基于FLAC3D复杂三维地质建模

潘曦 朱斌

摘要：真实地质体三维数值模型构建是进行岩体工程数值分析面临的难题，开展地质体三维数值模型构建方法比较研究具有重要意义。以FLAC3D数字化模型为基础，提出了FLAC3D-Rhino耦合建模方法，详细阐述了各建模方法具体步骤。构建了桂林市五美路停车场商住楼深基坑土方开挖及工程三维数值模型，分析了深基坑上开挖地层位移和水压的变化，研究成果对准确构建地质体三维数值模型具有重要指导作用。

Abstract： The construction of three-dimensional numerical model of real geological body is a difficult problem for the numerical analysis of rock mass engineering. It is of great significance to carry out a comparative study of the construction method of three-dimensional numerical model of geological body. Based on the FLAC3D digital model， a FLAC3D-Rhino coupling modeling method is proposed and the detailed steps of each modeling method are elaborated. Three-dimensional numerical model of excavation and engineering for deep excavation of commercial parking building of Wumei Road parking lot in Guilin City was constructed. The change of excavation stratum displacement and water pressure in deep excavation was analyzed. The research results have important guiding role in accurately constructing three-dimensional numerical models of geological bodies.

关键词：三维数值模型；地质体；多软件耦合；Extrusion

Key words： three-dimensional numerical model；geological body；multi-software coupling；Extrusion

中图分类号：P628 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0188-05

0 引言

在工程领域中，有限元、有限差分等数值模拟技术的应用越来越广泛。当前，在FLAC3D的应用实践中逐渐显现出了一些弊端，突出表现在建模工作量较大、软件前处理功能薄弱、难以有效构建复杂的曲面、三维模型建成后不便修改及构建的数值模型与真实地质体严重不符等方面，严重影响了计算结果的可靠性[1]。

基于计算机构建的岩体可视化模型，构建三维数值计算模型是大势所趋。当前岩土、地下水工程常用数值模拟软件主要有ADINA、ABAQUS、ANSYS、MIDAS、FLAC等，但上述软件均存在较难构建复杂地质体三维数值模型、灵活性差、前期建模能力较弱等问题。基于此，诸多学者针对上述问题展开了研究，郑文棠等[3]结合AutoCAD与FLAC3D及3DEC计算功能，构建了复杂边坡三维地质可视化和数值模型。田树昆等[4]提出了使用AutoCAD二维转三维程序生成三维模型线框的方式构建ANSYS数值计算模型。李翔等[5]利用SURPAC、AutoCAD和ARCGIS等软件生成地质体网格点坐标，并经ANSYS软件网格化后构建了FLAC3D数值模型。廖秋林等[6]通过分析FLAC3D与ANSYS单元数据关系，运用VB语言编写了FLAC3D-ANSYS接口程序。马新根等[7]通过KUBRIX插件实现了Rhino3D模型与FLAC3D的对接。崔芳鹏等[8]通过FLAC3D内嵌Fish语言，编制了可用FLAC3D直接读取Surfer软件数据的程序。孙涛等[9]、许国等[10]利用GOCAD软件建立的地质体三维可视化模型，通过接口程序在ABAQUS、FLAC3D软件中构建了三维数值模型。郭颖星等[11]通过构建Petrel与ADINA的接口程序，实现复杂网格数据的快速移植；王树仁等[12]利用Matlab编写MIDAS/GTSFLAC3D的接口程序，实现了MIDAS/GTS到FLAC3D的转化。类似上述多软件耦合构建三维数值模型的方法较多[13，14]，但构建的数值模型网格质量不高，与真实地质体赋存产状对应性差，且设计工程过程与数值模拟过程差異大。由此可知，FLAC3D的建模优化还有较大空间，理想建模环境应具备以下几项特点：

