元遍历与节点遍历8．6应用实例8．6．1让土体的模量随小主应力变化8．6．2分级加载的施加与监测8．6．3获得最大位移的大小及发生位置8．6．4得到主应力差云图8．7编程与查错技巧8．7．1编程技巧8．7．2查错方法8．8本章小结第9章接触面9．1概述9．2基本理论9．2．1FIAC3D中接触面的基本理论9．2．2FIAC中的接触面理论9．3FIAC3D接触面几何模型的建立9．3．1移来移去法9．3．2导来导去法9．3．3切割模型法9．3．4接触面建立所存在的问题9．4FIAC接触面几何模型的建立9．5接触面参数的选取9．5．1接触面参数的确定9．5．2接触面参数的影响9．6单桩静载荷试验模拟9．7与接触面有关的常用命令9．8本章小结第10章结构单元及应用10．1概述10．1．1基本术语10．1．2几何模型的建立10．1．3结构单元的连接10．1．4边界条件与初始条件10．1．5局部坐标系与符号约定10．2结构单元的基本原理10．2．1梁(beam)单元10．2．2锚索(cabIe)单元10．2．3桩(piIe)单元10．2．4壳(sheII)单元10．2．5土工格栅(geogrid)单元10．2．6初衬(Iiner)单元10．3后处理10．3．1结构节点的输出信息及历史变量10．3．2结构构件的输出信息及历史变量10．4应用实例10．4．1使用梁单元进行开挖支护10．4．2关于预应力锚杆的模拟10．4．3结构单元的动力响应10．5本章小结第11章非线性动力反应分析11．1概述11．1．1与等效线性方法的关系11．1．2FIAC3D动力计算采用的本构模型11．2动力时间步11．3动态多步11．4动力载荷和边界条件11．4．1动力载荷的类型与施加方法11．4．2边界条件的设置11．4．3地震载荷的输入11．5力学阻尼11．5．1瑞利阻尼(RayIeighdamping)11．5．2局部阻尼(Ioca1damping)11．5．3滞后阻尼(Hystereticdamping)11．5．4关于阻尼设置的一些讨论11．6网格尺寸的要求11．7输入载荷的校正11．7．1滤波11．7．2基线校正11．8动孔压模型与土体的液化11．9完全非线性动力耦合分析步骤11．10应用实例——振动台液化试验模拟11．10．1计算模型及参数11．10．2计算过程11．10．3计算结果与分析11．I1本章小结第12章流一固相互作用分析12．1概述12．2流固相互作用的两种计算模式12．2．1无渗流模式12．2．2渗流模式12．3流体分析的参数和单位12．3．1渗透系数12．3．2密度12．3．3流体模量12．3．4孔隙率12．3．5饱和度12．3．6流体的抗拉强度12．4流体边界条件12．4．1透水边界与不透水边界12．4．2其他渗流条件12．4．3关于流体边界条件的讨论12．5流体问题的求解12．5．1时标(TimescaIe)12．5．2完全耦合分析方法的选择12．5．3固定孔压分析(有效应力分析)12．5．4单渗流分析建立孔压分布12．5．5无渗流——力学引起的孔压12．5．6流固耦合分析12．6应用实例12．6．1心墙土坝的渗流12．6．2真空预压的简单模拟12．7本章小结第13章自定义本构模型13．1自定义本构模型的实现13．2模型运行方法13．2．1编译项目13．2．2创建一个新的项目13．2．3选择ReIease/Debug编译选项13．2．4改变输出文件名为自定义的DII13．2．5在项目中添加用户自定义的源文件和头文件13．3以MohrCouIomb模型为例13．3．1头文件(usermohr．b)13．3．2C++源文件(usermohr．cpp)13．4开发实例——Duncan．Chang模型的开发13．4．1理论描述13．4．2开发流程13．4．3调试与验证13．5本章小结第14章边坡安全系数求解14．1强度折减法14．1．1基本原理14．1．2实现过程14．2应用实例14．2．1安全系数求解14．2．