Liakopoulos砂柱重力排水試驗(yàn)初始應(yīng)力場(chǎng)生成方式簡(jiǎn)析

艾麥爾江·麥麥提敏

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

FLAC3D軟件因其流固耦合功能強(qiáng)大，被學(xué)者們廣泛用于實(shí)際工程中涉及地下水問(wèn)題的分析研究[1-6]。如蔣中明等[1]采用FLAC3D對(duì)極端久雨條件下的軟巖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，過(guò)程中采用了Geo-studio(seep)軟件的滲流計(jì)算結(jié)果。但是眾多學(xué)者并未對(duì)涉及孔隙水壓力條件下的初始地應(yīng)力場(chǎng)生成方式進(jìn)行探討。本文應(yīng)用FLAC3D軟件，對(duì)經(jīng)典的Liakopoulos 砂柱重力排水試驗(yàn)開始前涉及穩(wěn)定滲流的初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成方式進(jìn)行分析探討，獲得了一些有益的指導(dǎo)性結(jié)論，可為今后采用FLAC3D軟件進(jìn)行涉及地下水孔隙水壓力相關(guān)問(wèn)題的分析研究提供指導(dǎo)。

2 FLAC3D初始地應(yīng)力場(chǎng)生成方式

基于快速拉格朗日有限差分方法的FLAC3D數(shù)值分析軟件提供了多種初始地應(yīng)力場(chǎng)生成方式。不存在孔隙水壓力情況下，初始地應(yīng)力場(chǎng)生成方式主要有彈性求解法、更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法、分階段彈塑性求解法，生成方式明確，易于理解。

當(dāng)涉及地下水問(wèn)題即有孔隙水壓力存在時(shí)，初始地應(yīng)力場(chǎng)生成方式主要分為滲流求解模式下生成和無(wú)滲流求解模式下生成兩種情況。其中，在無(wú)滲流求解模式下生成主要分為設(shè)置初始應(yīng)力和不設(shè)置初始應(yīng)力兩種情況生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。在設(shè)置初始應(yīng)力的條件下，初始應(yīng)力的設(shè)置值與真實(shí)地應(yīng)力場(chǎng)的接近程度將影響初始應(yīng)力場(chǎng)生成時(shí)的計(jì)算時(shí)間。為此，用戶需要有一定的水力學(xué)知識(shí)，能夠正確計(jì)算出各處的初始地應(yīng)力場(chǎng)的值，正確的計(jì)算結(jié)果將極大縮短FLAC3D生成初始地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的計(jì)算耗時(shí)，從而為后續(xù)計(jì)算過(guò)程節(jié)省時(shí)間。但是，設(shè)置不當(dāng)?shù)某跏紤?yīng)力在某種程度上反而增加FLAC3D生成初始地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的計(jì)算耗時(shí)。

實(shí)際工程中，無(wú)論是邊坡工程還是地下工程，普遍涉及地下水。FLAC3D軟件盡管在流固耦合問(wèn)題中做了不考慮毛細(xì)作用的假設(shè)，即水位面以下有孔隙水壓力、水位面以上孔隙水壓力假設(shè)為0，但由于毛細(xì)作用對(duì)工程的影響相對(duì)較小，尤其在毛細(xì)作用可以忽略的土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡、地下工程中，其模擬結(jié)果與真實(shí)情況較為接近，因此仍然被廣大學(xué)者應(yīng)用于流固耦合問(wèn)題的分析研究[7-12]。

3 模型構(gòu)建

首先采用CAD繪制三維圓柱，尺寸為直徑10 cm，高100 cm，并導(dǎo)出為dxf文件格式；采用Rhino軟件打開，用Rhino軟件自帶的曲面剖分工具對(duì)圓柱進(jìn)行剖分；之后用加載于Rhino軟件的Griddle插件進(jìn)行處理；最后導(dǎo)出成可以在FLAC3D中加載的文件格式，通過(guò)在FLAC3D命令行輸入命令，使模型在FLAC3D中加載完成，再設(shè)置相關(guān)參數(shù)和初始條件，模型見(jiàn)圖1。

圖1 Liakopoulos試驗(yàn)物理模型

試驗(yàn)時(shí)(t=0-)，先通過(guò)不斷在模型頂端提供穩(wěn)定水流，使模型從上至下達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，主要是底部出水速度不再發(fā)生變化，即一定時(shí)間內(nèi)流出的水量經(jīng)過(guò)測(cè)量相等；而后(t=0+時(shí))，切斷頂端水源，使砂柱中的水在自重作用下向下滲出，通過(guò)在模型側(cè)面均勻設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲得在砂柱中的水流自由滲出時(shí)的各時(shí)間點(diǎn)、各位置處孔隙水壓力的變化情況。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用邊長(zhǎng)為0.1～0.2 m之間的四面體對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。頂部設(shè)置為不透水邊界，圓柱四周設(shè)置為不透水邊界，底部邊界設(shè)置為孔壓為0的狀態(tài)，以模擬其與大氣相通；圓柱四周X、Y方向的位移設(shè)置為0，底部界面的X、Y、Z方向的位移均設(shè)置為0。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 設(shè)置初始應(yīng)力和不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)

