FLAC3D的实例应用分析

FLAC3D数值模型深度开发及能量分析法的实现及应用摘要：传统数值模拟分析，主要是分析应力云图、表面位移、塑性区分布，我们结合工作实际，额外提供一种新的分析方法，即能量法，该分析方法可用于巷道围岩的稳定分析、围岩冲倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，可以模拟出围岩冲击倾向性指标值、预判巷道破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。

关键词：FLAC3D；数值模型；开发；能量分析；应用前言弹塑性力学中，当弹性体受到外力作用后，不可避免地要产生变形，同时外力的势能也要发生变化。

当外力缓慢地（不致引起物体产生加速运动）加到物体上时，视作静力，便可略而不计系统的动能，同时也略去其他能量（如热能等）的消耗，则外力势能的变化就全部转化为应变能（一种势能）储存于物体的内部。

当巷道开挖前或工作面回采前，围岩处于自然平衡状态，即原岩应力状态，同时围岩内部存储的能量也处于平衡状态，即原始能量场，视作静态能量场，当开巷或回采资源后，破坏了原来的应力平衡，围岩内应力将会按照岩石介质的本构关系重新分布，形成新的平衡状态，即形成二次应力场，在围岩应力重新平衡过程中，围岩不可避免的产生应变，围岩内部能量场也重新分布，形成新的能量场。

随着计算机技术的快速发展，数值仿真方法成为一种重要的工程分析手段，本文通过FLAC3D数值分析软件内置编程语言，将弹塑性力学公式程序化，并通过FLAC3D图形显示模块，将巷道周围围岩的能量场可视化，从而分析开挖体周围的能量聚集状态，其结果可用于：巷道围岩的稳定分析、围岩冲击倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，结合围岩冲击倾向性指标值预判巷道冲击可能和破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。

1需要解决的技术问题首先是巷道围岩的稳定分析，其次是围岩冲倾向及冲击发生部位压的预测，第三就是对巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测。

利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性一、本文概述随着全球气候变化和人为活动的加剧，地震等自然灾害对人类社会和自然环境的影响日益显著。

边坡作为地壳表面的一种常见地貌形态，其稳定性对于防止地质灾害、保护人民生命财产安全具有重要意义。

FLAC3D作为一款广泛应用于岩土工程领域的数值模拟软件，其强大的三维有限差分计算能力使得它成为分析边坡地震稳定性的重要工具。

本文旨在利用FLAC3D软件，针对某一具体边坡进行地震稳定性分析，探讨其在不同地震动作用下的响应特征，以期为边坡工程的设计、施工和维护提供理论支持和决策依据。

本文首先将对FLAC3D软件的基本原理和计算方法进行简要介绍，阐述其在边坡稳定性分析中的适用性。

接着，结合某一具体边坡的实际情况，建立相应的数值模型，并设定不同等级的地震动作为输入条件。

通过数值模拟，分析边坡在地震作用下的变形、应力分布以及破坏模式，探究边坡的稳定性变化规律。

本文还将讨论不同影响因素，如边坡几何形态、材料性质、地震动强度等对边坡稳定性的影响，以期全面评估边坡的地震稳定性。

通过本文的研究，旨在深入了解FLAC3D在边坡地震稳定性分析中的应用，为边坡工程的安全设计和有效管理提供科学依据。

也为类似工程问题的研究提供参考和借鉴。

二、FLAC3D软件介绍FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）是一款由Itasca公司开发的专门用于模拟岩土工程问题的三维显式有限差分程序。

该程序基于拉格朗日描述，能够模拟岩土体在复杂应力路径下的变形和流动行为。

由于其强大的计算能力和灵活的建模方式，FLAC3D在岩土工程领域得到了广泛的应用。

FLAC3D的核心优势在于其能够模拟岩土体的弹塑性行为、大变形、流动和破坏过程。

程序内置了多种本构模型，如Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager模型等，这些模型能够准确描述岩土体的应力-应变关系。

