基于FLAC^(3D)-COMSOL耦合的采动覆岩渗流演化及展布仿真实验

采空区CO_(2)矿化充填需完全实现对上覆含水体的渗流隔离。基于FLAC3D-COMSOL有限差分-有限元耦合仿真实验方法,模拟了连采连充CO_(2)矿化充填条件下覆岩渗透性演化规律及展布特征,提出基于渗透率劣化率及渗流速度的覆岩分区阈值确定方法。结果表明:采动覆岩渗透率劣化率呈“蝶形”展布,且在开切眼与停采线呈“类马鞍形”分布。整个开采区域可分为恒定区、恢复区、过渡区、剧增区与紊乱区。基于采动覆岩渗流速度,整个区域可分为:无渗流通道、微渗流通道、弱渗流通道、强渗流通道和渗漏通道。以采-充宽度为30—10 m为例,开采块段回采过程中矿井涌水量分别为280、300、950、1150、1350、1550 m^(3)/d,均小于突水量等级划分标准中规定的最低等级。

FLAC^(3D)粘弹性模型的二次开发及其应用

针对FLAC3D(Version2.0)提供的粘弹性本构模型难以描述岩体变形随时间发展趋于稳定的现象,对FLAC3D的粘弹性模拟功能进行了开发,导出广义Kelvin模型的中心差分格式,并采用FLAC3D内嵌功能较强的FISH语言和FLAC3D的相关命令研制了广义Kelvin模型的接口程序。通过检验算例说明了开发思路和接口程序的正确性,同时还指出了二次开发时应注意的一些问题,并对基坑开挖进行了实例分析,结果符合基坑开挖变形规律。

基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC^(3D)中的二次开发及应用

Zienkiewicz-Pande屈服准则是Mohr-Coulomb准则的改进,在p-q子午面和π平面上都是光滑曲线,不存在尖点,不仅在数值迭代计算过程中易于处理,而且在一定程度上考虑了屈服曲线与静水压力的关系以及中主应力σ2对屈服的影响。该准则已应用于多个水电站地下洞室开挖支护计算中,但并未被大型数值计算软件所采用。根据弹塑性力学原理,详细推导了基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的增量迭代计算格式;在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,利用VC++程序语言实现了计算过程,并编译成动态链接库文件进行加载和调用。将自编的本构模型对一理想圆形隧洞进行模拟,计算结果与Mohr-Coulomb准则一致,验证了计算格式的正确性。将此本构模型应用于一大型地下洞室群的开挖围岩稳定分析中,得到的塑性区、位移场、应力场分布与Mohr-Coulomb准则计算结果分布规律相符,进一步验证了模型的适用性和可靠性。

应变软化模型在FLAC^(3D)二次开发中的应用

基于FLAC3D软件提供的二次开发平台,利用Visual C++语言在FLAC3D中成功实现了模拟土的应变软化本构模型的开发,通过算例计算结果与实测值比较验证了开发模型的正确性。以UserMohr模型为例,阐述了在FLAC3D中开发用户自定义模型应具备的基本知识和开发步骤,为其他用户进行FLAC3D的二次开发提供了参考。

硬化土模型在FLAC^(3D)中的二次开发

为了对岩土工程领域相关问题提供数值参考,将硬化土模型与强大的非线性计算功能FLAC3D数值分析软件结合。基于拉格朗日有限差分方法,详细地推导了HS模型在FLAC3D中的增量迭代计算格式,并且给出了更新剪切屈服面应力的算法。在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,利用VC++程序语言实现了计算过程,并将HS模型编译成动态链接库文件进行加载和调用。最后,通过模型计算与试验实测进行比较,验证了二次开发程序的正确性与合理性。

基于SURPAC二次开发的FLAC^(3D)模型构建

FLAC3D软件在矿山岩石力学数值计算上具有独特的优势,但在构建矿山三维模型上存在不足;SURPAC软件在矿山三维建模应用广泛,但无法进行稳定性分析。为了将SURPAC在三维建模方面和FLAC3D在数值计算方面的优势相结合,采用TCL脚本语言对SURPAC进行二次开发,提出一种FLAC3D模型构建的数据转换方法,能够有效避免产生重复节点,从而实现FLAC3D模型的快速构建。以某钼矿为例,利用该方法将SURPAC块体模型转换为FLAC3D模型。结果表明该方法的有效性和可行性。