分析比較模型在不配置滲流計(jì)算模式時(shí)，采用設(shè)置初始應(yīng)力和不設(shè)置初始應(yīng)力的方式生成初始地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的計(jì)算耗時(shí)和計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖2。當(dāng)設(shè)置初始應(yīng)力且設(shè)置正確時(shí)，最后生成正確的初始地應(yīng)力場(chǎng)耗時(shí)(圖2(a))相對(duì)不設(shè)置初始應(yīng)力(圖2(b))較短；當(dāng)不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)，在計(jì)算生成初始地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)需使用‘solve elastic’命令，而在設(shè)置了初始應(yīng)力時(shí)，可直接使用‘solve’命令進(jìn)行計(jì)算求解，而無(wú)需使用‘solve elastic’命令。

圖2 不同方式計(jì)算的Z方向初始應(yīng)力場(chǎng)云圖

4.2 彈性求解和彈塑性求解時(shí)

在分析比較了設(shè)置初始應(yīng)力和不設(shè)置初始應(yīng)力的結(jié)果后，分析比較在不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)，進(jìn)行彈性求解和彈塑性求解獲得的初始應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果。在同時(shí)都將材料設(shè)置成彈塑性材料且材料特性相同的條件下，分別采用‘solve’直接進(jìn)行彈塑性求解和‘solve elastic’命令先進(jìn)行彈性求解后進(jìn)行彈塑性求解，獲得的初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖見(jiàn)圖3。

圖3 不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)Z方向初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖

先進(jìn)行彈性求解再進(jìn)行彈塑性求解時(shí)，結(jié)果見(jiàn)圖3(a)，獲得的初始地應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果和實(shí)際情況相符；而直接進(jìn)行彈塑性求解時(shí)，結(jié)果見(jiàn)圖3(b),獲得的初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖與實(shí)際情況不吻合，說(shuō)明當(dāng)不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)，直接進(jìn)行彈塑性求解計(jì)算的方法不可取，而應(yīng)采用‘solve elastic’ 命令先進(jìn)行彈性求解后進(jìn)行彈塑性求解獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)。兩種計(jì)算求解方式在計(jì)算時(shí)間上相同，但是由前述分析可知，由于采用‘solve’命令直接進(jìn)行彈塑性求解獲得的初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖與實(shí)際不符，因此在用戶不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)，需采用‘solve elastic’ 命令先進(jìn)行彈性求解后進(jìn)行彈塑性求解獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)。

由以上兩種情況的計(jì)算結(jié)果比較可知，在有孔隙水壓力條件下，可以采用設(shè)置初始應(yīng)力后，直接進(jìn)行彈塑性求解獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)，也可以不設(shè)置初始應(yīng)力，而采用‘solve elastic’ 命令先進(jìn)行彈性求解后進(jìn)行彈塑性求解獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)，這兩種方式最后都能夠獲得正確的初始地應(yīng)力場(chǎng)。但是由于在計(jì)算時(shí)間上，設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)比不設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)耗時(shí)大大縮短，因此當(dāng)用戶能夠快速正確地計(jì)算出初始地應(yīng)力場(chǎng)分布時(shí)，建議采用該方法。由于用戶在初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，容易出錯(cuò)，因此想要在采用FLAC3D軟件進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)生成時(shí)設(shè)置正確的初始應(yīng)力并非易事。而不設(shè)置初始應(yīng)力，通過(guò)‘solve elastic’ 命令先進(jìn)行彈性求解后進(jìn)行彈塑性求解同樣能夠獲得正確的初始地應(yīng)力場(chǎng)，因此本文建議采用該方法進(jìn)行孔隙水壓力條件下的初始地應(yīng)力場(chǎng)設(shè)置，既可以避免計(jì)算過(guò)程中出錯(cuò)，又可以避免由于計(jì)算給用戶帶來(lái)的極大困擾和不解，同時(shí)發(fā)揮了FLAC3D軟件自身的作用，充分體現(xiàn)了FLAC3D軟件的優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

在涉及孔隙水壓力時(shí)，通過(guò)對(duì)FLAC3D軟件初始應(yīng)力場(chǎng)生成方式的比較，在模型不配置滲流計(jì)算時(shí)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 可以采用設(shè)置初始應(yīng)力的方式和不設(shè)置初始應(yīng)力的方式生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。

2) 采用設(shè)置初始應(yīng)力的方式生成初始地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，應(yīng)保證設(shè)置的初始應(yīng)力與真實(shí)的初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布一致。

3) 但采用不設(shè)置初始應(yīng)力的方式生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，求解計(jì)算中應(yīng)采用‘solve elastic’ 命令先進(jìn)行彈性求解后再進(jìn)行彈塑性求解，以獲得正確的初始地應(yīng)力場(chǎng)。