基于Midas_GTS的FLAC3D边坡建模技术及工程应用

第 33 卷 增刊 西 北 地 震 学 报 Vol.33 Supp. 2011 年 8 月 NORTHWESTERN SEISMOLOGICAL JOURNAL August, 2011 ———————————— 收稿日期：2011-04-25 作者简介：钟志辉（1986-），男，硕士研究生，主要从事边坡稳定性的研究. 基于 Midas/GTS 的 FLAC3D 边坡 建模技术及工程应用 钟志辉 1, 刘祚秋 2, 杨光华 1,3，张玉成 3 （1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641；2.中山大学 工学院，广东 广州 510275； 3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610） 摘 要：探讨了如何基于 Midas/GTS 来实现用 FLAC3D 建立复杂边坡模型。首先在 Midas/GTS 中建立几 何模型和划分网格，然后根据两种软件的网格数据形式进行转换，把 Midas/GTS 的网格模型导入 FLAC3D 中。对于二维边坡问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，认为采用四边形单元比三角形单元的计算精度更高，在模型较为复 杂的情况下建议在 Midas/GTS 中采用“四边形 + 三角形”的方式生成混合网格，然后导入 FLAC3D 中形成“brick + wedge”形式的混合网格进行分析，以保证计算精度。最后将上述建模 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 应用于 某边坡工程的稳定性分析，验证了该建模方法的可行性和实用性。 关键词：边坡；FLAC3D；Midas/GTS；模型转换；混合网格 中图分类号：TU432 文献标识码：A 文章编号：1000–0844(2011)增刊–261–05 A Modeling Method of Slope Using FLAC3D Based on Midas/GTS and Its Application to Engineering ZHONG Zhi-hui1, LIU Zuo-qiu2, YANG Guang-hua1,3, ZHANG Yu-cheng3 (1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 3. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510610, China) Abstract: This paper studies how to build a complex slope model using FLAC3D based on Midas/GTS. Firstly, generates geometry model and meshes the model in Midas/GTS. Then transforms the meshing model into FLAC3D according to grid data formats of the two softwares. Particularly, for two dimensional slope problems, using quadrangle elements to mesh would obtain more precise computational results than using triangle elements. Therefore, “quadrangle + triangle” manner of meshing is advised to generate the mixed grids in Midas/GTS when the slope model is more complex, and then transform them to FLAC3D in “brick + wedge” manner to ensure the precision of analysis. At last this modeling method is applied to a slope engineering for stability analysis, and the results verify the feasibility of this method. Key words: Slope; FLAC3D; Midas/GTS; Model transforming; Mixed grids 0 前 言 FLAC3D 是一款专业的岩土工程分析软件，其计 算功能十分强大。