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摘要：文中主要介绍了新型处理程序——FLAC3D在当代基坑工程中应用以及开发，文中分析了其在大规模的岩土工程数值分析中的优势，以及它的不足之处。
关键词：基本思路 软件土钉网喷内支撑 基坑工程
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 FLAC3D前处理程序的开发
1.1 程序开发的基本思路
FLAC3D前处理程序的开发有2种基本思路：一是开发全新的前处理程序，即计算模型完全是通过该程序直接建立并转化至FLAC3D进行分析；二是借助于既有通用CAE软件平台，在其基础上开发不同类型单元的接口程序。开发不借助于任何CAE软件平台的前处理程序不仅工作量大，而且建模效率也不及现有成熟的CAE软件。如果能在现有CAE软件平台上开发前处理接口程序，则技术人员能将更多的精力用于复杂模型的建立上，而直接通过接口程序自动实现批量数据的转换。HyperMesh软件[7]是美国Altair公司开发的CAE软件包，其最显著的特点是具有强大的网格前处理功能。HyperMesh建立的计算模型可以导入ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN和PAM-CRASH等通用有限元程序进行分析计算，极大地降低了复杂模型的前处理构建成本，减少了分析人员模型前处理的工作量。但HyperMesh建立的计算模型并不能直接导入FLAC3D进行分析计算，针对这一问题，采用FORTRAN语言开发基于HyperMesh平台的FLAC3D前处理程序。基于ANSYS单元类型模板，HyperMesh与FLAC3D的转换关系如图1所示，前处理接口程序将计算模型划分为结构单元和实体单元2类：结构单元包括Link8单元、Beam4单元和Shell63单元，实体单元为Solid45单元。Link8单元可转换为FLAC3D的Cable单元，Beam4单元可转换为FLAC3D的Beam单元和Pile单元，Shell63单元可转换为FLAC3D的Shell单元、Geogrid单元和Liner单元，Soild45实体单元可转换为FLAC3D的Zone实体区段。
图1 HyperMesh与FLAC3D转换关系
图1 HyperMesh与FLAC3D转换关系
1.2 实体单元及结构单元节点转换关系
任何通用CAE前处理软件，其内部单元生成均具有一定的规则。对实体模型，有限元软件称之为单元与节点，FLA3D称之为区段与网格点，因此软件之间的接口处理程序需将节点与单元分别转换成网格点与区段。而对梁、壳等结构单元，FLAC3D也采用有限单元，因此转换关系一致。HyperMesh所采用的实体单元形状与FLAC3D一致，但每个单元节点编号规则存在差异。这两种软件所采用的实体单元节点编号顺序如表1所示，因此单元网格节点的转换关系应进行调整。H yperMesh所采用的结构单元形状与节点顺序均与FLAC3D一致，两种软件所采用的结构单元节点编号顺序如表2所示。需注意的是FLAC3D中壳类结构单元（Shell、Geogrid和Liner）均为三角形单元，故HyperMesh中建立的四边形单元必须分割为三角形单元。前处理程序还将具有不同材料参数的结构和实体单元转换至FLAC3D并形成不同的材料组，方便了模型计算参数的赋值。
1.3 程序实现方法
基于ANSYS模板采用HyperMesh软件进行建模，同时对不同单元赋予相应的单元类型、材料参数和实常数。
建好模型后通过模型输出生成model.cdb模型文件。
在FLAC3D前处理程序中读入model.cdb文件，并提示是否进行单元和节点压缩，生成model.flac3d文件和structure.dat文件。
通过SEL NODE INIT XPOS ADD 0.0命令使结构单元节点与实体网格产生相应的link，即使两者形成相互作用关系。
在已经建立的计算模型的基础上采用FLAC3D进行计算分析。
表1 HyperMesh与FLAC3D实体单元关系
表2 HyperMesh与FLAC3D结构单元关系
2 基坑工程实例验证
2.1 内支撑围护墙基坑
某基坑工程紧邻运营中地铁车站，同时位于既有地下结构与隧道之上。基坑围护方案采用“两墙合一”地下连续墙，坑内设置三道水平支撑，同时利用开挖区域内既有工程桩作为抗拔桩。为评估不同施工方案对既有地下结构受力和变形的影响，基坑施工前采用FLAC3D进行了设计方案优化分析。
本工程在HypeMesh中建立计算模型，并通过本文的前处理接口程序将计算模型转换至FLAC3D進行计算分析。图2为基坑结构模型网格，该基坑计算模型中实体单元为16.2万，网格点为16.9万，结构单元为3.7万，节点为2.6万。图3为开挖结束后基坑围护墙长边侧向变形云图。本工程采用FLAC3D分析了多种施工方案，为工程顺利实施提供了技术支持。
