FLAC/FLAC^3D系列

——岩土体工程高级连续介质力学分析软件

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）软件是由美国Itasca公司开发的。目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本，二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，1995年，FLAC2D已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存，至今已发展到V5.0版本。FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V3.1版本。并且其推出的FLAC SLOPE有了WINDOWS界面。

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是一个利用显式有限差分方法求解的岩土、采矿工程师进行分析和设计的二维连续介质程序，主要用来模拟土、岩、或其他材料的非线性力学行为，可以解决众多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如大变形、大应变、非线性及非稳定系统（甚至大面积屈服/失稳或完全塌方）等问题。

FLAC的基本功能和特征为：

• 允许介质出现大应变和大变形；
• Interface 单元可以模拟连续介质中的界面，并允许界面发生滑动和开裂；
• 显式计算方法，能够为非稳定物理过程提供稳定解，直观反映岩土体工程中的破坏；
• 地下水流动与力学计算完全耦合（包括负孔隙水压，非饱和流及相界面计算）；
• 采用结构加固单元模拟加固措施，例如衬砌、锚杆、桩基等；
• 材料模型库（例如：弹性模型、莫尔库仑塑性模型、任意各向异性模型、双屈服模型、粘性及应变软化模型）；
• 预定义材料性质，用户也可增加用户自己的材料性质设定并储存到数据库中；
• 一系列可选择模块，包括：热力学模块、流变模块、动力学模块、二相流模块等，用户还可用C++建立自己的模型；
• 边坡稳定系数计算满足边坡设计的要求；
• 用户可用内部语言（FISH）增加自己定义的各种特性（如：新的本构模型，新变量或新命令）；

FLAC软件的优势：

• 连续体大应变模拟
• 界面单元用已代表不连续接触界面可能出现的完全不连续性质的张开和滑动，因此可以模拟断层、节理和摩擦边界等
• 显式求解模式可以获得不稳定物理过程的稳定解
• 材料模型:
  • “空（null）” 模型；
  • 三种弹性模型（各向同性、横观各向异性、和正交各向异性）；
  • 七种非线性模型（Drucker-Prager、Mohr-Coulomb、应变硬化及应变软化、节理化、双线性应变硬化/软化节理化、双屈服、 修正的 Cam-clay模型）
• 任何参数指标的连续变化或统计分布的模拟
• 外接口编程语言 （FISH）允许用户添加用户自定义功能
• 方便的边界定义和初始条件定义方式
• 可定义水位线/面进行有效应力计算
• 地下水渗流计算以及完全的应力场渗流场偶合计算（含负孔隙压力、非饱和流、井）
• 结构单元如隧道衬砌、桩、壳、梁锚杆、锚索、土工织物及其组合，可以模拟不同的加固手段及其与围岩（土体）的相互作用
• 自选模块包括:
  • 热和热力学分析模块；
  • 流变计算模块；
  • 动力分析模块实现真时间历程的瞬时动力响应模拟；
  • 用C++编写的用户自定义本构模块

开挖直立坡的喷射混凝土墙加土钉加固的模拟
加（下）和不加（上）土工织物土坡的潜在破坏特征

FLAC-3D（Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua）是美国Itasca Consulting Goup lnc开发的三维快速拉格朗日分析程序，是二维的有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。FLAC3D调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。它包含10种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相藕合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。

FLAC^3D的优点：

1. 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是”混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的”离散集成法”更为准确、合理。
2. 即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。
3. 采用了一个”显式解”方案。因此，显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几互与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。面且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着， 采用中等容量的内存可以求解多单元结构； 模拟大变形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。

槽形开挖

FLAC^3D的功能和特征：

1、包含10材料本构模型

Flac^3D中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共包含了10种材料模型：

• 开挖模型null ；
• 3个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模型）；
• 6个塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型和修正的cam粘土模型）。

Flac^3D网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度。 还包含了节理单元，也称为界面单元，能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性。节理允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。

2、有五种计算模式

（1）静力模式。这是FLAC-3D默认模式，通过动态松弛方法得到静态解。

（2）动力模式。用户可以直接输人加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或初始条件，边界可以固定边界和自由边界。动力计算可以与渗流问题相耦合。

（3）蠕变模式。有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力-应变-时间关系:Maxwell模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、脆延模型。

（4）渗流模式。可以模拟地下水流、孔隙水压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的粘性流体的耦合。渗流服从各向同性达西定律，流体和孔隙介质均被看作可变形体。考虑非稳定流，将稳定流看作是非稳定流的特例。边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流，可以模拟水源或深井。渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合，也可以单独计算。

（5）温度模式。可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力。温度计算可以与静力、动力或渗流计算耦合，也可单独计算。

3、可以模拟多种结构形式

（1）对于通常的岩体、土体或其它材料实体，用八节点六面体单元模拟。

（2）FIAC-3D包含有四种结构单元:梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。

（3）FLAC-3D的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为若干部分，界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。

4、FLAC-3D具有强大的前后处理功能

FLAC具有很强的前后处理功能。只要设置某些控制点的坐标，软件就以自动生成计算网格，界面友好且美观。用户可以根据实际情况通过某些命令修改网格，如对于圆形巷道可采用全放射性网格；对于其它非规则峒室及复杂地下洞群，可采用局部密集周边疏松的网格。各阶段的计算结果均可以数据文件的形式存盘，一旦需要就可用Restart命令恢复全部现场，使用起来非常方便。用户还可以利用FISH自定义单元形态，通过组合基本单元，可以生成非常复杂的三维网格，比如交叉隧洞等。

在计算过程中的任何时刻用户都可以用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果，以对结果进行实时分析，图形可以表示网格、结构以及有关变量的等值线图、矢量图、曲线图等，可以给出计

算域的任意截面上的变量图或等直线图，计算域可以旋转以从不同的角度观测计算结果。

FLAC^3D分析的使用领域：

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
11. 大变形材料分析：用于研究粮仓谷物流动和放矿的矿石流动

两条支隧道之间支洞网格

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