FLAC3D的实例应用分析
FLAC3D数值模拟在采矿工程的应用
一个多面体可能有5个、6个、7个或8个网格点，主要取决于多
面体的形状。给定每个节点的x，y和z值这样就具体确定了有限
差分单元，。其他叫法有：节点，交点。
有限差分栅格（Finite Difference Grid）……有限差分
网格是研究区域中一个或多个通过物理边界连接的有限差分单
元的集合。另一个叫法是网格，有限差分网格也可以标识出模
岩土力学/岩石力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预 测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等
岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程
特色：
大应变模拟 完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过
程不存在数值上的障碍 显示求解具有较快的非线性求解速度
FLAC3D简介
1 承受荷载能力与变形分析：用于边坡稳定和基础设计 2 渐进破坏与坍塌反演：用于硬岩采矿和隧道设计 3 断层构造的影响研究：用于采矿设计 4 施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究：岩锚和土钉的 设计 5 排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研 究：挡土墙结构的地下水流动和土体固结研究 6 粘性材料的蠕变特性：用于碳酸钾盐矿设计 7 陡滑面地质结构的动态加载：用于地震工程和矿山岩爆研究 8 爆炸荷载和振动的动态响应：用于隧道开挖和采矿活动 9 结构的地震感应：用于土坝设计 10 由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定：高辐射 废料地下埋藏的性能评价 12 大变形材料分析：用于研究粮仓谷物流动及井巷和矿洞中 材料的总体流动
开始
生成网格并调整网格的形状； 持续的运动和连续的物质属性； 特定的边界条件和初始条件。
到达平衡状态
效果是否符合要求
作如下改变： 开挖模型的物质属性
改变边界条件
FLAC3D数值模型深度开发及能量分析法的实现及应用
FLAC3D数值模型深度开发及能量分析法的实现及应用摘要：传统数值模拟分析，主要是分析应力云图、表面位移、塑性区分布，我们结合工作实际，额外提供一种新的分析方法，即能量法，该分析方法可用于巷道围岩的稳定分析、围岩冲倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，可以模拟出围岩冲击倾向性指标值、预判巷道破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。
关键词：FLAC3D；数值模型；开发；能量分析；应用前言弹塑性力学中，当弹性体受到外力作用后，不可避免地要产生变形，同时外力的势能也要发生变化。
当外力缓慢地（不致引起物体产生加速运动）加到物体上时，视作静力，便可略而不计系统的动能，同时也略去其他能量（如热能等）的消耗，则外力势能的变化就全部转化为应变能（一种势能）储存于物体的内部。
当巷道开挖前或工作面回采前，围岩处于自然平衡状态，即原岩应力状态，同时围岩内部存储的能量也处于平衡状态，即原始能量场，视作静态能量场，当开巷或回采资源后，破坏了原来的应力平衡，围岩内应力将会按照岩石介质的本构关系重新分布，形成新的平衡状态，即形成二次应力场，在围岩应力重新平衡过程中，围岩不可避免的产生应变，围岩内部能量场也重新分布，形成新的能量场。
随着计算机技术的快速发展，数值仿真方法成为一种重要的工程分析手段，本文通过FLAC3D数值分析软件内置编程语言，将弹塑性力学公式程序化，并通过FLAC3D图形显示模块，将巷道周围围岩的能量场可视化，从而分析开挖体周围的能量聚集状态，其结果可用于：巷道围岩的稳定分析、围岩冲击倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，结合围岩冲击倾向性指标值预判巷道冲击可能和破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。
1需要解决的技术问题首先是巷道围岩的稳定分析，其次是围岩冲倾向及冲击发生部位压的预测，第三就是对巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测。
