土石混合体边坡数值模型的自动生成技术

Question

如题所述

Answer 1

油新华¹ 王渭明² 李晓³

（1.北京城建集团有限责任公司 北京 100044 2.山东科技大学土木工程学院 山东 泰安 271019 3.中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029）

摘要 首先介绍了土石混合体边坡的概念，并在分析其特点的基础上提出了用于稳定性分析和计算的土石混合体边坡的数值模型，详细研究了土石混合体边坡数值模型的自动生成技术。

关键词 土石混合体 数值模型 自动生成技术

1 土石混合体边坡的概念

土石混合体边坡在我国广泛分布，如香港、广东、福建等地大面积分布的花岗岩残积土边坡，西南地区、长江三峡库区及黄河中上游广泛分布的古滑坡、崩积层边坡，西藏等地分布的冰碛土边坡等^［1］。该类边坡在我国各类工程建设，特别是在水利水电工程、交通工程、铁路工程中经常遇到。由于该类滑坡通常规模较大、影响因素众多、突发性强及滑移条件复杂，常给国民经济建设、人民正常生活与生命安全带来严重危害和巨大的财产损失。因此，对这类边坡进行系统分析、研究和总结具有特殊的理论和实用价值。

土石混合体边坡是由土夹碎石或碎块石以及碎石或碎块石夹土等土石混合体组成的边坡。它一般发育在第四系松散堆积层中，主要是由滑坡堆积、残坡堆积、崩坡堆积、冲洪堆积等形成。

对于土体边坡以及岩体边坡来说，人们已经进行了长期、系统、卓有成效的研究工作，并取得了丰富的实践经验。而对于土石混合体边坡来说，由于物质组成和结构的不同而与其他边坡有着显著不同的变形特点，目前人们对于它的研究还只是处于一种定性分析的阶段，或是通过它与某种因素的相关性分析来探讨滑坡的机理^［2］，或是通过模型实验来进行稳定性分析^［3］，而缺少像研究土坡和岩体边坡那样的理论和技术方法。

边坡稳定性分析一般采取地质分析与计算分析相结合的方法，而计算分析又常采用极限平衡法和数值计算方法。传统的极限平衡法在理论和实用方面均存在着明显的问题^［4］。

其一，计算假定不够严密。常规极限平衡法中的条分法求解是一个高次超静定问题，为简化求解而做了很多不合理的近似假定。例如将滑坡看作刚体滑动，假定滑裂面处于极限平衡状态的法向应力与剪应力由条块自重确定，条块间的内力由人为假定合力传递，致使坡脚处剪应力最小，这与坡体实际应力状态与坡脚应力现象不符。

其二，滑坡机理不能解释。由于极限平衡法不考虑边坡实际应力-应变本构关系，不反映边坡失稳的累进破坏及其应力重分布规律，因而无法解释滑坡的破坏机理和形成过程。

数值分析法弥补了极限平衡法的缺陷，较合理地解释了边坡失稳过程，为边坡应力分析和稳定分析提供了较好的数值解。

土石混合体边坡的物质组成是非均质的，岩土体力学性质是非线性的，边界条件是不规则的。过去按照一般的极限平衡法把整个滑体当作刚体，从而给出整个边坡稳定性系数的做法，在理论上有一定的不足。此时数值方法就是人们首选的方法。数值方法必须要有用于数值计算的计算模型，计算模型的好坏决定了计算的成功与否。本文在分析土石混合体边坡特点的基础上，详细研究了土石混合体边坡数值模型的自动生成技术。

2 土石混合体边坡数值模型的自动生成技术

对于土石混合体边坡来说，其物质组成极其复杂且无规律，采用常规的FLAC方法建模，将是十分复杂或者是不可能的。这时如果能采用一套基于ANSYS软件的数值模型自动生成技术，来代替使用FLAC^3D进行数值模型的建立和网格的划分，实现FLAC^3D建模的直观化、形象化、自动化，将给人们的工作带来很大的方便，并且对于复杂的系统，能大大节省建模所需要的时间。本节通过长江三峡白衣庵滑坡某一剖面的建模过程，详细介绍了这一方法的原理，结果显示这一方法形象、直观、快速、方便，在岩土工程数值计算方面有着很好的应用前景。

2.1 技术路线

在这套模型自动生成技术中，主要使用了三套软件和相应的接口程序：AutoCAD、ANSYS和FLAC^3D，前两个主要利用其强大的绘图功能和划分网格的功能，ANSYS 与FLAC^3D之间的接口程序（AFP）用Fortran语言编写。整个建模的技术路线如图1所示。