2自编强度折减法的实现14．3强度折减法评述及使用建议14．3．1强度折减法评述14．3．2强度折减法使用建议14．4本章小结第15章冰碛土边坡稳定性研究15．1概述15．2边坡工程地质模型15．3冰碛土抗剪强度参数研究15．3．1冰碛土的组成和结构特性15．3．2抗剪强度参数研究思路15．3．3冰碛土结构的元胞自动机模拟15．3．4元胞自动机模型的导入15．3．5三轴数值模拟试验15．3．6试验结果及分析15．3．7抗剪强度预测模型15．4边坡稳定性分析方法研究15．4．1边坡稳定性综合分析方法构建15．4．2简化一次二阶矩法(Sfosm法)15．4．3边坡稳定的FIAC3D分析15．4．4边坡可靠度分析15．5本章小结第16章阪神地震液化大变形分析16．1前言16．2液化后流动本构模型及其在FIAC3D中的开发16．2．1液化后流动本构模型16．2．2一般应力条件下饱和砂土液化的判定准则16．2．3开发过程16．2．4PIFinn模型的开发流程16．2．5液化状态指示器的编写16．3前处理16．3．1模型尺寸及计算参数16．3．2地震波的调整16．3．3网格划分16．4静力计算结果16．5动力计算结果16．5．1变形分析16．5．2液化区比较16．6本章小结第17章抗液化排水桩的数值模拟17．1概述17．2前处理17．2．1网格建立与初始应力生成17．2．2桩模型及接触面单元的生成17．3震前初始应力状态的计算17．4动力计算17．4．1动力输入17．4．2单元额外变量的定义17．4．3历史变量的记录17．5计算结果与分析17．5．1超孔压比分析17．5．2超孔压与竖直向有效应力分析17．6本章小结第18章深基坑工程分析18．1前言18．1．1工程概况18．1．2基坑围护方案18．2计算模型及参数18．3分析过程18．3．1初始应力计算18．3．2支护桩的施工18．3．3开挖计算18．4计算结果分析18．5本章小结第19章装配式防波堤的变形分析19．1概述19．2分析思路19．2．1Beam单元19．2．2PiIe单元19．2．3Inter．face单元19．3施工过程的模拟19．3．1计算模型及参数19．3．2计算步骤19．4波浪载荷作用下结构的变形分析19．4．1分析方法19．4．2波浪载荷的计算19．4．3波峰作用下的计算结果19．4．4波谷作用下的计算结果19．5计算结论与本章小结第20章盾构开挖对软粘土地层的扰动模拟20．1概述20．2问题描述20．3FIAC3D模拟隧道开挖中若干问题的解决20．3．1采用修正剑桥模型模拟软粘土地层应力应变特性20．3．2流固耦合模拟隧道开挖地层变形时效性20．3．3壳单元模拟隧道衬砌支护20．4计算文件20．5计算结果分析20．6本章小结第2I章常见问题及学习建议21．1常见问题及其解答21．2常见错误提示及其解决办法21．3学习经验和建议附录AFIAC3D命令一览附录BFIAC3D的FISH保留字附录CFLAC的FISH保留字参考文献……
2俊不在服务区
油新华1 王渭明2 李晓3
（1.北京城建集团有限责任公司 北京 100044 2.山东科技大学土木工程学院 山东 泰安 271019 3.中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029）
摘要 首先介绍了土石混合体边坡的概念，并在分析其特点的基础上提出了用于稳定性分析和计算的土石混合体边坡的数值模型，详细研究了土石混合体边坡数值模型的自动生成技术。
关键词 土石混合体 数值模型 自动生成技术
1 土石混合体边坡的概念
土石混合体边坡在我国广泛分布，如香港、广东、福建等地大面积分布的花岗岩残积土边坡，西南地区、长江三峡库区及黄河中上游广泛分布的古滑坡、崩积层边坡，西藏等地分布的冰碛土边坡等［1］。该类边坡在我国各类工程建设，特别是在水利水电工程、交通工程、铁路工程中经常遇到。由于该类滑坡通常规模较大、影响因素众多、突发性强及滑移条件复杂，常给国民经济建设、人民正常生活与生命安全带来严重危害和巨大的财产损失。因此，对这类边坡进行系统分析、研究和总结具有特殊的理论和实用价值。
