FLAC3D 7.0 新特性简介(P3)---新的本构模型

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了FLAC3D 7.0版本中新增的五个土力学本构模型，包括PH模型、Soft-Soil模型、Soft-Soil-Creep模型、NorSand模型和P2PSand模型。PH模型考虑了双曲应力-应变关系、塑性应变产生、应力相关弹性刚度等特点，适用于多种土壤与结构相互作用问题。Soft-Soil模型适用于软土，具有压力相关模量和装卸特性。Soft-Soil-Creep模型扩展了Soft-Soil模型以模拟软土的蠕变行为。NorSand模型适用于砂土，通过接触力和滑移控制颗粒间相互作用。P2PSand模型是DM04模型的改进，适用于3D岩土工程地震工程应用，能够模拟土壤的基本动力特性。这些模型通过常规或原位测试可以轻松校准，为岩土工程问题提供了更准确的模拟工具。

1 引言

这个系列笔记根据2020年6月4日Itasca公司发布的Webinar视频改写和扩展而成，主要介绍了FLAC3D 7.0的新特性。我用笔记的型式记录下这个视频所涉及的内容，同时穿插了我自己的观点和部分功能的使用方法，仅作为学术工作参考使用。因为这是个公开展示的视频，非内部培训资料，没有版权保护的限制，所以这个笔记断续地插入了视频中的一些截图。Part 1 和Part 2主要介绍了FLAC3D 7.0在速度提升方面的性能，得益于多线程并行计算的算法改进。今天介绍FLAC3D引入的新的本构模型。

Part 1: FLAC3D 7.0 新特性简介(P1)---速度提升

Part 2: FLAC3D 7.0 新特性简介(P2)---FISH的显著改进

2. 本构模型回顾

FLAC3D早期的本构模型主要侧重于岩石力学，这是因为最初FLAC3D开发者们的学术背景是岩石力学，后来FLAC3D逐步发展壮大，陆续加入了土力学的本构模型。20世纪80-90年代是岩石力学软件发展的黄金时代，那时因为个人计算机刚刚兴起，一些具有深厚岩石力学基础和计算机软件背景的大学研究人员开始着手开发个人使用的计算机软件，其中最具代表性的是美国明尼苏达大学和加拿大多伦多大学的岩石工程组，后来各自成立了“校办企业”，再后来与学校完全脱离，形成了目前的Itasca系列软件和Rocscience系列软件，这两个公司的软件基本上代表了当今岩石力学数值模拟研究的最高水平。土力学软件方面最具代表性的是荷兰的PLAXIS和加拿大卡尔加里的Geo-Slope。随着这些软件公司的逐渐发展，岩土的本构模型在各个公司开发的软件中开始“相互渗透”，最初的土力学软件(PLAXIS，Geo-Slope) 加入了岩体的本构模型，最初的岩石力学软件(UDEC, 3DEC, FLAC3D, FLAC）加入了土体的本构模型。

这次，FLAC3D 7.0 引入了四个新的土力学本构模型，更新了一个6.0版本引入的土力学本构模型。它们是：

Plastic-Hardening Model with Small-Strain Stiffness （Update）
Soft-Soil
Soft-Soil-Creep
NorSand (Static/Dynamic/Liquefaction)
P2PSand (Dynamic/Liquefaction)

至此，FLAC3D 7.0 共内置了33个岩土本构模型(null模型不算)，如下所示。

接下来简要描述这5个新的本构模型。

3. 新的本构模型

本构模型是数据模拟的核心，详细介绍这些本构模型不是本笔记的目的。下面仅对每个模型作简要的介绍。

3.1 Plastic-Hardening Model with Small-Strain Stiffness

塑性硬化(PH)模型在版本6中已经引入，版本7对这个模型作了一些更新。塑性硬化(PH)模型用于模拟土行为的剪切和体积硬化。当承受偏斜载荷时(例如，在常规排水三轴试验中)，土通常会表现出刚度降低，并伴随着不可逆的变形。大多数情况下，在排水三轴测试中获得的偏应力与轴向应变的关系曲线可以用双曲线近似。Duncan和Chang(1970) 在他们著名的“双曲线土”模型中讨论了此特征，该模型被公式化为非线性弹性模型。PH模型是在硬化可塑性的框架内制定的(Schanz等,1999)，可以消除原始非线性弹性模型公式的主要缺点（例如，检测加载/卸载模式，非物理体积模量）。

