一种基于CATIA软件进行地质建模与有限元计算的前处理方法及其应用

蒙铎,陈志文,黄俊,张菖(.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 6756; .成都理工大学管理科学学院，成都 60059；.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 60059)

一种基于CATIA软件进行地质建模与有限元计算的前处理方法及其应用

蒙铎1,陈志文2,黄俊1,张菖3
(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756; 2.成都理工大学管理科学学院，成都 610059；3.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059)

使用CATIA软件所建立的复杂地质模型，很难直接用于有限元计算，需要对所建立的模型进行前处理。提出了一种前处理方法：应用岩土参数加权平均法，并结合工程地质分析、有限元计算原理和拓扑学分析方法，对CAITA软件所建立的复杂地质模型进行前处理。该前处理方法既能近似地反映出地质条件，又能达到有限元分析的要求，从而可保证分析结果的准确可靠性。通过对四川某滑坡的地质建模与有限元计算，对该前处理方法进行了实例验证，取得了良好效果。

地质建模; 有限元计算; 拓扑分析; 前处理

1 引言

CATIA虽然不是专业的地质建模软件，但是由于其强大的曲面造型功能和三维协同设计功能已经在行业内使用，特别是水电行业对CATIA三维的协同设计应用已经有了一个较高的水平[1-3]。CAITA建立的地质模型相对于有限元分析来说过于复杂，但是直接使用CAE软件建立地质模型，又太过于复杂和困难，而且三维可视化程度低，因此需要对模型进行必要的前处理。笔者将地质模型分层进行参数加权平均处理，并简化了模型，使模型能导入ANSYS进行计算，并且计算结果接近实际工况。

国内已经有很多关于CAITA地质建模的论文和书籍[4]，笔者在本文中就不对CATIA如何建立地质模型做过多的介绍，只是对四川某滑坡实例容做一些简介。

2 滑坡地形地貌

该滑坡实例所处地域属构造剥蚀中低山斜坡地貌，地势西南高而东北低。滑坡位于山体中下部，整体地形坡度约为15°，局部坡度较大可达50°。整个滑坡在纵向上略显阶状，呈条带状小平台与斜坡相间状地形。在滑坡后缘见明显陡坎，坎高约2～5 m，坡度约40°，在勘查期间因施工影响，后缘阶坎被破坏并见一人工开挖而成的沟壑。在滑坡中部西侧因人工堆砌的形成一高约4 m的土质平台。在滑坡前缘滑体物质大量堆积，现因前缘施工开挖多形成陡坡。

3 CATIA地质模型

根据勘察资料，建立了如图1的地质三维地质模型。

图1 滑坡三维地质模型

笔者将选出中风化灰岩模型(图2)为读者展示CATIA三维地质模型直接导入ANSYS的困难。

图2 中风化灰岩

从图2可以看到建立该模型用了大量的网格，而这些大量的复杂的网格在导入ANSYS的时候会引起ANSYS的直接崩溃。这也就是为什么在用ANSYS分析CATIA三维地质模型的时候需要对CATIA模型做一定的简化的主要原因。下面笔者将先展示简化后的模型(图3)，再说明简化的依据和简化方法。

图3 简化后模型

4 分层参数加权平均法简化三维地质模型

勘察资料显示滑坡覆盖体是以前发生过滑坡的滑体，整个滑坡覆盖体上支离破碎，地表大量发育因拉裂、错动形成的裂缝。在滑坡覆盖上还覆盖有一部分的人工堆积体，这一部分的人工堆积体是滑坡体的一部分。加之人工堆积体和滑坡覆盖体的参数接近，所以讲这两部分合并，是可行的。以下是该滑坡岩土体物理力学参数建议(表1)。

表1 岩土体物理力学参数建议值表

4.1 有限元分析原理对分层参数平均法模型的简化优点的说明

有限元法是把连续体结构离散，近似地用有限个离散体(单元)代替连续结构。然后建立约束方程等边界条件简化或等效，利用应变位移关系和本构关系，将平衡方程转化为线性方程组来求解。有限元计算的步骤我们可以看出，与模型结构紧密相关的是结构离散化。

结构区域离散的方法也就是通常所说的网格划分来说，网格的划分既是力学的标准，也是美学的标准。由于CATIA建模的方式和实际的地质情况，会有一些角度较小的尖角，这样的网格划分出来是不能满足有限元分析的要求。小角度的网格，会使某些点在使用线性求解位移值的时候带来影响计算结果的误差，甚至引起结果不收敛，无法完成有限元计算。分层参数平均法，分层后的各地质体，这就避免了实际情况或者由于建模误差产生的模型小角度[5、6]。

4.2 利用拓扑学简化模型

由于CAD和CAE软件使用要求的不同，CAD软件要将所设计或者是想要展现的东西以尽量详细的方式表现出来，而CAE软件的要求是简单、明了，能够以最简单的方式来展现出所需要计算的模型。

一个三维多边形表面模型由其表面上的顶点组成的,通过其拓扑结构和几何位置两方面的信息来描述,其中拓扑结构是指各顶点之间的相互连接关系,而几何位置是指各顶点在三维空间中的坐标信息[7，8]。在利用CAITA的曲面生成功能生成的曲面会由方格片构成，这会使模型复杂程度增加，而是由于在建模时，为了查看滑坡主轴和副轴断面，要提前对模型进行切割，这就可能产生微小面或者小角度。在图4、图5中我们可以看到，由于分割模型的原因，产生了微小角度和微小面，这样的模型形式会给ANSYS在进行网格划分的时候带来极大的工作量，甚至网格划分失败。

图4 未使用曲面简化的模型

图5 使用曲面简化后的模型

使用CAITA创成式外形设计模块中的曲面简化功能，使曲面简化，这样就避免了上述建模方式对ANSYS网格划分带来的影响。进一步来讲，由于这样的简化，使得实体成为由4个面组成的单元，便可以使用映射网格划分。

