砂柱自排水試驗網格劃分與計算效率關系研究

佘星源

(河海大學，南京 210003)

0 引 言

FLAC3D在處理流體計算問題時，可以采用流固耦合計算模式或者采用先力學計算后流體計算模式，無論采用哪種計算模式，都要進行流體計算，才能獲得考慮了流體作用效應的結果，學者們在利用FLAC3D進行計算時，缺乏在網格劃分對計算效率影響方面的關注，在獲得最終計算結果時，往往花費時間過長，這在一定程度上無疑會影響學者們前進的步伐和科學成果的高效探取。季聰等[1-2]應用強度折減法對臨近高速公路的滑坡體進行了滑坡啟動條件后分析，最終得出了滑坡類型和相應的安全系數和最可能的臨界滑動面。曹蘭柱等[3-4]依托具體工程，對采礦區邊坡的穩定性應用FLAC3D進行了建模計算分析，得出礦區邊坡變形發生破壞的模式。韓萬東等[5-6]同樣基于FLAC3D軟件對露天礦區的工作臨近邊坡的變形進行了模擬計算，揭示了邊坡塑性區分布特征，為極限平衡法在FLAC3D中的邊坡穩定性分析中的有效性提供了可靠示例。余永強等[7-8]基于MIDAS平臺構建模型，詳細分析論述了MIDAS平臺所構建模型如何轉換并導入FLAC3D中，結論拓展了復雜模型在FLAC3D中的分析計算。陳榕等[9-10]根據深圳地鐵10號線地鐵停車場所涉及的深厚淤泥質軟土地層的基坑開挖進行建模分析，得出結論在地連墻厚度達到1.1m時，在該地區進行基坑開挖施工，才能保證安全穩妥。唐旭等[11-12]采用FALC3D軟件對邊坡在爆破振動作用下的穩定性進行計算分析，主要分析巖質邊坡，得出了爆破發生時，震動作用特點，提出應對坡腳處特別加強措施進行有效保護。吳海民等[13-14]認識到FLAC3D在模擬土工膜和墊層材料上的不足，應用試驗結果所獲結論采用FISH語言構建了新的本構模型，為相關領域工程特性研究開拓了新方法，同時，為后續學者對自建和已有本構模型進行適當改進提供了新思路、新視野。

土體基質吸力的存在為土質邊坡的穩定發揮了巨大作用，眾多學者嘗試對FLAC3D的應用領域進行拓展，尤其在土體基質吸力方面，但是普遍關注最終的求解結果。作者基于對砂柱試驗的反復分析，在Rhino軟件中構建相應的試驗模型，通過Griddle插件進行0.1、0.05、0.025的網格尺寸劃分，根據模擬排水試驗過程中的計算效率，討論網格尺寸劃分大小對FLAC3D計算效率的影響，為后續學者采用FLAC3D進行相關數值模擬，建模時網格尺寸的選取提供指導和參考。

1 FLAC3D建模

FLAC3D模擬時，可以通過其它軟件構建的模型導入FLAC3D中進行計算，也可以通過FLAC3D自帶的模型構建方法進行構建后計算，文章主要采用Rhino構建砂柱模型，通過自帶的NURBS進行網格剖分后，采用Griddle插件進行各不同尺寸的最后網格劃分和四面體、六面體模型生成，保存成F3GRID格式文件后，通過‘ZONE import’命令導入FLAC3D軟件中進行計算。

2 模型構建

如圖1所示，通過Rhino軟件構建的砂柱試驗模型，進行分析計算，材料性質如表1所示，底部透水，其它各面均不透水，砂土初始處于飽和狀態。

圖1 FLAC3D中的砂土試驗模型

表1 材料物理力學參數

3 計算結果

3.1 劃分成0.1m時

如圖2所示，網格尺寸劃分為0.1m時，模型的視覺呈現效果和自滲流試驗完成后獲得的孔壓云圖。圖2(a)為視覺呈現效果，可見，在模型最大尺寸為1m條件下，四面體邊長劃分成0.1m的視覺呈現效果不佳，圓柱有縮頸現象，且圓柱呈現出了明顯的棱角化趨勢，計算單位時步為5.02e-6，共循環160000次，砂柱中的水完全排出，求解獲得的孔壓場如圖2(b)所示。這說明，將該物理模型的網格尺寸劃分成0.1m，不能夠良好呈現視覺效果，需進一步減小細化網格尺寸。

(a)視覺呈現效果

3.2 劃分成0.05m時

圖3為網格尺寸劃分為0.05m時，模型的視覺呈現效果和自滲流試驗完成后獲得的孔壓云圖。圖3(a)為視覺呈現效果，可見，在模型最大尺寸為1m條件下，四面體邊長劃分成0.05m的視覺呈現效果優于邊長劃分成0.1m的效果，端頭不再有明顯增大現象，棱角化趨勢變弱，但圓柱仍然呈現出明顯的棱角化趨勢，這說明，將該物理模型的網格尺寸劃分成0.05m，同樣不能夠良好呈現視覺效果，需進一步減小細化網格尺寸。計算單位時步為7.72e-6，共循環263000次，砂柱中的水完全排出，在單位時步上邊長劃分成0.05m的模型計算時步相較于邊長劃分成0.1m的模型計算時步明顯減小，循環次數相應有所增大，圖3(b)為最終獲得的孔壓場云圖，可見與網格尺寸劃分成0.1m時獲得的結果相同。這說明，網格尺寸的減小細化僅僅影響視覺的呈現效果，對最終計算結果的獲得并沒有影響。

(a)視覺呈現效果

3.3 劃分成0.025m時

圖4為網格尺寸劃分為0.025m時，模型的視覺呈現效果和自滲流試驗完成后獲得的孔壓云圖。圖4(a)為視覺呈現效果，可見，在模型最大尺寸為1m條件下，四面體邊長劃分成0.025m的視覺呈現效果優于邊長劃分成0.1m和0.05m的效果，端頭不再有明顯增大現象，圓柱棱角化現象消失，這說明，將該物理模型的網格尺寸劃分成0.025m，能夠將該物理模型良好呈現出相應的視覺效果，不需進一步減小細化網格尺寸。計算單位時步為9.05e-6，共循環340000次，砂柱中的水完全排出，在單位時步上邊長劃分成0.025m的模型計算時步相較于邊長劃分成0.1m和0.05m的模型計算時步大幅減小，循環次數相應增大，圖4(b)為最終獲得的孔壓場云圖，可見與網格尺寸劃分成0.1m和0.05m時獲得的結果相同。

(a)視覺呈現效果

通過以上對不同網格劃分尺度的視覺呈現效果、最終求解獲得的孔壓場云圖、單位計算時步、總循環次數的分析比較，主要有以下規律：①隨著網格劃分尺度越小，視覺呈現效果越佳，邊緣位置越平滑；②不同的網格劃分尺寸，獲得的最終孔壓場云圖一致；③網格劃分尺度越大，所需的單位計算時步越小；④網格劃分尺度越小，總循環次數越大。

4 結 論

通過不同邊長四面體劃分模型，對視覺效果、計算耗時和獲得的最終結果的比較，主要得出以下結論：

1)當其它求解條件均不變時，模型呈現效果隨著網格劃分尺度逐漸變小而越來越佳，在其它設置條件相同的情況下，單純改變網格尺寸對最終的計算結果沒有影響。

2)當邊界條件、材料性質均相同時，網格劃分尺度大小對計算效率有很大影響，具體體現在單位計算時步和總循環次數與網格尺寸負相關。

3)文章所獲結論對學者應用FLAC3D進行模擬時，網格劃分尺寸選取具有實際參考意義。