图3 围护墙变形
2.2 土钉网喷混凝土基坑
某基坑工程为尽可能降低工程造价并减少开挖工程量，选择采用多级放坡土钉及喷射混凝土方案进行基坑支护。该基坑共设四级放坡，一、二级为斜坡，三、四级为直坡，竖向共设十道土钉，每层土体开挖后随及施工土钉并挂钢筋网喷射混凝土。该基坑主要涉及两种结构单元，土钉采用Cable单元，网喷混凝土采用Geogrid单元，土体采用Solid45单元。
该工程也通过HypeMesh建立计算模型，并通过开发的前处理接口程序转换模型，采用FLAC3D进行开挖分析。图4为基坑结构模型网格，该基坑计算模型中实体单元为15万，网格点为16万，结构单元为1.3万，节点为1.1万。图5为基坑四级开挖至坑底后坡面网喷混凝土长边侧向变形云图。该工程通过大量参数分析进行了开挖与支护方案。的优化，并得到了既能有效控制造价又能保证基坑安全的合理施工方案。
HyperMesh结构模型
（b） FLAC3D结构模型
图5 网喷混凝土变形
3 结 语
FLAC3D前处理建模方面的不足一直是阻碍其在岩土工程领域向更广方面发展的技术瓶颈，而现行通用CAE软件在前处理和模型网格划分方面具有很大的优势。本文将通用CAE前处理软件的网格划分功能与FLAC3D的计算功能相结合，开发了FLA3D软件前处理接口程序，既能实现实体网格的转换，又能处理结构单元模型的转换。通过两个典型复杂基坑工程实例，验证了该程序的处理功能及其在基坑工程分析中的适用性。本文方法大大缩短了计算模型建模工作量，提高了分析计算效率，为FLAC3D的进一步推广提供了技术支持。
参考文献
[1] 刘波, 韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京:人民交通出版社, 2005.
[2] 陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2009.
[3] 胡斌, 张倬元, 黄润秋, 等. FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(9):1 387-1 391.
[4] 丁秀美, 黄润秋, 刘士光. FLAC-3D前处理程序开发及其工程应用[J]. 地质灾害与环境保护, 2004, 15(2): 68-73.
[5] 徐文杰, 胡瑞林. 基于逆向工程的三维复杂地质体精细建模及ADINA前处理在FLAC3D建模中的应用[J]. 工程地质学报, 2008, 16(5): 703-709.
关键词：基本思路 软件土钉网喷内支撑 基坑工程
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
1 FLAC3D前处理程序的开发
1.1 程序开发的基本思路
FLAC3D前处理程序的开发有2种基本思路：一是开发全新的前处理程序，即计算模型完全是通过该程序直接建立并转化至FLAC3D进行分析；二是借助于既有通用CAE软件平台，在其基础上开发不同类型单元的接口程序。开发不借助于任何CAE软件平台的前处理程序不仅工作量大，而且建模效率也不及现有成熟的CAE软件。如果能在现有CAE软件平台上开发前处理接口程序，则技术人员能将更多的精力用于复杂模型的建立上，而直接通过接口程序自动实现批量数据的转换。HyperMesh软件[7]是美国Altair公司开发的CAE软件包，其最显著的特点是具有强大的网格前处理功能。HyperMesh建立的计算模型可以导入ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN和PAM-CRASH等通用有限元程序进行分析计算，极大地降低了复杂模型的前处理构建成本，减少了分析人员模型前处理的工作量。但HyperMesh建立的计算模型并不能直接导入FLAC3D进行分析计算，针对这一问题，采用FORTRAN语言开发基于HyperMesh平台的FLAC3D前处理程序。基于ANSYS单元类型模板，HyperMesh与FLAC3D的转换关系如图1所示，前处理接口程序将计算模型划分为结构单元和实体单元2类：结构单元包括Link8单元、Beam4单元和Shell63单元，实体单元为Solid45单元。Link8单元可转换为FLAC3D的Cable单元，Beam4单元可转换为FLAC3D的Beam单元和Pile单元，Shell63单元可转换为FLAC3D的Shell单元、Geogrid单元和Liner单元，Soild45实体单元可转换为FLAC3D的Zone实体区段。
图1 HyperMesh与FLAC3D转换关系
图1 HyperMesh与FLAC3D转换关系
1.2 实体单元及结构单元节点转换关系
