FLAC3D 复杂模型interface 建模方法探讨

郑文华

(中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013)

1 前言

随着计算机技术的广泛应用，岩土工程数值分析软件在大型水利、土建、矿山、交通、市政、石油等工程中的设计分析中起着越来越重要的作用。在岩土工程数值分析过程中，为了更好的模拟岩土体之间的接触问题不可避免的要用到接触单元［1］。

Interface 作为FLAC3D 中的接触面单元，是FLAC3D 中自带的一种无厚度单元，其本构模型采用库仑剪切模型，可用于分析一定受力条件下两个接触的表面上的错动滑移、分开与闭合，能很好地模拟岩锚梁体与周围岩体的接触变形［2］。

可用于模拟节理、断层以及不同块体间的接触面等界面的滑移或分离问题。FLAC3D 中已有的interface 建模方法［3］“分离法”和“移动组合法”难以满足复杂模型的建模需要，因此，国内学者在实际模拟分析中也探讨了部分新的interface 建模方法，如文献［4］中提到的“依次建模法”。但是该方法仍只局限于接触问题的简单分析，即在模型建立之初就必须进行interface 单元的建模，且仅适用于可以依次建模的分析问题。

对于类似隧道开挖支护过程，接触面由无到有的全过程复杂模型interface 建模方法，国内文献中至今仍无详细论述。因此，本文从FLAC3D 建模方法的角度出发，探讨了适用于岩土工程全过程数值模拟分析的复杂模型interface 建模方法，以期为今后的FLAC3D 中interface 的建模方法提供一种参考。

2 interface 单元已有的建模方法

2.1 FLAC3D 软件简介［5］

2.2 interface 界面单元

如图1 所示，在FLAC3D 中interface 接触单元是由一系列三角形单元组成的，每个单元由3 个节点来定义。一般而言，interface 接触单元是依附于固定的面，两个三角形单元可用来定义任意四边形的接触面。在每个接触单元的顶点处会自动生成接触节点。接触节点会自动探测接触的发生过程，并通过法向刚度、剪切刚度或滑动性质等来表达这种接触关系。具体表达方式见图2。

图1 接触单元模型

图2 接触单元本构模型［3］

其力学方程为:

2.3 FLAC3D 中已有的interface 单元建模方法

(1)分离法

先建立两个完整的模型，将需要建立接触面的模型网格分离开，最后设置接触面单元。

(2)移来移去法

将有接触面的两个模型分开建立在不同的位置，然后在其中一个模型上建立接触单元，最后将另一块模型移动到该模型的对应位置，实现接触关系的建立。

图4 移来移去法模型示例

(3)依次建模法［4］

加息对股市到底属于利好还是利空？巴菲特曾经说过：“即使我左边坐着美国财政部长，右边坐着美国联邦储备局局长，他俩偷偷告诉我今年美国将减多少税和加多少息，我也不会根据他们的信息去买卖股票。”投资大师在美国本土尚且如此，何况是远隔重洋呢？有效市场假说理论认为，所有消息都会被提前消化，其影响难以确定。事实上，仅凭有限的分析数据，真很难界定单个因素在所有驱动因子中的权重。

按照先后顺序，先建立模型一，然后进行接触面单元的建立与设置，最后建立另一块模型。

以上三种方法都可以建立简单模型的interface单元，但是对于大型曲面的interface 单元的建立则难以实现。

图5 依次建模法模型示例

3 复杂模型中interface 建模方法

针对复杂模型的接触面单元建立过程困难的问题，需借助于其他的FLAC3D 前处理软件在接触部位先建立曲面，然后进入FLAC3D 的操作界面，进行interface 单元的建立，即“先实体面后接触面法”。

3.1 Ansys 中复杂模型实体面的建立

利用Ansys 的强大功能，在需要进行接触面模拟的界面两侧建立体模型，划分网格。给接触面两侧的体模型赋不同的材料属性，随后将模型信息导入FLAC3D 中。在此过程中最好保证接触面部位存在实体面。

图6 ansys 中的实体面

3.2 FLAC3D 中接触面单元(interface)的建立

将Ansys 中已建好的模型导入FLAC3D 中，可先进行接触问题之前的其他力学问题的模拟分析。当需要进行接触分析时，针对需建立interface 单元的模型:

(1)进行接触面两侧模型的分组

语句:gro contact1 range gro 5

gro contact2 range gro 6

(2)将接触面所在的模型分离

语句:gen separate contact1

(3)进行接触面单元的设置

语句:interface 1 wrap contact1 contact2

在完成接触面模型的建立后，进行相关参数设置及下一步工作。

4 应用实例简介

4.1 工程简介

某隧道工程，采用盾构施工法。上部为软土层，下部为全风化硬层。在模拟隧道开挖施工的过程中，需考虑盾构管片之间以及管片与围岩之间的接触问题，需建立interface 接触单元［6-10］。

4.2 地铁隧道模型

首先利用Ansys 软件建立隧道模型，建模过程中保证了在接触面处存在实体面。如图7 所示。

图7 隧道模型

4.3 interface 界面单元建模

在模型导入FLAC3D 软件以后，对于接触面两侧的模型进行分组(在图中以不同颜色表示)，然后进行模型分离以及接触单元的设置。建模结果如下:

(1)管片纵向接触面

图8 纵向接触面模型

(2)环向接触面

图9 环向接触面模型

5 结束语

本文从FLAC3D 软件的实际运用角度出发，在总结现有interface 建模方法的基础上，提出了基于Ansys 的FLAC3D 复杂模型interface 建模方法。同时，将该方法运用到实际的工程数值计算过程中，验证了该建模方法的有效性、实用性，对今后的FLAC3D 的接触方法建模具有重要的参考价值。

［1］刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］马震岳，凌影，金长宇，江权.某水电站地下厂房岩锚吊车梁三期浇筑可行性分析［J］.水电能源科学，2010，28(3):66-69.

［3］FLAC3D User's Manual.

［4］姜庆红，范慧鹤，李红英，李利彬.FLAC3D 中INTERFACE 建模新方法在采空区模拟中的应用［J］.计算机与现代化，2008，(10):113-115.

［5］彭文斌.FLAC3D 实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［6］黄建明.盾构管片计算模型的选择［J］.铁道建筑，2004，(6):29-31.

［7］邓飞皇.地铁营运期盾构隧道管片位移响应分析［J］.科学技术与工程，2009，9(13):3684-3688.

［8］刘远亮.建筑物施工队地铁隧道影响的三位数值模拟分析［J］.中国水运，2011，(6):255-259.

［9］陈立，赵敏，方俊林.轴向荷载作用下灌注桩数值模拟［J］.河南工程学院学报(自然科学版)，2010，22(1):25-27.

［10］曾亚武，刘继国，蔡元奇.深基坑开挖引起的土体变形模拟［J］.武汉大学学报(工学版)，2006，39(5):53-56.