砂柱自排水试验网格划分与计算效率关系研究

佘星源

(河海大学，南京 210003)

0 引 言

FLAC3D在处理流体计算问题时，可以采用流固耦合计算模式或者采用先力学计算后流体计算模式，无论采用哪种计算模式，都要进行流体计算，才能获得考虑了流体作用效应的结果，学者们在利用FLAC3D进行计算时，缺乏在网格划分对计算效率影响方面的关注，在获得最终计算结果时，往往花费时间过长，这在一定程度上无疑会影响学者们前进的步伐和科学成果的高效探取。季聪等[1-2]应用强度折减法对临近高速公路的滑坡体进行了滑坡启动条件后分析，最终得出了滑坡类型和相应的安全系数和最可能的临界滑动面。曹兰柱等[3-4]依托具体工程，对采矿区边坡的稳定性应用FLAC3D进行了建模计算分析，得出矿区边坡变形发生破坏的模式。韩万东等[5-6]同样基于FLAC3D软件对露天矿区的工作临近边坡的变形进行了模拟计算，揭示了边坡塑性区分布特征，为极限平衡法在FLAC3D中的边坡稳定性分析中的有效性提供了可靠示例。余永强等[7-8]基于MIDAS平台构建模型，详细分析论述了MIDAS平台所构建模型如何转换并导入FLAC3D中，结论拓展了复杂模型在FLAC3D中的分析计算。陈榕等[9-10]根据深圳地铁10号线地铁停车场所涉及的深厚淤泥质软土地层的基坑开挖进行建模分析，得出结论在地连墙厚度达到1.1m时，在该地区进行基坑开挖施工，才能保证安全稳妥。唐旭等[11-12]采用FALC3D软件对边坡在爆破振动作用下的稳定性进行计算分析，主要分析岩质边坡，得出了爆破发生时，震动作用特点，提出应对坡脚处特别加强措施进行有效保护。吴海民等[13-14]认识到FLAC3D在模拟土工膜和垫层材料上的不足，应用试验结果所获结论采用FISH语言构建了新的本构模型，为相关领域工程特性研究开拓了新方法，同时，为后续学者对自建和已有本构模型进行适当改进提供了新思路、新视野。

土体基质吸力的存在为土质边坡的稳定发挥了巨大作用，众多学者尝试对FLAC3D的应用领域进行拓展，尤其在土体基质吸力方面，但是普遍关注最终的求解结果。作者基于对砂柱试验的反复分析，在Rhino软件中构建相应的试验模型，通过Griddle插件进行0.1、0.05、0.025的网格尺寸划分，根据模拟排水试验过程中的计算效率，讨论网格尺寸划分大小对FLAC3D计算效率的影响，为后续学者采用FLAC3D进行相关数值模拟，建模时网格尺寸的选取提供指导和参考。

1 FLAC3D建模

FLAC3D模拟时，可以通过其它软件构建的模型导入FLAC3D中进行计算，也可以通过FLAC3D自带的模型构建方法进行构建后计算，文章主要采用Rhino构建砂柱模型，通过自带的NURBS进行网格剖分后，采用Griddle插件进行各不同尺寸的最后网格划分和四面体、六面体模型生成，保存成F3GRID格式文件后，通过‘ZONE import’命令导入FLAC3D软件中进行计算。

2 模型构建

如图1所示，通过Rhino软件构建的砂柱试验模型，进行分析计算，材料性质如表1所示，底部透水，其它各面均不透水，砂土初始处于饱和状态。

图1 FLAC3D中的砂土试验模型

表1 材料物理力学参数

3 计算结果

3.1 划分成0.1m时

如图2所示，网格尺寸划分为0.1m时，模型的视觉呈现效果和自渗流试验完成后获得的孔压云图。图2(a)为视觉呈现效果，可见，在模型最大尺寸为1m条件下，四面体边长划分成0.1m的视觉呈现效果不佳，圆柱有缩颈现象，且圆柱呈现出了明显的棱角化趋势，计算单位时步为5.02e-6，共循环160000次，砂柱中的水完全排出，求解获得的孔压场如图2(b)所示。这说明，将该物理模型的网格尺寸划分成0.1m，不能够良好呈现视觉效果，需进一步减小细化网格尺寸。

(a)视觉呈现效果

3.2 划分成0.05m时

图3为网格尺寸划分为0.05m时，模型的视觉呈现效果和自渗流试验完成后获得的孔压云图。图3(a)为视觉呈现效果，可见，在模型最大尺寸为1m条件下，四面体边长划分成0.05m的视觉呈现效果优于边长划分成0.1m的效果，端头不再有明显增大现象，棱角化趋势变弱，但圆柱仍然呈现出明显的棱角化趋势，这说明，将该物理模型的网格尺寸划分成0.05m，同样不能够良好呈现视觉效果，需进一步减小细化网格尺寸。计算单位时步为7.72e-6，共循环263000次，砂柱中的水完全排出，在单位时步上边长划分成0.05m的模型计算时步相较于边长划分成0.1m的模型计算时步明显减小，循环次数相应有所增大，图3(b)为最终获得的孔压场云图，可见与网格尺寸划分成0.1m时获得的结果相同。这说明，网格尺寸的减小细化仅仅影响视觉的呈现效果，对最终计算结果的获得并没有影响。

(a)视觉呈现效果

3.3 划分成0.025m时

图4为网格尺寸划分为0.025m时，模型的视觉呈现效果和自渗流试验完成后获得的孔压云图。图4(a)为视觉呈现效果，可见，在模型最大尺寸为1m条件下，四面体边长划分成0.025m的视觉呈现效果优于边长划分成0.1m和0.05m的效果，端头不再有明显增大现象，圆柱棱角化现象消失，这说明，将该物理模型的网格尺寸划分成0.025m，能够将该物理模型良好呈现出相应的视觉效果，不需进一步减小细化网格尺寸。计算单位时步为9.05e-6，共循环340000次，砂柱中的水完全排出，在单位时步上边长划分成0.025m的模型计算时步相较于边长划分成0.1m和0.05m的模型计算时步大幅减小，循环次数相应增大，图4(b)为最终获得的孔压场云图，可见与网格尺寸划分成0.1m和0.05m时获得的结果相同。

(a)视觉呈现效果

通过以上对不同网格划分尺度的视觉呈现效果、最终求解获得的孔压场云图、单位计算时步、总循环次数的分析比较，主要有以下规律：①随着网格划分尺度越小，视觉呈现效果越佳，边缘位置越平滑；②不同的网格划分尺寸，获得的最终孔压场云图一致；③网格划分尺度越大，所需的单位计算时步越小；④网格划分尺度越小，总循环次数越大。

4 结 论

通过不同边长四面体划分模型，对视觉效果、计算耗时和获得的最终结果的比较，主要得出以下结论：

1)当其它求解条件均不变时，模型呈现效果随着网格划分尺度逐渐变小而越来越佳，在其它设置条件相同的情况下，单纯改变网格尺寸对最终的计算结果没有影响。

2)当边界条件、材料性质均相同时，网格划分尺度大小对计算效率有很大影响，具体体现在单位计算时步和总循环次数与网格尺寸负相关。

3)文章所获结论对学者应用FLAC3D进行模拟时，网格划分尺寸选取具有实际参考意义。