張春明，楊天鴻

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽110006）

0 前言

基于連續(xù)介質(zhì)理論和顯式有限差分方法的FLAC3D 三維數(shù)值仿真分析軟件特別適合處理有限元方法（FEM）難于解決的復(fù)雜多工況、大變形、巖石失穩(wěn)、接觸面非連續(xù)張開和滑移變形等巖土體問題，已在地表工程和地下工程，如邊坡、隧道、大壩、采礦、石油、地質(zhì)等工程中得到了廣泛應(yīng)用。

由于FLAC3D 提供了豐富的力學(xué)模型庫、多樣化的建模手段和接口，還在自身發(fā)展過程中加入了針對巖體結(jié)構(gòu)面和采礦方法的本構(gòu)模型，以滿足不同工程類型、復(fù)雜層次的模型構(gòu)建的需要，并提供與ANSYS、ABAQUS 等主流有限元程序之間進(jìn)行模型交換的數(shù)據(jù)接口，因此也非常適合實驗教學(xué)。除用于應(yīng)力場、位移場等的計算、分析和反演，還能夠滿足非常規(guī)問題應(yīng)用研究的需要，故深受廣大師生的青睞。

在巖石力學(xué)實驗中，為深入觀察巖石試件內(nèi)部的應(yīng)力分布情況常常需要對FLAC3D 的三維應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行剖切，即創(chuàng)建相應(yīng)剖面的應(yīng)力云圖，以方便對數(shù)據(jù)的觀察和理解。而手工調(diào)用FLAC3D 軟件進(jìn)行剖面切分效率極低，尤其是連續(xù)多剖面切分以及研究巖石試件應(yīng)力場時空演化規(guī)律等情形。為此，我們研制了巖石試件剖面切分程序（簡稱本程序），可以自動對應(yīng)力場、位移場等計算結(jié)果進(jìn)行任意剖切，并生成相應(yīng)的位圖文件用于后續(xù)應(yīng)力場、位移場等分析。

此外，在計算巖石破裂應(yīng)力場時，有時為了簡便起見會故意忽略巖石普遍存在的非均勻性而將巖石材料賦予一個均勻的宏觀力學(xué)參數(shù)，或者將巖石的非均勻性當(dāng)作一種隨機(jī)模型處理，由此可能造成計算結(jié)果與巖石內(nèi)部應(yīng)力場的演化過程存在差距。若在巖石破裂試驗的同時還進(jìn)行了聲發(fā)射試驗，就可利用聲發(fā)射等信息動態(tài)調(diào)整力學(xué)參數(shù)，更加真實地描述介質(zhì)體形體特征、受力條件及其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，進(jìn)而反演出較為真實的巖石破裂應(yīng)力場，以獲取工程實際中巖體的損傷規(guī)律，得到準(zhǔn)確的巖體應(yīng)力場、位移場等信息，為巖體的開挖支護(hù)等工作提供指導(dǎo)。尤其可以利用聲發(fā)射數(shù)據(jù)實現(xiàn)巖石破裂動態(tài)應(yīng)力場反演。舉例來說，可隨時間的推移根據(jù)聲發(fā)射信息對聲發(fā)射事件附近一定范圍內(nèi)的單元的彈性模量與內(nèi)聚力進(jìn)行弱化處理，并按能量及視體積分別確定其弱化程度和弱化范圍，最終獲得巖石破裂過程中較為真實的動態(tài)演化應(yīng)力場。由于在計算過程中保存有應(yīng)力場等隨時間或步長變化的中間計算結(jié)果，因此可利用本程序自動生成剖面的時基序列應(yīng)力云圖。通過連續(xù)播放時基序列云圖，可以模擬巖石破裂應(yīng)力場的動態(tài)演化過程。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還可將巖石模型集成到虛擬場景中，進(jìn)而實現(xiàn)巖石破裂過程的虛擬可視化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