利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性
利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性一、本文概述随着全球气候变化和人为活动的加剧，地震等自然灾害对人类社会和自然环境的影响日益显著。
边坡作为地壳表面的一种常见地貌形态，其稳定性对于防止地质灾害、保护人民生命财产安全具有重要意义。
FLAC3D作为一款广泛应用于岩土工程领域的数值模拟软件，其强大的三维有限差分计算能力使得它成为分析边坡地震稳定性的重要工具。
本文旨在利用FLAC3D软件，针对某一具体边坡进行地震稳定性分析，探讨其在不同地震动作用下的响应特征，以期为边坡工程的设计、施工和维护提供理论支持和决策依据。
本文首先将对FLAC3D软件的基本原理和计算方法进行简要介绍，阐述其在边坡稳定性分析中的适用性。
接着，结合某一具体边坡的实际情况，建立相应的数值模型，并设定不同等级的地震动作为输入条件。
通过数值模拟，分析边坡在地震作用下的变形、应力分布以及破坏模式，探究边坡的稳定性变化规律。
本文还将讨论不同影响因素，如边坡几何形态、材料性质、地震动强度等对边坡稳定性的影响，以期全面评估边坡的地震稳定性。
通过本文的研究，旨在深入了解FLAC3D在边坡地震稳定性分析中的应用，为边坡工程的安全设计和有效管理提供科学依据。
也为类似工程问题的研究提供参考和借鉴。
二、FLAC3D软件介绍FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）是一款由Itasca公司开发的专门用于模拟岩土工程问题的三维显式有限差分程序。
该程序基于拉格朗日描述，能够模拟岩土体在复杂应力路径下的变形和流动行为。
由于其强大的计算能力和灵活的建模方式，FLAC3D在岩土工程领域得到了广泛的应用。
FLAC3D的核心优势在于其能够模拟岩土体的弹塑性行为、大变形、流动和破坏过程。
程序内置了多种本构模型，如Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager模型等，这些模型能够准确描述岩土体的应力-应变关系。
3.FLAC应用举例分析
3 FLAC应用举例分析以上内容详细地介绍了使用FLAC程序建模的过程，以及建模过程中应注意的问题，下面将用实例进一步说明FLAC二维程序以及三维程序的具体应用。
1、北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程。
(1)工程简介本工程为北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线土建工程的一部分。
该工程位于海淀圆明园前八家西侧、下穿城市铁路及京包铁路。
暗挖隧道呈东西走向，全程61.455m，隧道中线与京包线相交处铁路里程为K19+579.6，与城铁相交处城铁里程为K7+897.4。
为了确保北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程施工期间的安全，本着稳妥可靠、安全第一、经济合理、技术先进的原则，将对隧道在开挖过程中引起的上覆岩土层和暗挖隧道移动变形进行数值计算，以确定隧道施工引起的铁路地基沉降量和隧道变形量。
(2)数值计算模型由于隧道范围较长且左右对称，假设整个隧道在轴线方向变形很小，用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零，因此本工程选择其中一个剖面的右半部分进行数值模拟和力学分析。
图6-41 城铁暗挖工程岩性分布图隧道宽度5.7m ，模型宽度取半个隧道宽度的5倍，即14.25m ，模型总高度为24.15m ，其中：自地表至隧道顶部深度7.35m ，隧道高度4.2m ，隧道底部向下取隧道高度的3倍，即12.6m ，图6-41是数值计算模型岩性分布图。
根据模型的尺寸，模型共划分为15295个平面单元，构成计算模型单元网格尺寸平均为0.15×0.15m(图6-42)，模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动。
高填土素填土粉质粘土注浆区砼衬砌y =2.7 kPa挖引起的地面最大位移为17.47mm，在隧道一侧的地表下沉影响宽度为8m左右，隧道顶部沉降量为10.52mm。
计算结果表明：整个隧道的垂直位移场和水平位移场的分布是合理的，引起的路面沉降量也在合理的范围以内，因此采用标号C25的混凝土衬砌以及注浆加固部分土体可以满足工程的稳定性需要。