3 FLAC应用举例分析以上内容详细地介绍了使用FLAC程序建模的过程，以及建模过程中应注意的问题，下面将用实例进一步说明FLAC二维程序以及三维程序的具体应用。

1、北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程。

(1)工程简介本工程为北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线土建工程的一部分。

该工程位于海淀圆明园前八家西侧、下穿城市铁路及京包铁路。

暗挖隧道呈东西走向，全程61.455m，隧道中线与京包线相交处铁路里程为K19+579.6，与城铁相交处城铁里程为K7+897.4。

为了确保北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程施工期间的安全，本着稳妥可靠、安全第一、经济合理、技术先进的原则，将对隧道在开挖过程中引起的上覆岩土层和暗挖隧道移动变形进行数值计算，以确定隧道施工引起的铁路地基沉降量和隧道变形量。

(2)数值计算模型由于隧道范围较长且左右对称，假设整个隧道在轴线方向变形很小，用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零，因此本工程选择其中一个剖面的右半部分进行数值模拟和力学分析。

图6-41 城铁暗挖工程岩性分布图隧道宽度5.7m ，模型宽度取半个隧道宽度的5倍，即14.25m ，模型总高度为24.15m ，其中：自地表至隧道顶部深度7.35m ，隧道高度4.2m ，隧道底部向下取隧道高度的3倍，即12.6m ，图6-41是数值计算模型岩性分布图。

根据模型的尺寸，模型共划分为15295个平面单元，构成计算模型单元网格尺寸平均为0.15×0.15m(图6-42)，模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动。

高填土素填土粉质粘土注浆区砼衬砌y =2.7 kPa挖引起的地面最大位移为17.47mm，在隧道一侧的地表下沉影响宽度为8m左右，隧道顶部沉降量为10.52mm。

计算结果表明：整个隧道的垂直位移场和水平位移场的分布是合理的，引起的路面沉降量也在合理的范围以内，因此采用标号C25的混凝土衬砌以及注浆加固部分土体可以满足工程的稳定性需要。

1FLAC3D 实例分析教程刘波韩彦辉（美国）编著《FLAC 原理实例与应用指南》北京：人民交通出版社，2005.9 Appendix(附录)版权所有：人民交通出版社，Itasca Consulting Group, USA说明：1．本实例分析教程是为方便读者学习、应用FLAC 和FLAC3D 而编写的，作为《FLAC 原理、实例与应用指南》一书的附录。

2．计算算例参考了Itasca Consulting Group 的培训算例，命令流的解析旨在方便读者理解FLAC 和FLAC3D 建模及求解问题的一般原则与步骤。