巖石試件剖面切分程序采用模塊化設(shè)計，能夠按任意平面切割試件剖面或按設(shè)定的橫向或縱向間隔同時進(jìn)行多剖面切割，并自動保存相應(yīng)剖面的云圖。連續(xù)地播放序列應(yīng)力場云圖，可實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)力場分析，并可與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)合演示應(yīng)力等的動態(tài)演化過程。

使用本程序之前必須做好準(zhǔn)備工作：首先在FLAC3D 軟件中建立計算模型，包括建立有限差分網(wǎng)格，設(shè)置本構(gòu)特性與材料性質(zhì)以及邊界條件與初始條件，進(jìn)而獲得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。對于巖石試件破裂試驗來說是指加壓前的原始應(yīng)力狀態(tài)。然后進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來進(jìn)行工程的響應(yīng)分析。FLAC3D 采用顯式的時間步進(jìn)行問題求解,因此必須通過人工或程序確定計算步數(shù)及是否已求得最終的解。上述參數(shù)的設(shè)置可以通過使用FLAC3D 內(nèi)嵌的二次開發(fā)語言Fish 編寫的程序?qū)崿F(xiàn)。在程序末尾加入相應(yīng)的代碼，以便將最終計算結(jié)果保存到指定的計算結(jié)果文件（擴(kuò)展名為.SAV）當(dāng)中。此外，還可以在程序中利用聲發(fā)射等信息動態(tài)調(diào)整力學(xué)參數(shù)，以便更加真實地描述介質(zhì)體形體特征、受力條件及其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，以得到準(zhǔn)確的巖體應(yīng)力場、位移場等信息。為便于后續(xù)動態(tài)分析，可將每一步的計算結(jié)果和最終計算結(jié)果都保存下來，存儲在文件名為步數(shù)編號而擴(kuò)展名為.SAV 的計算結(jié)果文件中，作為巖石試件剖面切分程序的數(shù)據(jù)源，如圖1 所示。

圖1 巖石試件剖面切分程序主畫面及數(shù)據(jù)源

準(zhǔn)備工作做完后，巖石試件剖面切分程序?qū)⒆x取上述FLAC3D 計算結(jié)果文件當(dāng)中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)自動切分剖面，并將相應(yīng)的剖面以位圖文件形式保存到相應(yīng)的文件夾中。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

巖石試件剖面切分程序初始界面為基本界面，并且“批量轉(zhuǎn)換”按鈕為非可用狀態(tài)。只有在密碼文本框中輸入正確的密碼才能將程序解鎖，此時，“批量轉(zhuǎn)換”按鈕轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)。程序根據(jù)用戶輸入的密碼自動區(qū)別普通用戶和高級用戶，并進(jìn)入不同的用戶界面。普通用戶對應(yīng)的界面與基本界面完全一致，唯一的區(qū)別在于“批量轉(zhuǎn)換”按鈕已轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)。高級用戶對應(yīng)的界面上半部與普通用戶界面完全相同，但在“批量轉(zhuǎn)換”按鈕下方增加了很多參數(shù)的設(shè)置選項，用于手工賦予力學(xué)參數(shù)或調(diào)整程序用到的各種參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 巖石試件剖面切分程序主界面

本程序適用于尺寸為直徑70mm、高140mm 的圓柱形巖石試件。對于其他尺寸的巖石試件，可對程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

本程序支持批量轉(zhuǎn)換，即一次轉(zhuǎn)換當(dāng)前選中文件夾下所有FLAC3D 計算結(jié)果文件（擴(kuò)展名為.SAV），但不包括子文件夾。極特殊情況下，若子文件夾下也有待轉(zhuǎn)換的計算結(jié)果文件，則需要對子文件夾單獨進(jìn)行處理，方法類似。

首先通過雙擊左上方的文件夾列表來選擇FLAC3D 計算結(jié)果文件所在的驅(qū)動器和文件夾，再利用界面上的控件分別設(shè)置沿高度方向和沿直徑方向的剖面切分間距，最后單擊“批量轉(zhuǎn)換”按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即自動按設(shè)定的縱橫間距進(jìn)行剖面切分，并生成相應(yīng)的剖面位圖文件。狀態(tài)條將顯示成功切分的計算結(jié)果文件數(shù)等信息。