作为有限差分软件，其采用的“混 合离散法”来模拟材料的塑性流动和破坏[1]，比有限 元采用的“离散集成法”更为准确和合理。然而 FLAC3D 的前处理功能较弱，尽管其提供了 12 种基 本网格单元，可以通过连接、组合等命令或者内置的 FISH 语言建立网格模型，但对于复杂的二维或三维 模型的建立仍然十分困难。目前工程技术人员更多的 偏向于“（快捷）建立几何模型—（智能）划分模型 网格”的建模思路，因为这有助于提高建模的效率和 模型网格的质量，对模型的调试也十分方便高效。 针对 FLAC3D 的前处理缺点，国内外不少学者 研究了如何把模型网格从其他前处理功能强大的软 件导入 FLAC3D 的技术方法[2-6]。本文探讨如何基于 有限元软件 Midas/GTS 来实现 FLAC3D 的复杂建模， 主要着重于二维边坡的建模技术，介绍 Midas/GTS 262 西 北 地 震 学 报 第 33卷 与 FLAC3D 网格之间的转换关系和建模的技巧，最 后将此建模技术应用于乐昌峡某边坡的稳定性分析。 2 Midas/GTS 与 FLAC3D 的模型转换 方法[7-9] 2.1 Midas/GTS 的建模技术 Midas/GTS 是专门为岩土工程分析而设计的有 限元软件，拥有强大的几何建模和网格划分技术，用 户能在 Midas/GTS 中快捷方便地建立复杂的网格模 型，对于建立二维的边坡模型尤其方便。一般 Midas/GTS 建立边坡模型的过程如下： (1) 通过点—线—面（—体）的方法建立边坡几 何模型。对于二维模型，通常先根据边坡的剖面信息 在 AutoCAD 中生成模型的线元素，因为在 AutoCAD 中能十分方便地建立和修改边坡的剖面轮廓、地层分 布、地下水位线等几何信息，然后保存成 dxf 文件再 导入 Midas/GTS，生成几何平面（组）；对于三维模 型，还需要通过面（组）生成实体，然后对实体进行 平移、嵌入、切割或布尔运算来生成更为复杂的三维 实体（组）。Midas/GTS 对几何元素的编辑提供预览、 撤销、重做等人性化操作，大大提高建模速度，降低 出错概率。 (2) 布置网格种子点。即在生成网格之前利用网 格尺寸控制命令事先定义要生成网格的对象线的分 割单元大小，这样能够使得不同面（或体）的相邻边 （或面）的网格大小一致，以保证相邻边（或面）的 节点耦合。 (3) 分网格。对于平面问题，Midas/GTS 提供（高 次）三角形和（高次）四边形单元，内置循环网格法、 格栅网格法和德劳内网格法，三种方法均能划分高质 量的单元，由于 FLAC3D 对网格质量的要求较高， 宜尽量采用规则的 brick 网格（六面体），因此对于较 为复杂的边坡模型，建议采用格栅网格法以“四边形 + 三角形”的方式生成混合网格，这种划分方式使得 绝大部分为均匀的四边形网格，只有在局部不规则的 区域用三角形过渡。最后通过编制程序转换成 FLAC3D 中的“brick + wedge”混合网格。对于三维 问题，一般采用四面体和六面体划分网格。 (4) 检查网格。Midas/GTS 的“检查网格”菜单 能检查网格的自由边（面），一般采用此功能来检查 模型内部是否存在节点不耦合的情况；“检查网格质 量”菜单则可以对单元的纵横比、锥度、扭曲、雅克 比比率等进行检查，便于发现质量不好的单元。 2.2 Midas/GTS 与 FLAC3D 的网格数据格式 Midas/GTS 与 FLAC3D 有各自的数据结构，根据 表 1 中的节点对应关系就能实现从 Midas/GTS 到 FLAC3D 的网格转换。目前边坡工程一般等效为平面 应变问题或假三维问题分析，此时首先在 Midas/GTS 中建立平面网格模型，然后对平面单元进行纵向扩展 （一般扩展单位长度）以生成 FLAC3D 的三维网格。 如表 1 所示，平面三角形单元扩展为 wedge 网格、平 面四边形单元扩展为 brick 网格。对于三维的边坡问 题，Midas/GTS 中的四面体、楔形体、六面体能直接 转换为FLAC3D的 tetrahedron网格、wedge网格、brick 网格。 表 1 Midas/GTS 与 FLAC3D 网格节点对照表 2.3 Midas/GTS 模型导入 FLAC3D Midas/GTS 能够提供网格模型的节点和单元信 息，通过节点表格和单元表格查询。节点表格的表头 格式为“节点号，坐标系，X 坐标，Y 坐标，Z 坐标”， 每一行代表一个节点信息，单元表格的表头格式为 “单元号，单元类型，属性，属性类型，材料，特性， 节点 1，节点 2，节点 3……节点 N”，每一行代表一 增刊 钟志辉等：基于 Midas/GTS 的 FLAC3D 边坡建模技术及工程应用 263 个单元信息，其中可以通过指定不同的属性或材料以 实现 FLAC3D 中的分组（GROUP）功能。