flac3d在某古滑坡稳定性分析中的应用
flac3d在某古滑坡稳定性分析中的应用flac3D是一种用于建模和分析三维地质力学问题的三维离散元（DiscreteElement）技术，它可以用来模拟地质体、滑坡和泥石流等地质灾害，已经广泛应用于滑坡稳定性分析。
本文将以一个古滑坡稳定性分析为背景，介绍flac3D在分析中的应用。
本次分析的实例是一个位于某地的古滑坡。
该滑坡起源于一段时间以前，在山体上方有很多砂砾，下方接触着背斜粘土，水文情况良好。
在现实场景中，因滑坡堆积物的下滑而导致的破坏情况还不清楚，需要分析来帮助确定滑坡的稳定性和防治措施。
为了实现对上述滑坡的模拟和分析，我们需要将实际情况转换为计算机模型，以便进行稳定性分析。
为此，我们首先使用工程测量和地质调查获取山体地质形态资料，包括山体处理和颗粒大小分布等。
然后，收集和加工地面测量数据，包括结构和物质强度、动力学模型和破坏性参数。
接下来，利用flac3D程序建立滑坡模型，并利用获取的地质资料对模型进行调整和分析。
为了有效模拟滑坡的动态形态变化，我们使用逐步开采的模拟，通过自动发射来模拟施阻力所造成的滑坡变形，并根据结果得到滑坡变形量。
为了确定破坏性参数，我们利用flac3D建立几个相似的模型，其中模拟条件基本相同，但破坏性参数不同，可以有效模拟滑坡的形态变化。
从形态变化的模拟结果中，我们确定出最合适的破坏性参数，用于最终的稳定性分析。
最后，我们还使用了flac3D对获得的模型进行稳定性分析，计算出滑坡的定性和定量稳定性系数，并根据分析结果给出防治建议。
通过使用flac3D，我们顺利完成了上述滑坡稳定性分析。
综上所述，flac3D是一个功能强大的建模和分析工具，在本次滑坡稳定性分析中大显身手，可以有效模拟滑坡变形并确定破坏性参数，并可以有效计算定性和定量稳定性系数，从而为滑坡防治提供参考。
本文虽然只介绍了一个实例，但可以认为flac3D的应用和影响远不止于此，在研究和预测地质灾害和稳定性分析方面发挥着重要作用。
FLAC3D基本原理及简单实例
V 1 2v ( 1 2 3) V E
• 如果地下岩体处于静水应力状态，则以 1 2 3 rH 带入上式可 得
V (1 2v) rH 3rH V E K
FLAC3D基础知识
FLAC 的计算循环图
3D
二．FLAC3D中材料的本构模型
1、FLAC3D内置材料本构模型
8 6 3 3
柱体网格
块体外围渐变放射网格 六面体隧道外围渐变放 射网格 柱形交叉隧道网格 棱椎体网格 退化块体网格 柱形壳体网格
cylinder
radbrick radtunnel cylint pyramid dbrick cshell
6
15 14 14 5 7 10
3
4 4 5 3 3 4
FLAC3D基础知识
f t 3 t
式中， 是摩擦角，C是粘聚力， t 是张拉强度，且有：
N
3
张拉强度不超过 值，最大值由下式给定：
1 sin 1 sin
t max
c tan
2.2 FLAC3D常用材料本构模型
Mohr-Coulomb模型
流动法则
Mohr-Coulomb破坏准则
FLAC 基本操作及简单应用
3D
一 FLAC3D基础知识
二 FLAC3D中材料的本构模型
三 FLAC3D的应用实例
FLAC3D基础知识
FLAC 分析的基本组成部分
3D
FLAC3D基础知识
FLAC 基本形状网格的基本特征
名称
六面块体网格 楔形网格
3D
关键词
brick wedge
控制点个数 单元划分的方向个数
SURFER.DAT
FLAC3D在矿业工程中的应用111
The End 谢 谢！
三、FLAC基本算法
• FLAC软件的设计的基本算法即拉格朗日差分法， 是一种 利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并利用差分 格式按时步积分求解。 • 对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区 域的合力的影响。如果合力不等于零，结点就会失稳而产 生运动，从而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。 对于每一个区域而言，可根据其周围结点的运动速度求得 它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。 由应力增量求出t 和t+△t 时刻各个结点的不平衡力和各个 结点在t+△t 时的加速度。积分加速度，即可求出结点新 的位移值，从而计算出各结点新的坐标值。