FLAC^(3D)前处理程序的开发及仿真效果检验

在FLAC3D软件提供的初始单元模型(primitive mesh)的基础上,采用Fortran语言编写了FLAC3D前处理程序,在工程实践中,实现更准确、快捷地建立复杂的FLAD3D计算模型;并探讨了其基本思路、计算方法以及该程序的突出特点;最后,以工程实例检验了此程序的处理功能和仿真效果。

FLAC^(3D)中岩石能量耗散模型的开发与应用

岩石破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象,从能量角度描述岩石强度及变形行为是评价工程岩体安全和稳定性的有效途径之一。为增加能量理论模型分析工程问题时的适用性,准确描述工程岩体变形破坏全过程能量实时演化及分配规律,利用GCTS岩石力学试验系统,开展了常规单、三轴力学试验,结合能量守恒和有限差分理论,推导了岩石弹性能和耗散能的有限差分方程式,采用FISH语言编制了能量耗散模型的有限差分程序,实现了对FLAC^(3D)应变软化模型的二次开发,补充了软件能量计算模块。通过不同围压下岩石室内试验和数值模拟结果对比分析得到:开发的能量耗散模型能有效描述岩石峰后变形特征及破坏路径,可用于研究工程岩体峰后大变形行为,但对峰前压密和塑性变形阶段的描述需谨慎。利用开发模型进一步讨论了深部巷道变形破坏全过程围岩耗散能演化规律,结果表明围岩耗散能集中区与巷道主破坏位置基本吻合,依据耗散能密度可量化巷道围岩压剪破坏程度,评估峰后损伤围岩稳定性,有效弥补了传统采用塑性区定性判别巷道围岩变形破坏及其稳定性时的不足。岩石能量耗散模型在FLAC^(3D)中的应用,扩展了软件适用范围,研究成果不仅可准确定位工程岩体主破坏位置,同时依据耗散能分布密度可量化评估围岩稳定性,为巷道大变形预测预报及加固方案设计提供了一条新途径。

邓肯-张本构模型在FLAC^(3D)中的开发与实现

根据FLAC3D软件提供的二次开发平台,利用VC++环境在FLAC3D软件中实现了邓肯-张本构模型的开发,设计了一系列三轴试验的模拟算例对模型开发的正确性进行了验证。给出了在FLAC3D中开发本构模型的基本步骤和编程要点,为其他用户进行本构模型的修改提供了借鉴和参考。由于FLAC3D开发环境的特点,用户编写的本构模型和软件自带的本构模型的执行效率处在同一水平。

基于FLAC^(3D)的节理岩体采动损伤本构模型的开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展。如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化。根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔–库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC++开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用。通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性。结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中。井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小。模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议。

考虑变形模量劣化的应变软化模型在FLAC^(3D)中的开发与验证

FLAC3D软件中的应变软化本构模型是通过抗剪强度参数劣化来实现的,没有考虑变形模量劣化造成的影响。针对这一问题,采用了变形模量劣化的损伤本构模型,详细推导了劣化损伤本构模型的差分格式,研究该模型在FLAC3D中二次开发的流程,在VC++环境下实现了劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发;通过与深埋圆形洞室应变软化数值解算例对比,进一步验证了该模型弹塑性和损伤的力学性质,分析了变形模量劣化对围岩变形特性的影响。由于该模型能够反映围岩的劣化损伤特性和大变形特点,因此在工程应用中有一定的实用价值。

Davidenkov模型在FLAC^(3D)中的开发及验证

基于FLAC3D提供的二次开发平台,实现了Davidenkov模型的二次开发。给出了在FLAC3D中开发本构模型的基本步骤和编程要点,可为其他用户进行本构模型的修改提供借鉴与参考。将模型土加速度放大系数及动剪切模量与动剪应变关系曲线的计算结果与上海典型软土地铁车站结构振动台模型试验实测结果进行对比,检验了模型的正确性。同时模型的成功开发可为软土地区建筑结构的抗震设计提供一种适用的本构模型。