3．实例分析的算例中，FLAC 算例是基于FLAC 5.00 版本、FLAC 3D 算例是基于FLAC 3D 3.00 版本实现计算分析的。

读者在学习和研究相关算例时，请务必采用Itasca 授权的合法版本进行分析计算。

4．本实例分析教程仅供读者参考，读者在参考本教程算例进行工程分析时，编者对可能产生的任何问题概不负责。

编者2005.10.182实例分析1：基坑开挖图1：基坑开挖的位移等值线图例1：; simple tutorial – trench excavation;简单的隧道开挖方法; Step 1: create initial model state;第一步：初始模型的建立; create grid; 建立网格gen zone brick size 6 8 8;建立矩形的网格区域，其大小为6×8×8; assign material;指定材料的性质model mohr;采用摩尔-库仑模型prop bulk 1e8 shear 0.3e8;模型的材料性质：体积模量1×108 剪切模量0.3×108prop fric 35 coh 1e3 tens 1e3;摩擦角35°粘聚力1×103 抗拉强度1×103; set global conditions;设置全局参数set grav 0,0,-9.81《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程3;设置重力加速度，z 坐标正方向为正，故为-9.81ini dens 2000;初始密度为2000; set boundary conditions;设置初始边界情况fix x range x -0.1 0.1;在x 方向上固定x = 0 边界，为滚动支撑fix x range x 5.9 6.1;在x 方向上固定x = 6 边界，为滚动支撑fix y range y -0.1 0.1;在y 方向上固定y = 0 边界，为滚动支撑fix y range y 7.9 8.1;在y 方向上固定y = 8 边界，为滚动支撑fix z range z -0.1 0.1;在z 方向上固定z = 0 边界，为滚动支撑; monitor model variables to check for equilibrium;监控模型变量，并控制力学平衡hist unbal;监测不平衡力，并保留历史记录（在默认情况下，每十步做一次记录）hist gp zdisp 4,4,8;监测网格坐标点（4，4，8）在z 方向的位移，并保留历史纪录solve;运算，求解(默认情况下ratio= 1×10−5停止运算)pause;暂停save t1.sav;形成sav 文件，并保存为t1.savpause;暂停;rest t1.sav;恢复t1.sav 文件; Step 2: excavate trench;第二步：开挖隧道model null range x 2,4 y 2,6 z 5,10;在x（2，4）y（2.，6）z（5，10 ）范围内建立零模型（即开挖这一部分区域）pause;暂停set large;在全局下设置大应变状态initial xdis 0.0 ydis 0.0 zdis 0.0;把x，y，z 重新设置为0（因为我们只为了观察基坑引起的位移变化，;而不是从施加重力荷载引起的位移变化，这不会影响计算结果）pause《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程4;暂停step 1000;运算1000 步pause;暂停save t2.sav;形成sav 文件，并保存为t2.savret;放在批处理文件的最后，以返回FLAC3D的控制状态《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程5实例分析2：浅基础的稳定性分析图2 ：浅基础位移矢量图例2 ：;---------------------------------------------------------------------; -二维的条形基础在Tresca 材料中的塑性流动;---------------------------------------------------------------------gen zone brick size 20 1 10;建立矩形的网格区域，其大小为20×1×10model mohr;采用摩尔-库仑模型prop bul 2.e8 shea 1.e8 cohesion 1.e5;模型的材料性质：体积模量2.0×108 剪切模量1.0×108 粘聚力1.0×105 prop friction 0. dilation 0. tension 1.e10;内摩擦角0°剪胀角0°抗拉强度1.0×1010fix x range x -.1 .1;在x 方向上固定边界x =0（即只在x 方向上受约束）fix x y z range z -.1 .1;在x y z 方向上固定边界z =0（即为固定约束）fix x y z range x 19.9 20.1;在x y z 方向上固定边界x =20fix y《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程6;约束所有y 方向上运动fix x y z range x -.1 3.1 z 9.9 10.1;在x y z 方向上固定平面x =0，3 z= 10ini zvel -0.5e-5 range x -.1 3.1 z 9.9 10.1;在平面x =0，3 z= 10上初始化z方向的速度为−0.5×10−5def p_cons;用fish 语言定义函数p_conspdis1 = gp_near(0.,0.,10.);靠近坐标（0，0，10）的节点的地址赋予pdis1pdis2 = gp_near(0.,1.,10.) ;;靠近坐标（0，0，10）的节点的地址赋予pdis2p_sol = (2. + pi); 2 +π赋予p_solend;用于fish 语言的结尾p_cons;运行函数p_cons;---------------------------------------------------------------------; p_load : average footing pressure / c;场地的平均压力; c_disp : magnitude of vertical displacement at footing center / a;场地中心的垂直沉降量;---------------------------------------------------------------------def actLoad;定义函数actLoad（活荷载）（fish 语言的起始句）pnt = gp_head;把网格点指针的首个地址（gp_head）赋予变量pntpload = 0.0;定义变量pload 为0n = 0;定义变量n 为0loop while pnt # null;loop是循环命令，其条件是pnt ≠0if gp_zpos(pnt) > 9.9 then;当变量pnt 所对应的z 坐标大于9.9if gp_xpos(pnt) < 3.1 then;且x 坐标小于3.1 时pload = pload + gp_zfunbal(pnt);变量pload 为上次循环中的值与变量pnt 所对应的z 方向上的不平衡力的和n = n+ 1;n 自我加1endif;结束里面的ifendif《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程7; 结束外面的ifpnt = gp_next(pnt); 把网格点指针的下一个地址（gp_next）赋予变量pntendloop;结束循环actLoad = pload / (3.5 * z_prop(zone_head,'cohesion'));这里函数actLoad 的值，为后面的式子所赋予，其中pload 为循环结束后的最终;值z_prop(zone_head,'cohesion')为首个单元的粘聚力的数值c_disp = -(gp_zdisp(pdis1) + gp_zdisp(pdis2)) / 7.0; 同理，这里函数c_disp 的值，也为后面的式子所赋予，其中gp_zdisp(pdis1)为;变量pdis1 所对应的网格点在z 方向的位移，gp_zdisp(pdis2) 变量pdis2 所对应;的网格点在z 方向的位移end; fish 语言的结束句def p_err;定义函数p_errp_err = 100. * (actLoad - p_sol) / p_sol;函数p_err 的值为后面式子所定义end;fish 语言的结束句hist n 50;对n 做历史记录hist actLoad;对actLoad 做历史记录hist p_sol;对p_sol 做历史记录hist c_disp;对c_disp 做历史记录hist unbal;对unbal（不平衡力）做历史记录plot sketch;绘出轮廓线plot add vel;添加矢量plot add his 1 2 vs 3;绘出历史记录n，actLoad ，p_solcyc 15000;运行15000 时步print p_err;输出函数p_err《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程8save pran.sav;形成sav 文件，并保存为pran.savret;放在批处理文件的最后，以返回FLAC3D的控制状态《FLAC 原理实例与应用指南》FLAC3D 实例分析教程9FLAC3D 文件夹FLAC3D文件夹的内容文件夹内容Flac3d300…*3Dshop…CommandReferenceFISHinFLAC3D…FluidMechnicalInteractionOptionalFeaturesStructuralElementsTheoryBackgroud…UserGuideVerificationProblems…Resource可执行编码，DLLs，安装数据文件六面体网格的数据文件参考命令的数据文件FLAC3D 中的FISH 数据文件关于流体力学的相互作用的数据文件可选择属性的数据文件结构单元的数据文件理论和背景的数据文件用户指南的数据文件有关某些确定问题的实例的数据文件FLAC3D 的资源文件ManualsFlac3d300… FLAC3D用户指南（PDF格式）SharedDriversFishtankModels…ResourceUtility…驱动程序安装指南FISH 函数的Itasc 编码Itasc 用户定义的模型Itasc 资源文件―更新‖和―动画‖功能* 这里和下面的(…) 表示此文件夹下还有子文件夹。

