岩石力学实验中剖面切分程序的设计与实现

张春明，杨天鸿

（东北大学资源与土木工程学院，沈阳110006）

0 前言

基于连续介质理论和显式有限差分方法的FLAC3D 三维数值仿真分析软件特别适合处理有限元方法（FEM）难于解决的复杂多工况、大变形、岩石失稳、接触面非连续张开和滑移变形等岩土体问题，已在地表工程和地下工程，如边坡、隧道、大坝、采矿、石油、地质等工程中得到了广泛应用。

由于FLAC3D 提供了丰富的力学模型库、多样化的建模手段和接口，还在自身发展过程中加入了针对岩体结构面和采矿方法的本构模型，以满足不同工程类型、复杂层次的模型构建的需要，并提供与ANSYS、ABAQUS 等主流有限元程序之间进行模型交换的数据接口，因此也非常适合实验教学。除用于应力场、位移场等的计算、分析和反演，还能够满足非常规问题应用研究的需要，故深受广大师生的青睐。

在岩石力学实验中，为深入观察岩石试件内部的应力分布情况常常需要对FLAC3D 的三维应力计算结果进行剖切，即创建相应剖面的应力云图，以方便对数据的观察和理解。而手工调用FLAC3D 软件进行剖面切分效率极低，尤其是连续多剖面切分以及研究岩石试件应力场时空演化规律等情形。为此，我们研制了岩石试件剖面切分程序（简称本程序），可以自动对应力场、位移场等计算结果进行任意剖切，并生成相应的位图文件用于后续应力场、位移场等分析。

此外，在计算岩石破裂应力场时，有时为了简便起见会故意忽略岩石普遍存在的非均匀性而将岩石材料赋予一个均匀的宏观力学参数，或者将岩石的非均匀性当作一种随机模型处理，由此可能造成计算结果与岩石内部应力场的演化过程存在差距。若在岩石破裂试验的同时还进行了声发射试验，就可利用声发射等信息动态调整力学参数，更加真实地描述介质体形体特征、受力条件及其相应的应力应变性质，进而反演出较为真实的岩石破裂应力场，以获取工程实际中岩体的损伤规律，得到准确的岩体应力场、位移场等信息，为岩体的开挖支护等工作提供指导。尤其可以利用声发射数据实现岩石破裂动态应力场反演。举例来说，可随时间的推移根据声发射信息对声发射事件附近一定范围内的单元的弹性模量与内聚力进行弱化处理，并按能量及视体积分别确定其弱化程度和弱化范围，最终获得岩石破裂过程中较为真实的动态演化应力场。由于在计算过程中保存有应力场等随时间或步长变化的中间计算结果，因此可利用本程序自动生成剖面的时基序列应力云图。通过连续播放时基序列云图，可以模拟岩石破裂应力场的动态演化过程。结合虚拟现实技术，还可将岩石模型集成到虚拟场景中，进而实现岩石破裂过程的虚拟可视化。

1 系统设计

岩石试件剖面切分程序采用模块化设计，能够按任意平面切割试件剖面或按设定的横向或纵向间隔同时进行多剖面切割，并自动保存相应剖面的云图。连续地播放序列应力场云图，可实现动态应力场分析，并可与虚拟现实系统结合演示应力等的动态演化过程。

使用本程序之前必须做好准备工作：首先在FLAC3D 软件中建立计算模型，包括建立有限差分网格，设置本构特性与材料性质以及边界条件与初始条件，进而获得模型的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的原岩应力状态。对于岩石试件破裂试验来说是指加压前的原始应力状态。然后进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析。FLAC3D 采用显式的时间步进行问题求解,因此必须通过人工或程序确定计算步数及是否已求得最终的解。上述参数的设置可以通过使用FLAC3D 内嵌的二次开发语言Fish 编写的程序实现。在程序末尾加入相应的代码，以便将最终计算结果保存到指定的计算结果文件（扩展名为.SAV）当中。此外，还可以在程序中利用声发射等信息动态调整力学参数，以便更加真实地描述介质体形体特征、受力条件及其相应的应力应变性质，以得到准确的岩体应力场、位移场等信息。为便于后续动态分析，可将每一步的计算结果和最终计算结果都保存下来，存储在文件名为步数编号而扩展名为.SAV 的计算结果文件中，作为岩石试件剖面切分程序的数据源，如图1 所示。

图1 岩石试件剖面切分程序主画面及数据源

准备工作做完后，岩石试件剖面切分程序将读取上述FLAC3D 计算结果文件当中的数据，并根据用户设定的参数自动切分剖面，并将相应的剖面以位图文件形式保存到相应的文件夹中。