基于FLAC3D二次开发的含预制缺陷岩体数值模拟

为研究不同缺陷角度下双裂纹岩体的强度与破坏特征,利用C++语言对FLAC3D进行二次开发,构建了1种弹脆性损伤本构模型。引入基础单元与破裂单元的概念,将岩石在细观上破坏前的力学行为假定为线弹性,破裂性质假定为弹脆性,当基础单元达到强度准则后转换为破裂单元,其力学参数进行相应的弱化使其承载能力维持在残余强度水平。数值模拟结果表明,随着缺陷角度的增加,岩体强度先下降后上升,而细观破裂由拉伸-剪切型的混合破坏转变为剪切破坏。

基于FLAC^(3D)的复杂堆积体稳定性分析及其治理研究——以贵州都匀—安顺高速公路摆拢大桥堆积体为例

对于受三维空间分布的不利构造影响、多种地层错综分布的复杂堆积体,难以将其简化为简单结构的模型进行理论计算。为解决复杂堆积体的稳定性计算问题,利用FLAC^(3D)软件构建三维地质模型,根据贵州都匀—安顺高速公路摆拢大桥堆积体工程特性对其进行分区赋值、联合计算,对复杂堆积体的变形破坏机理和稳定性进行分析,并提出治理方案。结果表明:本文方法可以直观地模拟堆积体的变形破坏特点,数值模拟结果显示堆积体滑坡位移较大的区域分布在2区、3区,堆积体滑坡从2区向后牵引1区,形成整体滑移;提出的“路线局部绕避+工程支挡”的路线比选方案更加合理、有效、经济。研究结果可为复杂堆积体的稳定性分析和治理方案的制定提供参考。

基于FLAC^(3D)数值模拟的砂岩顶板导水裂隙带高度及突水性研究

随着开采深度的不断增加,新集二矿1煤组开采活动引起上覆厚层坚硬砂岩岩层的断裂变形现象可能威胁矿井的安全生产。为研究新集二矿煤层深部开采条件下的“上三带”发育规律以及突水危险性,以新集二矿2401采区为研究对象,对新集二矿构造地质条件、水文地质条件进行了详细剖析,确定了1煤组煤层顶板含水层的充水条件;利用经验公式和数值模拟手段预测了2401采区1上煤层回采过程中导水裂隙带发育高度;在此基础上分析了回采后煤层顶板突水危险性,结果表明新集二矿上覆推覆体含水层对2401采区的开采基本不产生影响,影响采区开采的主要充水水源为1煤组顶板砂岩水及1煤组底板太原组灰岩裂隙水,对采后涌水量进行了准确预测;含水层富水性受断层及裂隙发育影响,需利用瞬变电磁物探手段对顶板砂岩富水性进行探查,圈定顶板砂岩富水区并对底板灰岩进行超前探测,查明底板灰岩构造及水文地质特征。通过研究认为数值模拟方法对研究导水裂隙带发育高度和矿井突水预测有一定理论参考价值,也可对煤矿安全生产提供较高的参考价值。

基于FLAC^(3D)的露天矿山深部开采边坡稳定性研究

为研究复杂地质条件露天矿山深部开采整体边坡稳定性问题,根据现场钻孔数据和地质调查,依次通过犀牛软件建立复杂三维地质体模型、griddle软件对模型进行网格划分、导入FLAC^(3D)三维数值分析软件进行计算,最终得到矿山露天边坡的应力大小(最大拉应力为0.3 MPa)、位移量(最大位移量13 cm)、塑性区分布、剪应变增量,最小安全系数值等结果。通过对三维软件计算结果的逐个分析,得出该露天矿山深部开采边坡的稳定情况,Ⅰ区边坡稳定性略差,Ⅲ区的边坡稳定性最差,Ⅳ、Ⅴ区边坡稳定性好,该结论为矿山深部开采边坡监测划分重点区域和矿山安全生产提供理论依据和技术保障。