flac3d在某古滑坡稳定性分析中的应用flac3D是一种用于建模和分析三维地质力学问题的三维离散元（DiscreteElement）技术，它可以用来模拟地质体、滑坡和泥石流等地质灾害，已经广泛应用于滑坡稳定性分析。

本文将以一个古滑坡稳定性分析为背景，介绍flac3D在分析中的应用。

本次分析的实例是一个位于某地的古滑坡。

该滑坡起源于一段时间以前，在山体上方有很多砂砾，下方接触着背斜粘土，水文情况良好。

在现实场景中，因滑坡堆积物的下滑而导致的破坏情况还不清楚，需要分析来帮助确定滑坡的稳定性和防治措施。

为了实现对上述滑坡的模拟和分析，我们需要将实际情况转换为计算机模型，以便进行稳定性分析。

为此，我们首先使用工程测量和地质调查获取山体地质形态资料，包括山体处理和颗粒大小分布等。

然后，收集和加工地面测量数据，包括结构和物质强度、动力学模型和破坏性参数。

接下来，利用flac3D程序建立滑坡模型，并利用获取的地质资料对模型进行调整和分析。

为了有效模拟滑坡的动态形态变化，我们使用逐步开采的模拟，通过自动发射来模拟施阻力所造成的滑坡变形，并根据结果得到滑坡变形量。

为了确定破坏性参数，我们利用flac3D建立几个相似的模型，其中模拟条件基本相同，但破坏性参数不同，可以有效模拟滑坡的形态变化。

从形态变化的模拟结果中，我们确定出最合适的破坏性参数，用于最终的稳定性分析。

最后，我们还使用了flac3D对获得的模型进行稳定性分析，计算出滑坡的定性和定量稳定性系数，并根据分析结果给出防治建议。

通过使用flac3D，我们顺利完成了上述滑坡稳定性分析。

综上所述，flac3D是一个功能强大的建模和分析工具，在本次滑坡稳定性分析中大显身手，可以有效模拟滑坡变形并确定破坏性参数，并可以有效计算定性和定量稳定性系数，从而为滑坡防治提供参考。