图1 模型自动生成技术流程图

2.2 模型自动生成的过程

2.2.1 工程地质模型的建立

根据所提供的工程地质模型，考虑数值计算所需要的简化，建立简化后的CAD图形，或对已有的CAD图形进行编辑、修改处理，使要赋予不同力学参数的部分或不规则开挖的部分形成一个闭和的图形块，并输出以DXF（Data eXchange File）为扩展名的文件。生成DXF格式的文件，是为了将这种文件转换为IGES（Initial Graphics Exchange Specification）格式。IGES是一种被普遍接受的中间标准格式，可以用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。由于AutoCAD系列软件中只有R12可以将DXF文件转化成IGES文件，所以将生成的DXF 文件调入R12，使其输出IGES 文件。此过程也可以通过ALGOR软件中SUPERDRAW来实现。

在建立模型的CAD图形时，尽量少采用多义曲线等弧线，以免生成的DXF文件太大，可以用多个直线段来代替曲线；但对于直接在ANSYS所提供的CAD系统中操作时，这一步可以省略，并且不必考虑用多个直线段来代替曲线。

2.2.2 网格划分

将IGES格式文件调入ANSYS，由不同的图形块生成不同的面，然后进行网格的划分。在调入时，尽量不要使用缺省的格式，以免线与线之间不闭和而不能生成面（否则，就得进行拓扑修改）。网格的划分可以采用自动划分的形式，让系统自动判断所需划分的网格数；也可以手工进行操作，根据模型中不同网格密度的需要，进行控制线段所分数目或者网格尺寸的限制。网格生成后，需将面元拉伸成体积元，体元生成过程中要注意以下两点：①不同的面元要赋予不同的参数加以区分；②不同的面元要分别拉伸成体元，并控制轴向网格数。最后，再进行节点和单元信息的输出，生成节点信息文件NODE.DAT和单元信息文件ELE.DAT。在做这一步处理时，不能先将面拉成体，然后划分网格，这样会由于图形的不规则，不能形成映射网格，而生成四面体网格，但四面体网格是不被FLAC^3D认可的。除非对于很规则的体积元才可以进行映射网格的划分，并生成柱体网格，类似于FLAC^3D中的BRICK或WEDGE。

2.2.3 FLAD^3D模型数据文件的生成

要将ANSYS所生成的节点和单元信息文件能为FLAC^3D利用，中间必须有一个接口程序，以实现两者之间数据的交换，使得ANSYS所提供的节点和单元信息格式能与FLAC^3D对应起来，从而建立起FLAC^3D的数据模型。这个接口程序，也是实现FLAC^3D建模直观化、自动化、快捷化的关键所在。

接口程序采用Visual Fortran 5.0编写，目前已经考虑了以下几点：

（1）实现了FLAC^3D中常用的BRICK、WEDGE模块与ANSYS的转换，它们之间节点对应关系如图2所示；

（2）可以实现针对体或面的单个或多个INTERFACE（界面元）的生成，并对不同的INTERFACE赋予不同的ID号；

（3）针对不同力学参数或不同开挖步骤的模块，采用不同的GROUP，赋予不同的GROUP名；

（4）如有必要，也可以直接在接口程序中给模型赋予力学参数、边界条件以及初始条件等。

图2 ANSYS 模块与FLAC^3D模块之间的对应关系

2.2.4 数值模型的生成

将接口程序生成的数据文件，调入FLAC^3D，并加入边界条件和模型参数，即生成数值模型。

2.3 实例

图3是根据三峡白衣庵地区6号小滑坡的工程地质剖面图所建立的工程地质模型，它包含了下部的基岩和上部的土石混合体，在土石混合体中共有52个不同形状的砾石块体。经过一系列的自动处理后，可以生成直接用于 FLAC 计算的数值模型（图4）。模型共5094个单元、11284个节点。该模型由于地质情况复杂，若用FLAC^3D所提供的建模方法，要花1～2 d的时间，若用模型自动生成技术，至多用半天时间即可建成，节省了60%以上的时间，而且生成的网格具有高度智能化。

图3 白衣庵6 号小滑坡工程地质模型

图4 白衣庵6 号小滑坡的数值模型

参考文献

［1］孙广忠.中国典型滑坡.北京：科学出版社，1988

［2］谢守益，徐卫亚.降雨诱发滑坡机制研究.武汉水利电力大学学报，1999，32（1）

［3］刘光华.河岸松散堆积层滑坡机制及防治对策研究——以重庆市为例.见：三峡库区地质环境暨第二届中日地层环境力学国际学术讨论会论文集.北京：煤炭工业出版社，1996

［4］郭俊仃，夏季华.超压密土坡稳定分析的非线性有限元法.见：计算机方法在岩石力学及工程中的应用国际学术讨论会论文集.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994