• 具体过程： • 1、计算模型和计算参数的选取 • 2、计算结果及对比分析
• 结论：当研究区域内存在断层时， 经典的概率积分法 不能考虑断层的影响，致使其不能合理地预计地表移 动与变形， 尤其是不能合理地预计地表移动最大值的 位置。在这种情况下， 用FLAC 等数值模拟方法克服 了概率积分法需要确定一些预计参数的缺点， 无需作 任何假设和确定一些关键的参数， 完全是建立在客观 反映原型)和模拟开挖过程力学效应的基础上， 模型越 能反映原型的客观条件， 就越能准确地预计开采引起 的地表变形， 所以在数值模拟方法中， 对原型的考察 、研究和合理的简化是十分重要和必要的。
合理性从而在某种程度上说明在生产实践中这样的三
带划分具有一定的指导意义。
3、FLAC 在矿山开采沉陷预测中 的应用
• 矿山开采前对开采沉陷作出预计对保护地面建筑物和 地面环境具有十分重要的意义。值得一提的是，60 年 代我国学者引入波兰学者提出的开采沉陷的随机介质 理论，并加以改进和完善，提出了地表移动预计的概 率积分法，该方法直到目前仍被我国采矿行业广泛应 用。
FLAC3D的实例应用分析
FLAC3D的实例应用分析首先是岩土工程领域。
FLAC3D可以用于模拟岩土体的力学行为，预测在不同荷载作用下的岩土体变形和破坏，为设计和施工提供依据。
例如在基岩边坡稳定性分析中，FLAC3D可以模拟边坡在自然的和工程加载下的变形和破坏，评估边坡的稳定性，并优化边坡设计。
另外，FLAC3D还可以用于模拟土体动力响应，预测地震荷载下土体的动力特性和地震响应，为抗震设计提供参考。
其次是矿产资源开发领域。
FLAC3D可以模拟矿山开采过程中岩体的破坏和变形，评估开采对周围环境的影响，提供合理的采矿方案。
比如在隧道开挖中，FLAC3D可以模拟隧道的开挖和支护过程，评估围岩的稳定性，指导隧道支护设计和施工。
此外，FLAC3D还可以用于矿山坍塌、局部塌陷和裂隙水压力分布等现象的模拟与分析。
第三是地下空间开发领域。
FLAC3D可以模拟地下空间的开挖、支护和使用过程，预测开挖对周围建筑物的影响，评估地下空间的稳定性和安全性。
例如在地铁隧道施工中，FLAC3D可以模拟盾构掘进和地面沉降过程，评估地下水位、水压及地表沉降对周围土体的影响，指导施工方案的调整与优化。
最后是地质灾害研究领域。
FLAC3D可以模拟地质灾害的发生过程，了解其机理和演化规律，评估灾害对人类和环境的影响，提出相应的防灾措施。
例如在滑坡研究中，FLAC3D可以模拟土体的滑动过程，预测滑坡位置、速度和影响范围，为滑坡防治提供科学依据。
此外，FLAC3D还可以用于模拟地震、火山喷发和地下水位变化等灾害事件的发生和演化。
综上所述，FLAC3D在岩土工程、矿产资源开发、地下空间开发和地质灾害研究等领域有着广泛的应用。
它的模拟能力和计算精度使其成为解决实际问题的重要工具，为工程设计和决策提供准确、可靠的技术支持。
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1.6、FLAC3D界面介绍
命令栏
1.6、FLAC3D界面介绍
图形显示窗口
提
纲
一﹑FLAC3D软件简介 二﹑FLAC3D应用实例
三﹑FLAC3D软件应用
四﹑FLAC3D模拟技巧
2.1、老虎台矿开采诱发矿震的力学机理分析
地质条件
F1 F26 F25
FLAC3D的实例应用分析
提
纲
一﹑FLAC3D软件简介 二﹑FLAC3D应用实例 三﹑FLAC3D软件应用 四﹑FLAC3D模拟技巧
1﹑FLAC3D软件简介
1. FLAC3D——Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions
2. FLAC3D建立在拉格朗日算法基础上，采用有限差分显式算 法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从 而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究岩土工程设计 是非常重要的。
5. 采用全动力运动方程，即时对于静力问题也是如此。这使 得FLAC3D能够没有任何障碍地模拟物理不稳定性问题。
6. 采用显示求解方式（与常用的隐式方法比较）。显示方法 在求解非线性问题的（应力－应变关系）时间几乎等同于 线性关系问题，而隐式算法可能花费很长时间，因为它并 不需要储存任何矩阵，因此，不需要修改刚度矩阵，这就 意味着：（a）具有中等内存的计算机能够采用较多的计 算单元模拟；（b）模拟大应变问题比小应变问题几乎不 多花计算时间。