PH模型的主要特点是：

轴向排水压缩过程中的双曲应力-应变关系；
动员摩擦时产生塑性应变（剪切硬化）；
初次压缩时的塑性应变（体积硬化）；
根据幂定律的应力相关弹性刚度；
与原始加载相比，弹性卸载/重新加载；
记忆预固结应力；和
Mohr-Coulomb破坏准则。

使用常规实验室测试或原位测试可以轻松校准模型。对于土壤与结构的相互作用问题，开挖，隧穿和沉降分析以及许多其他应用，它是公认的。

FLAC3D 7.0版本增加了小应变刚度选项，允许考虑随着应变变化的模量。一般情况下，随着剪切应变的增加，剪切刚度减小。如下图所示。

当在实验室做试验时，土试验受到大的应变，有可能得到的剪切模量比期望值低，因为在现场应变小，剪切模量大，新引入的选项允许用户考虑这种影响，设定剪切刚度随着剪切应变而变化。也包括了加载和卸载模量。

3.2 Soft-Soil

这个模型用于非常软的土。软土通常是指通常固结或稍固结的粘土，粉质粘土，黏土淤泥和泥炭。显着压缩（例如）是软土的主要工程特征之一。软土（SS）模型具有以下特征：（a）与压力有关的模量；（b）不同于原始装卸的装卸；（c）扩大容积屈服椭圆形帽；（d）常规的Mohr-Coulomb剪切破坏和拉伸破坏准则。

3.3 Soft-Soil-Creep

软土（SS）模型无法模拟随时间变化的行为，例如在二次压缩过程中发生的蠕变。对于某些岩土工程问题（例如路堤施工），软土的蠕变行为可能很重要。软土-蠕变（SSC）模型（Vermeer和Neher，1999）考虑了时间依赖性，因此体积上限在特定时间（模型中称为参考时间）内扩展到新位置，而不是在瞬时内扩展。SS模型。此外，尽管膨胀率不断降低，但瓶盖永远不会停止膨胀。扩展速率将由当前OCR的值确定。当OCR高时，蠕变变形可以忽略不计。SSC模型具有以下功能：

次要时间相关压缩
压力相关模量
与原始装载不同的卸载-重新装载；
记忆等效的固结前压力；和
当蠕变时间步长为零时，退化为常规的Mohr-Coulomb破坏准则。

3.4 NorSand

NorSand（Jefferies 1993，Jefferies and Been 2015）是一种适用于砂的临界状态模型，其中砂颗粒间的相互作用是通过接触力和滑移而不是粘结来控制的，并入了状态参数以便捕获颗粒状土的行为，各种限制应力和密度。NorSand所需的土特性相对较少，可以通过常规实验室或原位测试进行估算。从非常松散的土的静态液化到非常稠密的土的膨胀，NorSand能够显式地捕获整个土的行为。

3.5 P2PSand

P2PSand(Practical Two-surface Plasticity Sand)模型是指针对通用3D岩土工程地震工程应用的实用两面塑性SAND本构模型，旨在捕获基本的土壤动力特性。该模型是由Dafalias和Manzari（2004）开发的与织物膨胀相关的砂塑性DM04模型的改进扩展。通过修改一些公式而不会增加太多复杂性，通过在模拟结果与各种实验室或现场观察结果之间的匹配以及各种初始和加载条件下的经验关系，可以实现改进的性能。修改后的模型将所有与空隙率相关的组成成分切换为相对密度相关，并采用原位数据（例如标准贯入试验而非实验室中的实验数据）进行更简便的校准程序，同时保留了非常重要的后者的属性只能使用。该模型遵循DM04模型的一般多轴公式，因此可以用于一般3D边界值问题。该模型保留了以下特征：一组模型常数可以模拟具有不同初始相对密度和初始应力状态的不同响应。