土石混合体边坡是由土夹碎石或碎块石以及碎石或碎块石夹土等土石混合体组成的边坡。它一般发育在第四系松散堆积层中，主要是由滑坡堆积、残坡堆积、崩坡堆积、冲洪堆积等形成。
对于土体边坡以及岩体边坡来说，人们已经进行了长期、系统、卓有成效的研究工作，并取得了丰富的实践经验。而对于土石混合体边坡来说，由于物质组成和结构的不同而与其他边坡有着显著不同的变形特点，目前人们对于它的研究还只是处于一种定性分析的阶段，或是通过它与某种因素的相关性分析来探讨滑坡的机理［2］，或是通过模型实验来进行稳定性分析［3］，而缺少像研究土坡和岩体边坡那样的理论和技术方法。
边坡稳定性分析一般采取地质分析与计算分析相结合的方法，而计算分析又常采用极限平衡法和数值计算方法。传统的极限平衡法在理论和实用方面均存在着明显的问题［4］。
其一，计算假定不够严密。常规极限平衡法中的条分法求解是一个高次超静定问题，为简化求解而做了很多不合理的近似假定。例如将滑坡看作刚体滑动，假定滑裂面处于极限平衡状态的法向应力与剪应力由条块自重确定，条块间的内力由人为假定合力传递，致使坡脚处剪应力最小，这与坡体实际应力状态与坡脚应力现象不符。
其二，滑坡机理不能解释。由于极限平衡法不考虑边坡实际应力-应变本构关系，不反映边坡失稳的累进破坏及其应力重分布规律，因而无法解释滑坡的破坏机理和形成过程。
数值分析法弥补了极限平衡法的缺陷，较合理地解释了边坡失稳过程，为边坡应力分析和稳定分析提供了较好的数值解。
土石混合体边坡的物质组成是非均质的，岩土体力学性质是非线性的，边界条件是不规则的。过去按照一般的极限平衡法把整个滑体当作刚体，从而给出整个边坡稳定性系数的做法，在理论上有一定的不足。此时数值方法就是人们首选的方法。数值方法必须要有用于数值计算的计算模型，计算模型的好坏决定了计算的成功与否。本文在分析土石混合体边坡特点的基础上，详细研究了土石混合体边坡数值模型的自动生成技术。
2 土石混合体边坡数值模型的自动生成技术
对于土石混合体边坡来说，其物质组成极其复杂且无规律，采用常规的FLAC方法建模，将是十分复杂或者是不可能的。这时如果能采用一套基于ANSYS软件的数值模型自动生成技术，来代替使用FLAC3D进行数值模型的建立和网格的划分，实现FLAC3D建模的直观化、形象化、自动化，将给人们的工作带来很大的方便，并且对于复杂的系统，能大大节省建模所需要的时间。本节通过长江三峡白衣庵滑坡某一剖面的建模过程，详细介绍了这一方法的原理，结果显示这一方法形象、直观、快速、方便，在岩土工程数值计算方面有着很好的应用前景。
技术路线
在这套模型自动生成技术中，主要使用了三套软件和相应的接口程序：AutoCAD、ANSYS和FLAC3D，前两个主要利用其强大的绘图功能和划分网格的功能，ANSYS 与FLAC3D之间的接口程序（AFP）用Fortran语言编写。整个建模的技术路线如图1所示。
图1 模型自动生成技术流程图
模型自动生成的过程
工程地质模型的建立
根据所提供的工程地质模型，考虑数值计算所需要的简化，建立简化后的CAD图形，或对已有的CAD图形进行编辑、修改处理，使要赋予不同力学参数的部分或不规则开挖的部分形成一个闭和的图形块，并输出以DXF（Data eXchange File）为扩展名的文件。生成DXF格式的文件，是为了将这种文件转换为IGES（Initial Graphics Exchange Specification）格式。IGES是一种被普遍接受的中间标准格式，可以用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。由于AutoCAD系列软件中只有R12可以将DXF文件转化成IGES文件，所以将生成的DXF 文件调入R12，使其输出IGES 文件。此过程也可以通过ALGOR软件中SUPERDRAW来实现。