f1
f3 2 f0 h2
y
12 h
8
4
5
11 3
0
1
9
7
2
6
10
x h
f y
0
f2 f4 2h
2 f 2 y
0
f2 f4 2 f0 h2
1.2、FLAC3D的求解过程
速度 Gauss定律
应变率
对所有的网格节点
平衡方程
(动量方程)
E5200
E6000
~1992
破坏场发展趋势
~2000
E5200
1999-2000
E6000
近断层岩体的动力学响应
（井田西部）
F25断层露头
F25断层-200m
Shear Disp., mm
Shear Disp., mm
0.9
0.8
(1992-2000)
0.7
0.6
78001-1
0.5
0.4
0.3
加载低于极限强度的 层状结构体
德鲁克－普拉格模型
限制应用的材料： 具有低摩擦角的软土介质
同隐式有限元程序通用的模型
摩尔－库仑塑性模型
松散和粘结的颗粒材料； 土质、岩石和混凝土
一般岩土力学 （如边坡稳定性和地下开挖）
应变硬化/软化摩尔－库仑模型
应变硬化或软化的非线性 颗粒介质
研究峰后破坏特性 （如渐进蹋落、矿柱屈服、冒落）
1.1、有限差分法
f1
f0
h f x 0
h2 2
2 f x2
0
f3
f0
h
f x
0
h2 2
2 f x2
0
f f1 f3
x 0
2h
2 x
f
2
0
beam
cable
2. 锚索(cable)单元
pile
3. 桩(pile)单元
4. 壳(shell)单元 5. 格栅(geogrid)单元
shell
土工织物；土工格栅
6. 衬砌(liner)单元
geogrid
liner
1.5﹑FLAC3D接触单元
接触单元原理
1. 三角形单元(无厚度!) 2. 三种工作模式
dui dt
ij
x j
gi
对所有单元
应力—应变关系 (2 3
.
G)ekk
.
2G eij }t
节点力 单元积分 新的应力
1.3、FLAC3D本构模型
1. 开挖模型null 2. 3个弹性模型
a. 各向同性弹性 b. 横观各向同性弹性 c. 正交各向同性弹性 3. 8个塑性模型 a. Drucker-Prager模型 b. 双线性应变硬化/软化遍布节理模型 c. Morh-Coulomb模型 d. 应变硬化/软化模型 e. 遍布节理模型 f. 修正剑桥模型和胡克布朗模型
0.2
0.1
0
7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 Step
3
3. FLAC3D适用模拟计算岩土材料力学行为，特别适合模拟大 变形和扭曲，包括材料的高度非线性(应变硬化/软化)、不可 逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变)、孔隙介质的应力—渗流耦
合、热—力耦合以及动力学问题等。
1﹑FLAC3D软件简介
4. 采用“混合离散法”用以精确模拟塑性坍塌和塑性流动。 这种方法比有限元法中采用的渐进迭代更为有效。
遍布节理模型
显现为强度各向异性的 薄层叠合结构材料
在密集层理地层中的开挖
双线性应变 硬化/软化遍布节理模型
表现为非线性硬化或软化的 层状材料
研究层状材料的峰后破坏特性
修正的Cam粘土模型
变形和剪切强度是体积变量函数 的材料
土体介质中的岩土结构
1.4、FLAC3D结构单元
结构单元类型 1. 梁(beam)单元
F18 F7-1
E5200剖面图
老虎台矿开采历史
老虎台矿自1907年开始开采，至今已有近百年的开采历史。
矿震事件统计
1988年1月至2000年5月，随着老虎台矿开采深度增大和向 断裂构造逼近，矿震频率和震级都呈上升趋势，平均每月 发生矿震52.2次，远远超出了抚顺地区天然地震的数量， 最大震级达到3.6ML。
矿震震级 (ML)
矿震数目 (次)
11.5 5721
1.62.0 1675
2.12.5 298
2.63.0 63
3.13.6 19
合计 7776
矿震震级、频度与时间特征
1100m
F25
z y x
计算模型
F1-A F1
F26
3800m
F16 F18
F7-1 3000m
1999-2000
1.3、FLAC3D本构模型
模型
代表性材料
可能应用范畴
开挖模型
空区
孔、开挖体、嗣后充填体
弹性模型
均质、各向同性、连续介质 制造材料（如钢）；加载低于极限强度；
线性应力应变关系
安全系数计算
正交各向同性弹性模型
具有3个相互正交轴方向上 弹性介质
加载低于强度极限下的 柱状玄武岩
横观各向同性弹性模型
显现为各向异性弹性 薄层叠合结构材料