FLAC3D中随机裂隙模型实现技术研究

翟会超,任凤玉,张国建

(1.东北大学，辽宁 沈阳 110006；2.辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051 )

1 前言

在工程岩体中常存在节理裂隙。而裂隙弱面的发育程度、分布密度、力学性质等决定着结构体的形状、方位和大小，同时也是控制岩体稳定性、岩体强度的重要因素。在FLAC3D数值分析中，常用Fish语言对模型实体内不同空间位置的单元赋予随机材料参数，或通过双线性应变硬化模型、多节理模型、分界面处理节理等方法来实现对岩体非线性研究。但以上方法较难描述岩体工程中赋存的宏观随机裂隙分布状况。然而，岩体的变形破坏特征与宏观裂隙密切相关。针对这一问题，文中采取Autocad、Ansys联合建模技术，实现宏观随机裂隙模型在FLAC3D中的数值分析。

2 随机裂隙模型实现技术

若生成线型宏观随机裂隙模型，首先对工程岩体进行结构面调查分析，获取优势结构面组的统计资料，进而确定宏观随机裂隙产状、分布密度等空间特征，运用VB程序完成随机裂隙面组在Autocad中的实现；其次，利用Ansys强大的建模功能，对宏观随机裂隙模型按照研究的工程范围进行整体优化设计；最后，通过转换程序将Ansys模型导入FLAC3D中进行数值模拟。主要建模技术流程见图1。

每个裂隙的空间分布主要受倾角、倾向、裂隙长度、空间坐标四个参数控制，而随机裂隙群组在此基础上还要考虑裂隙的分布规律、密度等。因此，为确立空间随机裂隙群，就要以裂隙的产状、分布规律等相关参数为自变量，以控制裂隙方位的空间坐标、裂隙面总数为因变量。运用VB语言按照变量之间的函数关系编写随机裂隙面群生成程序，调用Autocad，并在其中实现随机裂隙空间分布。

图1 随机裂隙模型建模过程

文中裂隙的形状为简单的正四边形，利用四边形角点的坐标便可控制裂隙的空间位置。随机裂隙的空间分布特征以现场实际结构面调查、分析优势结构面组为依据。生成的裂隙全部为优势结构面组类，在空间位置上均匀分布，在产状特征上以优势结构面组的研究结果为根据，即文中生成的随机裂隙是调查分析后的优势裂隙面。

根据裂隙空间位置与裂隙面产状、尺寸的关系，即：

Ψ(X,Y,Z)&Φ(dd,dip,l)

式中：dd为倾向；dip为倾角；l为裂隙边长。

由点生线、由线生面的方法画出随机裂隙面，再循环n次得到n条随机裂隙。

依据工程岩体中实际宏观裂隙的分布条件，使用已编程序在Autocad中生成三维空间随机裂隙面组，见图2。

其次，把cad图形文件保存为dxf格式，运用

转换程序形成Ansys识别的命令流lgw格式文件，并调用lgw格式文件在Ansys里形成随机裂隙组模型。然后利用Ansys独特的强大建模技术进行整体模型设计，在通过布尔运算进行宏观随机裂隙的挖除，进而划分网格。

图2 Autocad中生成的随机裂隙面

最后，把Ansys网格单元模型中的节点及单元数据以lis类型文件导出，运用已编程序将lis文件转换成FLAC3D可以识别导入的flac3d类型文件。通过命令：

impgrid

将网格模型调入FLAC3D进行数值分析。

3 简单随机裂隙模型举例

以简单巷道开挖为例，试验宏观随机裂隙模型在FLAC中的模拟应用。本模型尺寸为：40m×30m×20m的立方体，当中有一近4m×3m尺寸的拱形巷道。随机裂隙模型总体节点数22860个，单元数量129107个；非裂隙模型总节点数1467个，单元数量1135个。模型采用摩尔库仑塑性破坏准则进行分析。材料参数见表1。

表1 岩石材料参数

模型依靠重力平衡，然后再挖去巷道范围应力场二次重分布引起岩体塑性变形，巷道开挖后两种模型在y=15m剖面的塑性区范围见图3。

图3 塑性区分布图

图5中巷道开挖引起围岩受拉破坏，两种模型巷道顶板及底板受开挖影响的破坏范围基本一致。但随机裂隙模型在裂隙周围还存在拉剪塑性区，这加大了破坏面积，说明现实工程岩体的稳定性受裂隙分布的影响很大。根据断裂理论，岩体内存在的节理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程结构的承载能力，易使工程失稳破坏。

4 结论

根据工程岩体内存在裂隙的特点，研究应用VB程序对autocad进行二次开发，在其cad绘图窗口生成随机裂隙面组，然后将其转入Ansys中进行模型整体设计，最后导入FLAC3D中进行模拟分析。从裂隙模型应用结果来看随机裂隙的存在使得岩体内塑性范围加大。根据断裂理论，岩体内存在的节理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程结构的稳定性。同时，随机裂隙模型比非裂隙模型的单元网格数量大数十倍，这是因为随机裂隙模型不易按规整方式划分网格的缘故，这将耗费掉一定的计算机内存。

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