①建模过程直观，使用空间交互式3D建模方法建模，禁止少用或者不用编程命令。

②建模操作简单，不仅建模难度和工作量降低了，也更便于使用者快速掌握。

③可二次编辑已构建的三维模型，且网格单元划分可控。

④所建三维模型兼容性强，可直接利用或修改同类三维建模软件。

针对这些特点进行优化，本文将地质体三维数字化模型与Rhino、FLAC3D等软件耦合，开展复杂地质体三维数值模型构建方法比较研究，并结合实例来进行验证。

1 复杂地质体三维数字化模型构建

1.1 工程背景

本工程系五美路停车场商住楼，本工程位于桂林市中心象山区榕湖附近，北临五美路，南临临桂路，东靠交通路，西至桂林市规划局。本项目属于一类高层建筑。设计使用年限为50年，抗震设防烈度为六级。地上部分为商业，办公，住宅综合体，地下负一至三层均为停车库、设备用房。建筑高度33.8m。建筑总面积为48103.07m2。商业总建筑面积为10963.18m2，住宅总建筑面积为19216.49m2，办公总建筑面积为11170.03m2，配套公建总建筑面积为540.23m2。五美路停车场商住楼，嵌固端为地下室顶板，地下3层，地上分缝形成3个塔楼，采用框支-剪力墙结构，建筑高度为33.8米，本工程±0.000绝对标高152.780米。

工程概况如表1。

地下室概况：

原地面标高为-1.3m，地下室平面为不规则图形，长106.2米，宽80.4米，平面面积约5618.23平方米。3层地下室层高（相对标高）自上而下依次为4.3m（-5.6m）、3.2m（-8.8m）、3.25m（-12.05m），筏板厚度分650mm和2000mm，电梯井位置筏板厚度最大为2000mm，底板开挖面相对标高为-12.8～15.8米。

①本工程采用逆作法施工，要求逆作钢管立柱桩垂直度偏差控制在1/500以内，且钢管顶标高低于地面1.3m，钢管立柱桩施工难度较大。

②本工程的出土工程量大、开挖深度深，因为采用逆作法，出土效率较低。

③土方开挖形式：

若基坑的土方和混凝土结构工程量较大，其所需工期会相应增加，客观上增大了基坑风险。为了有效控制基坑变形，可利用“时空效应”，将基坑上方开挖和主体结构划分施工段并采取分块开挖的方法。

周边环境：

北临五美路，北面无建筑物，且与人行道相邻。支护桩距道路中线距离大约20米左右，市政管线包括路灯电线、给水管、排水管、电缆等。

南为临桂路，临桂路路面狭小，市政管线包括路灯电线、给水管、排水管、电缆等。

东靠交通路，并有一栋7层住宅楼一栋九层住宅楼，两层住宅楼都为框架剪力墙结构，支护桩中心到建筑物地面砖间距最宽为9.41米，最窄距离为2米，市政管线包括路灯电线、给水管、排水管、电缆等。

西临桂林市城乡建设局。支护桩中心线距离建设局建筑物为9.28米，且距建筑物6.76米的位置为70年代老式建筑。建筑结构为老式砖混结构，基础为浅式基础。

1.2 基于Rhino与Flac3D Extrusion的三维数字化模型构建

现有的有限元、有限差分等大型数值模拟软件存在前处理功能薄弱、较难构建复杂地质体的三维精细化数值模型等不足，要想建立复杂地质体的三维精细化数字模型，三维建模软件不可或缺，将三维数字化模型构建方法与数值模型构建方法耦合，建立三维精细化数值模型是必然趋势。本文利用FLAC3D Extrusion软件构建地质体三维数字化模型，并通过Rhino软件与该模型的耦合，开展地质体三维数值模型构建方法研究。

利用FLAC3D软件分别构建支护桩、止水帷幕、地层等的三维可视化实体模型，如图1所示。

2 复杂地质体三维数值模型多软件构建方法

2.1 FLAC3D-Rhino 耦合建模方法

2.1.1 基于FLAC3D Extrusion 块体模型的构建方法

FLAC3D5.0版本新增添了Extrusion功能，此功能使用挤压能力生成网格应用于FLAC3D中。是一套通过2d形状（画）线性扩展（挤压）形成第三维度的建模方法。

具体操作为：

①建立模型轮廓图。在cad中画出模型轮廓平面图，这个平面图相当于要建立模型的横剖面图。另存为dxf格式。然后读入模型轮廓图。打开FLAC3D5.0版本软件，新建工程，这个工程是你整个工程的名字，之后打开菜单栏中Panes，点击New Extrusion，起工程名后，点击下拉框右边第一个按钮及Import，选中之前建立的*.dxf。

②描图。在flac3d5.0版本中，通过point-Edge Tool来描图，两点确定一直线。若是曲线的话，在曲线两端连接一条直线后，用Contrl point tool控件，将直线中点和要重合的曲线中点重合即可，这时可以看到直线有三点和曲线重合了，这时单击这个折线，会出现Object properties，在里面的Eage type中选择curv就可以使这个折线与曲线完全重合了。也可以直接在Extrusion进行1：1构图。