表格的内 容均可复制到 Excel 表格或文本上以便进行操作。 FLAC3D 的网格数据则是以点（GRIDPOINT）、 单元（ZONE）、组（GROUP）的形式保存的，保存 的文件以*.flac3d 为后缀，完整的数据结构如下： * GRIDPOINTS 节点表头 G 1 0.0 0.0 0.0 节点 1 坐标信息 G 2 1.0 0.0 0.0 节点 2 坐标信息 …… * ZONE 单元表头 Z B8 1 1 2 3 4 5 6 7 8 单元 1 的信息 …… * GROUPS 组表头 ZGROUP soil 标记组 soil 1 单元 1 属于组 soil …… ZGROUP rock 标记组 rock 10 单元 10 属于组 rock …… * GRIDPOINTS 为节点的表头，其下面的行是节 点信息，格式为“G 节点号 X 坐标 Y 坐标 Z 坐标”； * ZONE 为单元的表头，其下面的行是单元信息，格 式为“Z 网格类型 网格编号 节点 1 节点 2 节点 3……”；* GROUPS 为组的表头，ZGROUP 标记一个 组，一个组标记后面的行是单元编号，表示该编号的 单元都属于这个组。 可见，根据表 1 的对应关系，将 Midas/GTS 的网 格数据转换成 FLAC3D 的网格数据文件，利用 FLAC3D 的 impgrid 命令读入数据文件即可生成网格 模型。 3 三角形与四边形单元的精度比较 多数边坡工程按平面应变问题进行分析，因此一 般在 Midas/GTS 中采用平面三角形或四边形单元划 分网格，然后转换成 FLAC3D 的 brick 或 wedge 网格。 但采用三角形单元生成的网格的计算精度比四边形 单元的要低，现选用澳大利亚计算机应用协会 (ACADS)发布的一个边坡稳定分析考题来说明。该 边坡模型见图 1，侧压力系数 0K 为 0.65，土体参数 见表 2，ACADS 给出的安全系数为 1.00。模型底部 固定，左右侧边按 0h K hσ γ= 施加侧压力。 图 1 ACADS 考题的计算模型 Fig.1 Computational model of ACADS exercise. 表 2 ACADS 考题的计算参数 土体重度 γ/[kN·m-3] 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ/° 弹性模量 E/MPa 泊松比 μ 20.0 3.0 19.6 10.0 0.25 在 Midas/GTS 中分别采用三角形和四边形进行 网格划分，单元尺寸统一取 0.5，网格分布分别见图 2。 导入 FLAC3D 后采用内置的强度折减法求解安全系 数，结果见表 3。 可见对于相同的单元尺寸，即使三角形的单元数 约为四边形单元的 2 倍，采用四边形单元的计算精度 仍比三角形单元要高，求出的安全系数等于精确值 1.00，而三角形单元的计算结果有 3%的误差。说明 FLAC3D 的计算精度对网格有很强的依赖性，一般认 为均匀的 brick 网格较为适合有限差分法。因此建议 尽量采用四边形单元进行网格划分；而对于较为复杂 的边坡模型，建议采用格栅网格法以“四边形 + 三 角形”的方式生成混合网格，这种划分方式使得绝大 部分为四边形单元，而局部不规则的区域用三角形单 元过渡，从而保证计算精度。 (a) 三角形划分方式 (b) 四边形划分方式 图 2 三角形和四边形网格划分方式 Fig.2 Meshing by quadrilateral and triangular manner. 表 3 三角形与四边形单元的计算结果 单元类型 单元尺寸 单元个数 安全系数 误差% 三角形 0.5 5111 1.03 3.0 四边形 0.5 2270 1.00 0.0 264 西 北 地 震 学 报 第 33卷 4 工程应用 为了验证由 Midas/GTS 生成模型网格然后导入 到 FLAC3D 的可行性，现采用这种建模技术对广东 省乐昌峡的某临水边坡的一个剖面进行建模并分析 其稳定性。该边坡于 2005 年在长时间大暴雨影响下， 边坡体周边出现裂缝和滑动，表明其处于极限稳定状 态。该边坡的土层分布较为复杂，如图 3 所示，地下 水位线经过全风化土层，计算时水位线以下的区域按 静水压力施加孔隙水压力。各土层的参数见表 4，其 中中风化土采用线弹性模型，其余土层采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型。 模型首先在 Midas/GTS 中采用格栅网格法以“四 边形 + 三角形”的方式生成网格，共 7 480 个网格单 元，其中四边形 7 306 个、三角形 174 个，然后把网 格导入 FLAC3D，图 3 给出了 FLAC3D 中的局部网 格情况。 