综述：使用分层参数加权平均法，将地质体的主要地质体分层，本文算例是以强风化灰岩的2个分界面为分界，将整体的地质模型分为3层。这样的分层方法既使模型变的较为简单，又避免了由于CATIA建模方式所带来的工作量大或者模型无法识别的影响。

4.3 操作方法

(1) 分层

根据将岩土体所占的比例和地层分界面作为分层依据，使用CAITA的布尔操作将其合并。

(2) 切割

主要是根据滑坡主轴和副轴断面进行切割，以便于查看断面的情况。

(3) 参数处理

式中，xi为i岩土体的某一项参数；Vi为i岩土体的体积。

笔者在结合该滑坡的勘查报告和《岩石力学参数手册》，对本次模拟需要用到的参数做了一个统计(表2)。

表2 岩土体物理力学参数计算表

需要说明的是，由于《岩石力学参数手册》中，提到的泥岩与灰混合的的粘聚力值是取为310 kPa，所以笔者在此将其取值为310 kPa。勘查资料中的泥岩和灰岩的内摩擦角过高，笔者在《岩石力学参数手册》中并未发现有如此大的内摩擦角值。最下部地层由于钻孔为涉及该区域，又不影响滑坡稳定性，所以笔者将其简化弹性体。

5 有限元计算

使用solid45单元模拟土体，参数选用分层加权平均处理的结果，对边走向方向和两侧分别固定y和x方向位移，对模型最底部的面固定x,y,z三个方向的位移来进行求解。使用系数折减法求得滑坡剪出口的位置。

ANSYS中的模型：见图6。

图6 导入ANSYS后的模型

划分后的网格：见图7。

图7 划分网格的结果

折减系数1时的结果：

依次为变形图(图8)，y方向位移图(图9)和塑性应变图(图10)。

图8 整体变形图

图9 y方向位移图

图10 塑性应变图

一直到折减系数为3.0时候，ANSYS提示计算结果不收敛。下面笔者将展示折减系数为2.8时候结果：

总体的变形(图11)，y方向位移(图12)，塑性应变(图13)。

图11 折减系数2.8时总体变形图

图12 折减系数2.8时y方向位移图

图13 折减系数2.8时塑性变形图

主轴断面情况：见图14、图15。

图14 折减系数2.8主轴断面y方向位移图

图15 折减系数2.8主轴断面塑性应变图

实际勘查结果：见图16。

图16 勘查资料显示的滑坡影响范围

红色的虚线是勘查的滑坡范围。

对比可以看出，模拟的结果和实际勘查结果在地表的剪出口位置很接近。这一点可以说明分层岩土参数加权平均法还是能较为准确的模拟出滑坡剪出口的位置。y方向的位移的趋势和通常对滑坡的认识一致没在剪出口位置最大[9-12]。塑性位移最大的位置，在勘查资料中表明，是强风化的泥岩破坏的位置，但是由于勘查资料所给的泥岩、灰岩的内摩擦角太大的原因，笔者又将泥岩和灰岩的内摩擦角取小，在计算结果不收敛的前一个折减系数取值的情况下，得到了如下的塑性应变图(图17)。

图17 更改灰岩参数塑性应变图

该图依然有和勘查结果接近的剪出口，和最大塑性应变位置。

从上面结果可以看出，分层岩土参数加权平均法，对于计算滑坡的总体趋势还是比较有效的，能够近似的模拟出剪出口的位置。

6 结论

在结合实际滑坡例子的基础上，利用CATIA三维设计软件建立了地质模型。使用分层岩土参数加权平均法对岩土参数做了处理，并对模型进行了可导入ANSYS进行有限元计算的分析处理。在ANSYS分析中，岩土体采用Drucker-Prager模型，对简化后的滑坡模型进行了有限元计算。计算的结果显示与实际情况比较接近。因此可以得出以下结论：采用分层岩土加权平均法处理后的模型和岩土参数进行有限元分析计算可以近似的反映出滑坡情况，推测滑坡发展趋势，因此该方法是一个较有效的对CATIA软件建立的地质模型进行有限元分析的一个方法。

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[4] 钱骅,乔世范,许文龙,等.水利水电三维地质模型覆盖层建模技术研究[J].岩土力学,2014,(7):2103-2108.

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作者简介：蒙铎(1991- )，男，四川南部县人，硕士，从事地质灾害防治工作。E-mail：342781655@qq.com

A PREPROCESSING METHOD AND IT’S IMPLEMENTATION FOR THE GEOLOGICAL MODELING AND THE FINITE ELEMENT CALCULATION BASED ON CATIA SOFTWARE

MENG Duo1, CHEN Zhi-wen2, HUANG Jun1, ZHANG Chang3
(1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiao Tong University，Chengdu 611756,China;2.Faculty of Management Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Chin)

Complex geological models established by CATIA software, it is difficult to directly used in finite element calculation, needs pretreatments on the established model. Proposes a pretreatment method: application of geotechnical parameters of the weighted average method, and connecting with the engineering geological analysis, finite element calculation principle and topology analysis method to do pretreatments of the complex geological models established by CAITA software. The pretreatment method can not only approximately reflect the geological conditions, but also meet the requirements of finite element analysis, which can guarantee the accuracy of the analysis results. Through the geological modeling and finite element calculation for a landslide in Sichuan, verified this method by an example, it has obtained a good effect.

geological modeling; finite element calculation; topology; pretreatments

1006-4362(2016)04-0091-07

2016-07-20改回日期： 2016-08-25

2013年四川省战略性新兴产业发展专项资金项目(SC2013510109139)

X141;P642.22

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