在建立模型的CAD图形时，尽量少采用多义曲线等弧线，以免生成的DXF文件太大，可以用多个直线段来代替曲线；但对于直接在ANSYS所提供的CAD系统中操作时，这一步可以省略，并且不必考虑用多个直线段来代替曲线。
网格划分
将IGES格式文件调入ANSYS，由不同的图形块生成不同的面，然后进行网格的划分。在调入时，尽量不要使用缺省的格式，以免线与线之间不闭和而不能生成面（否则，就得进行拓扑修改）。网格的划分可以采用自动划分的形式，让系统自动判断所需划分的网格数；也可以手工进行操作，根据模型中不同网格密度的需要，进行控制线段所分数目或者网格尺寸的限制。网格生成后，需将面元拉伸成体积元，体元生成过程中要注意以下两点：①不同的面元要赋予不同的参数加以区分；②不同的面元要分别拉伸成体元，并控制轴向网格数。最后，再进行节点和单元信息的输出，生成节点信息文件和单元信息文件。在做这一步处理时，不能先将面拉成体，然后划分网格，这样会由于图形的不规则，不能形成映射网格，而生成四面体网格，但四面体网格是不被FLAC3D认可的。除非对于很规则的体积元才可以进行映射网格的划分，并生成柱体网格，类似于FLAC3D中的BRICK或WEDGE。
FLAD3D模型数据文件的生成
要将ANSYS所生成的节点和单元信息文件能为FLAC3D利用，中间必须有一个接口程序，以实现两者之间数据的交换，使得ANSYS所提供的节点和单元信息格式能与FLAC3D对应起来，从而建立起FLAC3D的数据模型。这个接口程序，也是实现FLAC3D建模直观化、自动化、快捷化的关键所在。
接口程序采用Visual Fortran 编写，目前已经考虑了以下几点：
（1）实现了FLAC3D中常用的BRICK、WEDGE模块与ANSYS的转换，它们之间节点对应关系如图2所示；
（2）可以实现针对体或面的单个或多个INTERFACE（界面元）的生成，并对不同的INTERFACE赋予不同的ID号；
（3）针对不同力学参数或不同开挖步骤的模块，采用不同的GROUP，赋予不同的GROUP名；
（4）如有必要，也可以直接在接口程序中给模型赋予力学参数、边界条件以及初始条件等。
图2 ANSYS 模块与FLAC3D模块之间的对应关系
数值模型的生成
将接口程序生成的数据文件，调入FLAC3D，并加入边界条件和模型参数，即生成数值模型。
实例
图3是根据三峡白衣庵地区6号小滑坡的工程地质剖面图所建立的工程地质模型，它包含了下部的基岩和上部的土石混合体，在土石混合体中共有52个不同形状的砾石块体。经过一系列的自动处理后，可以生成直接用于 FLAC 计算的数值模型（图4）。模型共5094个单元、11284个节点。该模型由于地质情况复杂，若用FLAC3D所提供的建模方法，要花1～2 d的时间，若用模型自动生成技术，至多用半天时间即可建成，节省了60%以上的时间，而且生成的网格具有高度智能化。
图3 白衣庵6 号小滑坡工程地质模型
图4 白衣庵6 号小滑坡的数值模型
参考文献
［1］孙广忠.中国典型滑坡.北京：科学出版社，1988
［2］谢守益，徐卫亚.降雨诱发滑坡机制研究.武汉水利电力大学学报，1999，32（1）
［3］刘光华.河岸松散堆积层滑坡机制及防治对策研究——以重庆市为例.见：三峡库区地质环境暨第二届中日地层环境力学国际学术讨论会论文集.北京：煤炭工业出版社，1996
［4］郭俊仃，夏季华.超压密土坡稳定分析的非线性有限元法.见：计算机方法在岩石力学及工程中的应用国际学术讨论会论文集.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994
参考文献的标准格式如下： 1、期刊作者．题名［J].刊名，出版年份，起止页码。 2、专利文献题名［P].国别．专利文献种类．专利号．出版日期。 3、报纸作者．题
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