图 3 乐昌峡边坡的土层分布及局部网格 Fig.3 Distribution of soil layers and local grids on Lechangxia slope. 表 4 乐昌峡边坡的土层参数[10] 土层 重度 /[kN·m-3] 粘聚力 /kPa 内摩擦 角/° 弹性模 量/MPa 泊松 比 坡积层 19.0 35.0 15.0 25.0 0.30 水上全风化 19.5 55.8 34.7 38.5 0.25 水下全风化 20.9 48.0 29.7 20.9 0.25 滑带土 21.2 27.0 27.6 37.4 0.27 强风化 24.0 100.0 35.0 100.0 0.25 中风化 26.0 - - 900.0 0.20 采用文献[11]提出的局部强度折减法对该边坡进 行稳定性分析，即仅对滑带土进行强度折减，直到边 坡监测点的位移出现突变，此时的折减系数视为安全 系数。局部强度折减法得出的滑动面见图 4，基本与 滑带重合。另外在坡面设置了位移监控点 A、B（图 4）， 其折减系数-水平位移曲线如图 5 所示，当折减系数 为 1.06 时监测点的水平位移发生突变，所以该边坡的 安全系数为 1.06，表明该边坡濒临失稳，与实际的边 坡稳定状态十分接近。 图 4 边坡滑动面位置 Fig.4 Location of sliding surface on the slope. 图 5 监测点折减系数-水平位移曲线 Fig.5 Relation curves of reduced factor and horizontal displacement at monitoring points. 5 结 语 基于 Midas/GTS 的强大建模功能，通过编制 Midas/GTS 与 FLAC3D 的 模 型 转 换 接 口 ， 从 Midas/GTS 导入网格到 FLAC3D 中，从而实现复杂边 坡模型高效、高质量的建立，解决了 FLAC3D 前处 理的不足和困难，为 FLAC3D 构建复杂的工程模型 提供新的思路。 此外，针对二维复杂边坡的问题，本文建议在 Midas/GTS 中采用“四边形 + 三角形”的方式生成混 合网格，然后导入 FLAC3D 中形成“brick + wedge” 混合网格进行分析，以保证计算精度。 [参考文献] [1] Marti Joaquin, Cundall Peter. 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[11] 杨光华，钟志辉，张玉成，等.用局部强度折减法进行边坡稳定性分 析[J].岩土力学，2010，31(增刊 2)：53-58. —————————————————————————————————————————————————————————————————— （上接 256 页） 3 结论 在围海造地工程中，海中取淤和淤泥吹填会引起 地表和海堤的变形，进行应力应变分析能够定量确定 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 对海堤的影响。本文选择常规的斜坡堤作为代表 进行分析。根据 3 个典型断面，距离 L+b 取 200 m、 250 m、300 m、350 m、400 m、500 m 分别进行计算， 计算结果表明，如果以 10 mm 为控制 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，认为取 淤距离保持 L+b=300 m 是比较合适的。放松对位移 的要求，取淤距离可以更近一些。 需要说明的是，虽然不同设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 下海堤结构形 式和断面会有所不同，但由于取淤位置距海堤较远， 按照圣维南原理，海中取淤对海堤的影响不会随海堤 结构形式的变化而产生显著差别。所以这里针对斜坡 堤的应力变形计算结果也可以应用于其它形式的海 堤。 [参考文献] [1] 陈仲颐, 周景星, 王洪瑾. 土力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1994. [2] T H Wu. Soil Mechanics[M]. Boston: Allyn and Bacon Inc., 1976. [3] 李广信. 高等土力学[M]. 北京:清华大学出版社, 2004. [4] 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算（第二版）[M]. 北京:中国水利水电 出版社, 1996. [5] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京:清华大学出版社, 2003.