③网格划分。本文选择按线上单元体个数划分。做法是单击Autozone控件，选择下拉列表中model extent，进行调整，点击确定。再点击每条线，在object properties中可以改变zones的个数，划分成合适的网格大小。

④分组。在construction view控件中进行分组，点击后的视图中用show groups控件及相应的object properties调整组。用ctrl+左键点选在object properties填写组名之后回车分组，如图2所示。

⑤拉伸模型。这个概念和cad中概念相似。点击extrusion控件，可以用point edge tool控件在底部新建几个直线，若拉伸方向不用分组那么就做这个直线了。之后相应属性（比如说长度，每份个数都可以在相应的object properties里调整）。拉伸完成后，生成单元体。点击Extrude按钮，生成的模型，如图3所示。

2.1.2 基于FLAC3D 面模型的构建方法

FLAC3D 5.01软件具有网格点（Grid）通过（Export）功能进行导出。运用文本格式（.txt）方式打开。得知FLAC3D 5.0网格单元的数据形式由4个部分组成。①表示模型生成的时间；②* GRIDPOINTS（点）：表示节点的生成，格式为：节点标志、节点序号、节点（x，y，z）坐标；③* ZONES（单元）：表示单元的生成，格式为：单元标志、单元类型、单元中的节点号；④* GROUPS（分组）：表明单元所属的组。FLAC3D 遵从的是点（GRIDPOINT）、单元（ZONE）、组（GROUP）自下而上的网格建立模式，即在建立实体模型的同时，软件自动完成该实体的部分，并以点、单元和组的形式保存下来。Surfer、Rhino 等软件能够较好地构建复杂地质体模型，且各软件在模型构建方面存在各自优势。上述各软件间存在一定联系，可以通过特定格式文件进行相互转换。本文基于FLAC3D Extrusion三维可视化模型包含的各层面点信息，通过Surfer软件将点信息转入Rhino 软件，生成地表面和地层面，利用FLAC3D程序讲构建出的地质体三维数值模型进行计算。也就是说，构建模型真实地貌的实质就是构建每个地层的面。對于本文模型而言，构建真实地貌的地层面相当于仿真其真实高程值，究其根本为模型文件FLCD3格式中GRIDPOINT节点z轴的坐标。为此，本文将勘察报告中剖面图、柱状图和平面图，运用EXCEL表对勘探点地层高程的层面点信息分类输入。利用Surfer软件参考。Rhino软件形成曲面，导出坐标点更改.flac3d格式文件的z轴坐标进行仿真地层模型的构建。多软件建模耦合流程图，如图4所示。

具體步骤依次如下：

①基于FLAC3D Extrusion通过工程实际要求构建三维模型，将层面体按一定X，Y间距生成点集，见图5。将所有点坐标信息导出.flac3d格式，并整理为Excel可识别的格式。

②利用Surfer软件对真实地层高程点信息进行插值，生成“.Grd”格式的等高线文件，然后导入等高线文件输出地层图。

③利用Excel软件处理“.flac3d”格式的模型文件，提出模型一个层面的x，y，z坐标并导入Rhino软件中形成平面a。再将一层真实地层高程的点信息（如：地表层）通过文件读取Excel表的层面信息选择选取起始面（平面a），参考之前Surfer形成的地层图，对曲面的点间距、U和V方向跨距数、硬度、起始曲面拉力进行调整，形成地层曲面。并对地层曲面提取点坐标，将此曲面的x，y，z轴坐标进行导出并保存至EXCEL表。如图6、图7。

④通过网格x，y一一对应原则，进行z坐标的修改。将修改好的曲面坐标替换掉之前模型.flac3d格式文件中，从GRID进行导入，形成一层仿真地层地貌。如图8。

⑤依据此法修改两层地层形成模型体，如图9。

⑥通过层层叠加原理建立仿真地层模型，如图10。

3 结语

本文在研究基于多软件与Flac3D耦合的三维数字化模型构建，结合桂林市某深基坑工程的三维数值模型。通过模拟模型可知，此方法能够保证实验数据分层信息与结果数据的分层信息相匹配，基本实现了三维数值建模，对实际的生产应用有一定的参考价值。但是，采用本文所提出的方法，精确度仍有进步的空间。

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