本程序自動在當(dāng)前選中的文件夾下面創(chuàng)建“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個子文件夾，然后將當(dāng)前文件夾下每個計算結(jié)果文件的剖面處理結(jié)果（切割后的剖面）分類放入“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個子文件夾下的與計算結(jié)果文件同名的子文件夾下。例如，轉(zhuǎn)換計算結(jié)果文件261.sav（表示第261 步的計算結(jié)果）時所生成的剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力剖面將分別保存在“剪應(yīng)變”、“塑性區(qū)”、“最大主應(yīng)力”和“最小主應(yīng)力”四個子文件夾下新建的名為261 的子文件夾下，如圖3 所示。

圖3 自動切分好的剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力剖面位圖文件

其中剪應(yīng)變、塑性區(qū)、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力對應(yīng)剖面文件的命名規(guī)則如下：

以數(shù)字命名的文件為y 剖面（默認(rèn)），數(shù)值本身代表該剖面在y 軸上的高度，如0.png、35.png、70.png、105.png、140.png 分別表示位于高度0、35、70、105 和140 mm 處的y 剖面，文件名末尾為-legend 的文件是相應(yīng)剖面的圖例文件。x 剖面和z 剖面的命名規(guī)則與此類似，但x 剖面為數(shù)字前面加x-字樣，z 剖面為數(shù)字前面加z-字樣。

剖面切分順序如下：y 軸過試件底部中心沿高度方向截取剖面，其中包括頂面140.png，而x 和z 軸從試件幾何中心向兩邊沿直徑方向按設(shè)定間隔截取剖面。過試件幾何中心x 和z 軸的剖面分別命名為x.png 和z.png，同時生成該方向的前視圖和后視圖，如x-front.png、x-back.png、z-front.png、z-back.png。前視圖和后視圖采用正交視圖，而非透視圖，便于后續(xù)根據(jù)需要制作試件的外觀靜態(tài)及動態(tài)視圖。

由于我們在使用FLAC3D 軟件計算時保存了每一步的中間計算結(jié)果，因此計算結(jié)果文件都是按當(dāng)前步長值命名，如14.SAV、27.SAV……261.SAV 等分別代表了第14 步、27 步和261 步時的計算結(jié)果。試件外觀靜態(tài)視圖只需在相應(yīng)的文件下找到x-front.png、x-back.png、z-front.png 和z-back.png 即可，而動態(tài)視圖只需按照步長從小到大的順序，如14-27-40-……-261，依次找到相應(yīng)文件夾下的相應(yīng)視圖文件即可。

高級界面提供了切割任意指定剖面的功能。首先要定義剪切平面，即設(shè)置過點坐標(biāo)和法線方向，然后單擊“任意平面剪切測試”按鈕即可生成指定剖面云圖。

為生成合適尺寸的圖例，本程序在高級界面中提供了最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力的最大值、最小值和圖例間隔參數(shù)及顯示模式設(shè)定功能。

此外，本程序還提供了剖面圖剪裁對齊功能，用于程序調(diào)試。

3 結(jié)語

巖石試件剖面切分程序是邊坡、隧道、礦山、大壩等巖質(zhì)或混凝土工程結(jié)構(gòu)巖石試件應(yīng)力場、位移場等信息分析的理想工具，可用于各類工程現(xiàn)場。依據(jù)生成的靜態(tài)或動態(tài)剖面數(shù)據(jù)，可以從巖石力學(xué)的角度解釋巖石失穩(wěn)破裂的原因，進(jìn)而可以對巖石破壞過程各種參數(shù)之間的相互聯(lián)系做進(jìn)一步的探索挖掘，還可以對巖石下一步破壞進(jìn)行分析預(yù)測。