Liakopoulos砂柱重力排水试验初始应力场生成方式简析

艾麦尔江·麦麦提敏

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000)

1 概 述

FLAC3D软件因其流固耦合功能强大，被学者们广泛用于实际工程中涉及地下水问题的分析研究[1-6]。如蒋中明等[1]采用FLAC3D对极端久雨条件下的软岩边坡的稳定性进行了分析研究，过程中采用了Geo-studio(seep)软件的渗流计算结果。但是众多学者并未对涉及孔隙水压力条件下的初始地应力场生成方式进行探讨。本文应用FLAC3D软件，对经典的Liakopoulos 砂柱重力排水试验开始前涉及稳定渗流的初始地应力场的生成方式进行分析探讨，获得了一些有益的指导性结论，可为今后采用FLAC3D软件进行涉及地下水孔隙水压力相关问题的分析研究提供指导。

2 FLAC3D初始地应力场生成方式

基于快速拉格朗日有限差分方法的FLAC3D数值分析软件提供了多种初始地应力场生成方式。不存在孔隙水压力情况下，初始地应力场生成方式主要有弹性求解法、更改强度参数的弹塑性求解法、分阶段弹塑性求解法，生成方式明确，易于理解。

当涉及地下水问题即有孔隙水压力存在时，初始地应力场生成方式主要分为渗流求解模式下生成和无渗流求解模式下生成两种情况。其中，在无渗流求解模式下生成主要分为设置初始应力和不设置初始应力两种情况生成初始地应力场。在设置初始应力的条件下，初始应力的设置值与真实地应力场的接近程度将影响初始应力场生成时的计算时间。为此，用户需要有一定的水力学知识，能够正确计算出各处的初始地应力场的值，正确的计算结果将极大缩短FLAC3D生成初始地应力场时的计算耗时，从而为后续计算过程节省时间。但是，设置不当的初始应力在某种程度上反而增加FLAC3D生成初始地应力场时的计算耗时。

实际工程中，无论是边坡工程还是地下工程，普遍涉及地下水。FLAC3D软件尽管在流固耦合问题中做了不考虑毛细作用的假设，即水位面以下有孔隙水压力、水位面以上孔隙水压力假设为0，但由于毛细作用对工程的影响相对较小，尤其在毛细作用可以忽略的土质和岩质边坡、地下工程中，其模拟结果与真实情况较为接近，因此仍然被广大学者应用于流固耦合问题的分析研究[7-12]。

3 模型构建

首先采用CAD绘制三维圆柱，尺寸为直径10 cm，高100 cm，并导出为dxf文件格式；采用Rhino软件打开，用Rhino软件自带的曲面剖分工具对圆柱进行剖分；之后用加载于Rhino软件的Griddle插件进行处理；最后导出成可以在FLAC3D中加载的文件格式，通过在FLAC3D命令行输入命令，使模型在FLAC3D中加载完成，再设置相关参数和初始条件，模型见图1。

图1 Liakopoulos试验物理模型

试验时(t=0-)，先通过不断在模型顶端提供稳定水流，使模型从上至下达到稳定渗流状态，主要是底部出水速度不再发生变化，即一定时间内流出的水量经过测量相等；而后(t=0+时)，切断顶端水源，使砂柱中的水在自重作用下向下渗出，通过在模型侧面均匀设置监测点，获得在砂柱中的水流自由渗出时的各时间点、各位置处孔隙水压力的变化情况。

为了节省计算时间，采用边长为0.1～0.2 m之间的四面体对模型进行网格划分。顶部设置为不透水边界，圆柱四周设置为不透水边界，底部边界设置为孔压为0的状态，以模拟其与大气相通；圆柱四周X、Y方向的位移设置为0，底部界面的X、Y、Z方向的位移均设置为0。

4 计算结果

4.1 设置初始应力和不设置初始应力时

分析比较模型在不配置渗流计算模式时，采用设置初始应力和不设置初始应力的方式生成初始地应力场时的计算耗时和计算结果，见图2。当设置初始应力且设置正确时，最后生成正确的初始地应力场耗时(图2(a))相对不设置初始应力(图2(b))较短；当不设置初始应力时，在计算生成初始地应力场时需使用‘solve elastic’命令，而在设置了初始应力时，可直接使用‘solve’命令进行计算求解，而无需使用‘solve elastic’命令。

图2 不同方式计算的Z方向初始应力场云图

4.2 弹性求解和弹塑性求解时

在分析比较了设置初始应力和不设置初始应力的结果后，分析比较在不设置初始应力时，进行弹性求解和弹塑性求解获得的初始应力场结果。在同时都将材料设置成弹塑性材料且材料特性相同的条件下，分别采用‘solve’直接进行弹塑性求解和‘solve elastic’命令先进行弹性求解后进行弹塑性求解，获得的初始地应力场云图见图3。

图3 不设置初始应力时Z方向初始地应力场云图

先进行弹性求解再进行弹塑性求解时，结果见图3(a)，获得的初始地应力场结果和实际情况相符；而直接进行弹塑性求解时，结果见图3(b),获得的初始地应力场云图与实际情况不吻合，说明当不设置初始应力时，直接进行弹塑性求解计算的方法不可取，而应采用‘solve elastic’ 命令先进行弹性求解后进行弹塑性求解获得初始地应力场。两种计算求解方式在计算时间上相同，但是由前述分析可知，由于采用‘solve’命令直接进行弹塑性求解获得的初始地应力场云图与实际不符，因此在用户不设置初始应力时，需采用‘solve elastic’ 命令先进行弹性求解后进行弹塑性求解获得初始地应力场。

由以上两种情况的计算结果比较可知，在有孔隙水压力条件下，可以采用设置初始应力后，直接进行弹塑性求解获得初始地应力场，也可以不设置初始应力，而采用‘solve elastic’ 命令先进行弹性求解后进行弹塑性求解获得初始地应力场，这两种方式最后都能够获得正确的初始地应力场。但是由于在计算时间上，设置初始应力时比不设置初始应力时耗时大大缩短，因此当用户能够快速正确地计算出初始地应力场分布时，建议采用该方法。由于用户在初始地应力场的计算过程中，容易出错，因此想要在采用FLAC3D软件进行初始地应力场生成时设置正确的初始应力并非易事。而不设置初始应力，通过‘solve elastic’ 命令先进行弹性求解后进行弹塑性求解同样能够获得正确的初始地应力场，因此本文建议采用该方法进行孔隙水压力条件下的初始地应力场设置，既可以避免计算过程中出错，又可以避免由于计算给用户带来的极大困扰和不解，同时发挥了FLAC3D软件自身的作用，充分体现了FLAC3D软件的优越性。

5 结 论

在涉及孔隙水压力时，通过对FLAC3D软件初始应力场生成方式的比较，在模型不配置渗流计算时，得出以下几点结论：

1) 可以采用设置初始应力的方式和不设置初始应力的方式生成初始地应力场。

2) 采用设置初始应力的方式生成初始地应力场时，应保证设置的初始应力与真实的初始地应力场的分布一致。

3) 但采用不设置初始应力的方式生成初始地应力场，求解计算中应采用‘solve elastic’ 命令先进行弹性求解后再进行弹塑性求解，以获得正确的初始地应力场。