任何通用CAE前处理软件，其内部单元生成均具有一定的规则。对实体模型，有限元软件称之为单元与节点，FLA3D称之为区段与网格点，因此软件之间的接口处理程序需将节点与单元分别转换成网格点与区段。而对梁、壳等结构单元，FLAC3D也采用有限单元，因此转换关系一致。HyperMesh所采用的实体单元形状与FLAC3D一致，但每个单元节点编号规则存在差异。这两种软件所采用的实体单元节点编号顺序如表1所示，因此单元网格节点的转换关系应进行调整。H yperMesh所采用的结构单元形状与节点顺序均与FLAC3D一致，两种软件所采用的结构单元节点编号顺序如表2所示。需注意的是FLAC3D中壳类结构单元（Shell、Geogrid和Liner）均为三角形单元，故HyperMesh中建立的四边形单元必须分割为三角形单元。前处理程序还将具有不同材料参数的结构和实体单元转换至FLAC3D并形成不同的材料组，方便了模型计算参数的赋值。
1.3 程序实现方法
基于ANSYS模板采用HyperMesh软件进行建模，同时对不同单元赋予相应的单元类型、材料参数和实常数。
建好模型后通过模型输出生成model.cdb模型文件。
在FLAC3D前处理程序中读入model.cdb文件，并提示是否进行单元和节点压缩，生成model.flac3d文件和structure.dat文件。
通过SEL NODE INIT XPOS ADD 0.0命令使结构单元节点与实体网格产生相应的link，即使两者形成相互作用关系。
在已经建立的计算模型的基础上采用FLAC3D进行计算分析。
表1 HyperMesh与FLAC3D实体单元关系
表2 HyperMesh与FLAC3D结构单元关系
2 基坑工程实例验证
2.1 内支撑围护墙基坑
某基坑工程紧邻运营中地铁车站，同时位于既有地下结构与隧道之上。基坑围护方案采用“两墙合一”地下连续墙，坑内设置三道水平支撑，同时利用开挖区域内既有工程桩作为抗拔桩。为评估不同施工方案对既有地下结构受力和变形的影响，基坑施工前采用FLAC3D进行了设计方案优化分析。
本工程在HypeMesh中建立计算模型，并通过本文的前处理接口程序将计算模型转换至FLAC3D進行计算分析。图2为基坑结构模型网格，该基坑计算模型中实体单元为16.2万，网格点为16.9万，结构单元为3.7万，节点为2.6万。图3为开挖结束后基坑围护墙长边侧向变形云图。本工程采用FLAC3D分析了多种施工方案，为工程顺利实施提供了技术支持。
图3 围护墙变形
2.2 土钉网喷混凝土基坑
某基坑工程为尽可能降低工程造价并减少开挖工程量，选择采用多级放坡土钉及喷射混凝土方案进行基坑支护。该基坑共设四级放坡，一、二级为斜坡，三、四级为直坡，竖向共设十道土钉，每层土体开挖后随及施工土钉并挂钢筋网喷射混凝土。该基坑主要涉及两种结构单元，土钉采用Cable单元，网喷混凝土采用Geogrid单元，土体采用Solid45单元。
该工程也通过HypeMesh建立计算模型，并通过开发的前处理接口程序转换模型，采用FLAC3D进行开挖分析。图4为基坑结构模型网格，该基坑计算模型中实体单元为15万，网格点为16万，结构单元为1.3万，节点为1.1万。图5为基坑四级开挖至坑底后坡面网喷混凝土长边侧向变形云图。该工程通过大量参数分析进行了开挖与支护方案。的优化，并得到了既能有效控制造价又能保证基坑安全的合理施工方案。
HyperMesh结构模型
（b） FLAC3D结构模型
图5 网喷混凝土变形
3 结 语
FLAC3D前处理建模方面的不足一直是阻碍其在岩土工程领域向更广方面发展的技术瓶颈，而现行通用CAE软件在前处理和模型网格划分方面具有很大的优势。本文将通用CAE前处理软件的网格划分功能与FLAC3D的计算功能相结合，开发了FLA3D软件前处理接口程序，既能实现实体网格的转换，又能处理结构单元模型的转换。通过两个典型复杂基坑工程实例，验证了该程序的处理功能及其在基坑工程分析中的适用性。本文方法大大缩短了计算模型建模工作量，提高了分析计算效率，为FLAC3D的进一步推广提供了技术支持。
参考文献
[1] 刘波, 韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京:人民交通出版社, 2005.
[2] 陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2009.
[3] 胡斌, 张倬元, 黄润秋, 等. FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(9):1 387-1 391.
[4] 丁秀美, 黄润秋, 刘士光. FLAC-3D前处理程序开发及其工程应用[J]. 地质灾害与环境保护, 2004, 15(2): 68-73.
[5] 徐文杰, 胡瑞林. 基于逆向工程的三维复杂地质体精细建模及ADINA前处理在FLAC3D建模中的应用[J]. 工程地质学报, 2008, 16(5): 703-709.