2 系统实现

岩石试件剖面切分程序初始界面为基本界面，并且“批量转换”按钮为非可用状态。只有在密码文本框中输入正确的密码才能将程序解锁，此时，“批量转换”按钮转为可用状态。程序根据用户输入的密码自动区别普通用户和高级用户，并进入不同的用户界面。普通用户对应的界面与基本界面完全一致，唯一的区别在于“批量转换”按钮已转为可用状态。高级用户对应的界面上半部与普通用户界面完全相同，但在“批量转换”按钮下方增加了很多参数的设置选项，用于手工赋予力学参数或调整程序用到的各种参数，如图2 所示。

图2 岩石试件剖面切分程序主界面

本程序适用于尺寸为直径70mm、高140mm 的圆柱形岩石试件。对于其他尺寸的岩石试件，可对程序进行相应调整。

本程序支持批量转换，即一次转换当前选中文件夹下所有FLAC3D 计算结果文件（扩展名为.SAV），但不包括子文件夹。极特殊情况下，若子文件夹下也有待转换的计算结果文件，则需要对子文件夹单独进行处理，方法类似。

首先通过双击左上方的文件夹列表来选择FLAC3D 计算结果文件所在的驱动器和文件夹，再利用界面上的控件分别设置沿高度方向和沿直径方向的剖面切分间距，最后单击“批量转换”按钮进行转换，即自动按设定的纵横间距进行剖面切分，并生成相应的剖面位图文件。状态条将显示成功切分的计算结果文件数等信息。

本程序自动在当前选中的文件夹下面创建“剪应变”、“塑性区”、“最大主应力”和“最小主应力”四个子文件夹，然后将当前文件夹下每个计算结果文件的剖面处理结果（切割后的剖面）分类放入“剪应变”、“塑性区”、“最大主应力”和“最小主应力”四个子文件夹下的与计算结果文件同名的子文件夹下。例如，转换计算结果文件261.sav（表示第261 步的计算结果）时所生成的剪应变、塑性区、最大主应力和最小主应力剖面将分别保存在“剪应变”、“塑性区”、“最大主应力”和“最小主应力”四个子文件夹下新建的名为261 的子文件夹下，如图3 所示。

图3 自动切分好的剪应变、塑性区、最大主应力和最小主应力剖面位图文件

其中剪应变、塑性区、最大主应力和最小主应力对应剖面文件的命名规则如下：

以数字命名的文件为y 剖面（默认），数值本身代表该剖面在y 轴上的高度，如0.png、35.png、70.png、105.png、140.png 分别表示位于高度0、35、70、105 和140 mm 处的y 剖面，文件名末尾为-legend 的文件是相应剖面的图例文件。x 剖面和z 剖面的命名规则与此类似，但x 剖面为数字前面加x-字样，z 剖面为数字前面加z-字样。

剖面切分顺序如下：y 轴过试件底部中心沿高度方向截取剖面，其中包括顶面140.png，而x 和z 轴从试件几何中心向两边沿直径方向按设定间隔截取剖面。过试件几何中心x 和z 轴的剖面分别命名为x.png 和z.png，同时生成该方向的前视图和后视图，如x-front.png、x-back.png、z-front.png、z-back.png。前视图和后视图采用正交视图，而非透视图，便于后续根据需要制作试件的外观静态及动态视图。

由于我们在使用FLAC3D 软件计算时保存了每一步的中间计算结果，因此计算结果文件都是按当前步长值命名，如14.SAV、27.SAV……261.SAV 等分别代表了第14 步、27 步和261 步时的计算结果。试件外观静态视图只需在相应的文件下找到x-front.png、x-back.png、z-front.png 和z-back.png 即可，而动态视图只需按照步长从小到大的顺序，如14-27-40-……-261，依次找到相应文件夹下的相应视图文件即可。

高级界面提供了切割任意指定剖面的功能。首先要定义剪切平面，即设置过点坐标和法线方向，然后单击“任意平面剪切测试”按钮即可生成指定剖面云图。

为生成合适尺寸的图例，本程序在高级界面中提供了最大主应力、最小主应力、剪应力的最大值、最小值和图例间隔参数及显示模式设定功能。

此外，本程序还提供了剖面图剪裁对齐功能，用于程序调试。

3 结语

岩石试件剖面切分程序是边坡、隧道、矿山、大坝等岩质或混凝土工程结构岩石试件应力场、位移场等信息分析的理想工具，可用于各类工程现场。依据生成的静态或动态剖面数据，可以从岩石力学的角度解释岩石失稳破裂的原因，进而可以对岩石破坏过程各种参数之间的相互联系做进一步的探索挖掘，还可以对岩石下一步破坏进行分析预测。