经天路图-FLAC^(3D)接口程序研发

针对经天路图软件不能对多层状地质体的地基承载力进行快速分析的问题,基于3D WinForms控件Eyeshot,利用C#语言在Visual Studio 2019平台上研发了经天路图与地基承载力分析软件FLAC^(3D)之间的接口程序。研发中采用了三角网算法、多层状地质体可视化算法和网格优化算法等。所研发的接口程序具有图形化显示界面,能够从经天路图读取多层状地质体地形数据,并根据地质勘探数据对地质体分层,能够在ANSYS中自动建立有限元网格模型,基于FLAC^(3D)命令流自动完成网格模型读入与转换、材料属性和边界条件的定义等前处理工作并执行求解,能够自动导出常用分析结果并回传至经天路图。算例验证表明,采用接口程序对多层状地质体进行地基承载力分析,极大地提升了设计人员的工作效率。

基于FLAC^(3D)的延吉某工程边坡稳定性研究

边坡稳定性是边坡防治工程的关键技术问题,边坡的稳定性问题直接关系到人们的生命财产安全。本文以延吉市某建筑边坡为工程背景,通过现场调查及钻探资料、试验分析、数值模拟等手段,获取边坡岩土物理力学参数,运用FLAC^(3D)软件,采用摩尔-库伦本构模型对该边坡进行稳定性分析评价。选取两个典型剖面建立模型,模拟分析边坡仅在重力影响下的应力以及最大不平衡力变化情况。计算得出两个剖面的安全系数,分析每个剖面的X向应力云图、Z向位移云图与剪切应变增量图。通过对比得出边坡位移和应力变化趋势,确定边坡易发生失稳的区域并判断边坡是否需要治理。本文对延吉某边坡进行稳定性计算,探究其变形破坏机理,意为类似工程的稳定性分析和治理设计提供参考。

基于FLAC^(3D)的路堑边坡稳定性分析

【目的】道路切割坡体、暴雨和车辆荷载等条件会对路堑边坡的稳定性造成极大的影响。本研究以辉县市上八里镇回龙村张沟边坡为例,根据边坡所处的环境特征,分析其在不同工况影响下的变形特征及稳定性,为边坡的防治提供依据。【方法】使用FLAC^(3D)软件对边坡进行数值模拟,研究边坡在天然和暴雨条件下的变形和稳定性,并调用FLAC^(3D)内置的Fish函数对路堑边坡坡前道路车辆产生的动荷载进行模拟,对动荷载下滑坡体内部的变形特征进行分析。【结果】(1)边坡在天然和暴雨情况下的稳定性系数分别为1.9和1.186;(2)坡前公路动荷载峰值由1×10^(5)N增加为1×10^(6)N时,坡脚处水平最大应变值增大13.4%,后缘水平最大应变值增大13.2%。【结论】暴雨降低了岩土体的强度,直接破坏了边坡的稳定性,坡前竖直方向动荷载增加了坡体水平方向剪切带的连续性,但其对坡体最大应变量造成的影响较小。

基于FLAC^(3D)原理模拟斜井支护效果研究

【目的】斜井介于平港和竖井之间,结构受力具有一定的复杂性,因此研究斜井硐室开挖和支护的有效性和可行性尤为重要,有必要对斜井支护效果展开研究。【方法】采用FLAC^(3D)对斜井围岩变形及支护技术方案的应力场、位移场和塑性区的分布变化情况进行数值模拟分析。【结果】在斜井开挖过程中,未支护工况下城门型斜井拱腰、拱顶、拱脚及底板等三处是开挖围岩最不稳定区域。支护后的围岩应力场、位移场和塑性区的分布减少了较多,其中,拱顶下沉位移量从57 mm降至5.3 mm;拱腰处水平位移量从26.7 mm降至15.7 mm;底板水平位移量从11.3 mm降至7.14 mm。【结论】在支护工况下的围岩应力场、位移场和塑性区的分布得到了较好改善,对斜井围岩的位移变形、塑性区范围起到了显著的控制作用。