本文虽然只介绍了一个实例，但可以认为flac3D的应用和影响远不止于此，在研究和预测地质灾害和稳定性分析方面发挥着重要作用。

FLAC3D的实例应用分析首先是岩土工程领域。

FLAC3D可以用于模拟岩土体的力学行为，预测在不同荷载作用下的岩土体变形和破坏，为设计和施工提供依据。

例如在基岩边坡稳定性分析中，FLAC3D可以模拟边坡在自然的和工程加载下的变形和破坏，评估边坡的稳定性，并优化边坡设计。

另外，FLAC3D还可以用于模拟土体动力响应，预测地震荷载下土体的动力特性和地震响应，为抗震设计提供参考。

其次是矿产资源开发领域。

FLAC3D可以模拟矿山开采过程中岩体的破坏和变形，评估开采对周围环境的影响，提供合理的采矿方案。

比如在隧道开挖中，FLAC3D可以模拟隧道的开挖和支护过程，评估围岩的稳定性，指导隧道支护设计和施工。

此外，FLAC3D还可以用于矿山坍塌、局部塌陷和裂隙水压力分布等现象的模拟与分析。

第三是地下空间开发领域。

FLAC3D可以模拟地下空间的开挖、支护和使用过程，预测开挖对周围建筑物的影响，评估地下空间的稳定性和安全性。

例如在地铁隧道施工中，FLAC3D可以模拟盾构掘进和地面沉降过程，评估地下水位、水压及地表沉降对周围土体的影响，指导施工方案的调整与优化。

最后是地质灾害研究领域。

FLAC3D可以模拟地质灾害的发生过程，了解其机理和演化规律，评估灾害对人类和环境的影响，提出相应的防灾措施。

例如在滑坡研究中，FLAC3D可以模拟土体的滑动过程，预测滑坡位置、速度和影响范围，为滑坡防治提供科学依据。

此外，FLAC3D还可以用于模拟地震、火山喷发和地下水位变化等灾害事件的发生和演化。

综上所述，FLAC3D在岩土工程、矿产资源开发、地下空间开发和地质灾害研究等领域有着广泛的应用。

它的模拟能力和计算精度使其成为解决实际问题的重要工具，为工程设计和决策提供准确、可靠的技术支持。

《FLACFLAC3D基础与工程实例》阅读札记目录一、FLACFLAC3D软件概述 (2)1. 软件背景与简介 (3)1.1 FLACFLAC3D的发展历程 (4)1.2 软件的应用领域及特点 (5)2. 软件安装与运行环境 (6)2.1 系统要求 (7)2.2 安装步骤 (8)2.3 运行环境配置 (10)二、FLACFLAC3D基础知识 (11)1. 基本概念与术语 (13)1.1 有限元分析原理 (14)1.2 离散元法简介 (14)1.3 FLACFLAC3D中的相关术语解释 (15)2. 软件操作界面及功能模块 (17)2.1 操作界面介绍 (18)2.2 主要功能模块说明 (20)2.3 菜单功能详解 (20)三、工程实例分析 (22)1. 地质工程实例 (23)1.1 工程背景及问题定义 (25)1.2 模型建立与参数设置 (26)1.3 结果分析与讨论 (27)2. 土木工程实例 (29)2.1 工程概况与建模目的 (30)2.2 建模过程及计算步骤 (31)2.3 结果展示与工程应用 (32)四、FLACFLAC3D应用技巧与注意事项 (33)1. 建模技巧与优化方法 (34)1.1 建模策略及优化思路 (35)1.2 网格划分与模型简化技巧 (36)1.3 参数设置与模型验证方法 (38)2. 数据分析与处理方法 (40)2.1 数据采集与整理方法 (41)2.2 结果分析与图表展示技巧 (42)一、FLACFLAC3D软件概述3D是一种广泛使用的岩土力学与有限元分析软件。

它是一套专门用来分析连续介质中的物理力学现象的强大工具，主要应用于土木、矿山、隧道等领域，能针对各种复杂的工程问题进行数值建模和模拟分析。

3D以其高效、灵活的数值分析能力，为工程师提供了强大的技术支持。

其主要特点包括：多功能：3D能够模拟多种物理过程，包括应力分析、稳定性分析、流体流动分析等，适用于多种工程场景。

建筑面积计算规则一、计算建筑面积的范围1.单层建筑物不论其高度如何，均按一层计算建筑面积。

其建筑面积按建筑物外墙勒脚以上结构的外围水平面积计算。

单层建筑物内设有部分楼层者，首层建筑面积已包括在单层建筑物内，二层及二层以上应计算建筑面积。

高低联跨的单层建筑物，需分别计算建筑面积时，应以结构外边线为界分别计算。

2.多层建筑物建筑面积，按各层建筑面积之和计算，其首层建筑面积按外墙勒脚以上结构的外围水平面积计算，二层及二层以上按外墙结构的外围水平面积计算。

3.同一建筑物如结构、层数不同时，应分别计算建筑面积。

4.地下室、半地下室、地下车间、仓库、商店、车站、地下指挥部等及相应的出入口建筑面积，按其上口外墙（不包括采光井、防潮层及其保护墙）外围水平面积计算。

5.建于坡地的建筑物利用吊脚空间设置架空层和深基础地下架空层设计加以利用时，其层高超过2.2m，按围护结构外围水平面积计算建筑面积。

6.穿过建筑物的通道，建筑物内的门厅、大厅，不论其高度如何均按一层建筑面积计算。

门厅、大厅内设有回廊时，按其自然层的水平投影面积计算建筑面积。

7.室内楼梯间、电梯井、提物井、垃圾道、管道井等均建筑物的自然层计算建筑面积。

8.书库、立体仓库设有结构层的，按结构层计算建筑面积，没有结构层的，按承重书架层或货架层计算建筑面积。

9.有围护结构的舞台灯光控制室，按其围护结构外围水平面积乘以层数计算建筑面积。

10.建筑物内设备管道层、技术层、贮藏室其层高超过2.2m时，应计算建筑面积。

11.有柱的雨蓬、车棚、货棚、站台等、按柱外围水平面积计算建筑面积；独立柱的雨蓬、单排柱的车棚、货棚、站台等，按其顶盖水平投影面积的一半计算建筑面积。

12.屋面上部有围护结构的楼梯间、水箱间、电梯机房等，按围护结构水平面积计算建筑面积。

13.建筑物外有围护结构的门斗、眺望间、观望电梯间、阳台、橱窗、挑廊、走廊等，按其围护结构外围水平面积计算建筑面积。

14.建筑物外有柱和顶盖走廊、檐廊，按柱外围水平面积计算建筑面积；有盖无柱的走廊、檐廊按其顶盖投影面积一半计算建筑面积。