在ITASCA产品体系中，3DEC的升级效率相对较为缓慢。自5.2版本以来，经过长约4年的期待，7.0版本终于在2020年初姗姗来迟。

 

新版7.0技术升级首先强调了对ITASCA软件最近平台环境的程序化实现。具体体现在新版软件整合了三维连续介质力学方法程序FLAC^3D和颗粒流方法PFC Suite，对操作界面、控制命令格式和FISH语法标准等重点环节进行了规范式统一，且扩展了二次开发环境Python。面向岩土工程领域形成具有同平台、多方法、多目标特点的综合数值分析环境。

 

除此之外，重点在模型构建和模型力学行为描述两方面提升离散单元法对非连续介质力学问题的解决能力。如兼容多源数据、多样化建模方式，极大丰富了三维离散元模型创建的底层功能；对接触元素本构模型、支护结构类型（和行为）也予以了拓展，为复杂岩土体力学特征和岩体-结构耦合机制相关工程与科研工作提供更为合理的理论支持，和强大的技术支持。

 

本期主要内容简要介绍如下主要技术升级环节的特点：

1. 数值模型构建相关技术升级

2. 接触力学行为描述

3. 支护结构-岩体耦合行为描述

4. 新版应用案例

 

数值模型构建相关技术升级

通过纳入ITASCA专业化建模工具Griddle的部分底层功能，增强三维模型块体剖分、以及块体中数值单元剖分的自动化程度，强调了对复杂模型的解决能力和操作易用性。

 

1. 兼容CAD数据的模型自动创建和编辑功能

指利用导入外部CAD几何模型辅助离散元模型创建，或对已有模型进行形态编辑。具体功能通过以下案例进行说明。

 

图1 依据CAD几何模型进行辅助建模

 

左图为导入的含隧洞地层的几何模型（模型含四个封闭空间），通过新版程序升级技术可对其进行快速自动化块体离散，形成右图所示离散元模型。

 

图2 凸多面体集合模型的快速自动创建

 

提供自凸形多面体几何对象至数值块体的自动转换功能。左图为含由六面体集合形成的砌体结构几何模型，将其采用VRML文件格式导入至3DEC，经执行针对性命令操作快速转换后，得到右图所示离散元数值模型。

图3 依据CAD文件的数值模型编辑

 

模型编辑功能专指采用CAD几何文件对指定模型进行切割操作。如，左图为一岩腔几何模型，将其导入至3DEC后，利用其对指定范围已有数值模型块体集合进行切割操作，得到右图所示含岩腔地层模型。该功能的不足之处在于，切割操作会形成较多的人工界面（虚拟界面），可能会对分析结果的精度或合理性形成负面影响。

 

 

2. 三维VORONOI自动剖分

新版程序提供对指定封闭几何模型的三维VORONOI离散功能，对其在UDEC中的二维功能版本对应。

图4 三维VORONOI离散功能

 

VORONOI采用多面体对地质体进行离散，较之常规四面体，可更为合理地描述岩体内部结构的随机性质，常用于为岩石破裂行为相关机制研究建立分析模型。

 

3. 块体至数值单元的转换

在以往版本程序中，3DEC模型中的块体可离散为单元（ZONE），块体和单元两者概念较为独立。新版程序建立如下命令操作机制，实现四面体块体自动转换为单元的方法：

block merge-start

…

block merge-finish

在命令block merge-start、和block merge-finish之间形成的四面体块体会被程序自动转换为数值单元，数值单元依据块体分组（block group）建立自身的分组关系。

 

 

图5 块体至数值单元的转换

 

左图为四面体块体集合，含三个块体分组（block group），利用block merge-start、block merge-finish将其自动转换为右图所示单元集合，单元集合也含有三个分组。

 

4. 建立离散元模型文件格式标准

新版程序初次针对离散元模型建立ASCII明码格式文件标准，描述对象包括节点、单元、块体、接触面及其这些对象的分组信息。

图6 离散元模型文件格式标准

 

依据该格式标准，新版程序同时建立了3DEC至UDEC和FLAC^3D的模型转换功能，转换内容包括数值单元和接触面。对图5右图离散元模型进行FLAC^3D模型转换，得到下图结果。

 

图7 3DEC模型至FLAC^3D模型转换

 

接触力学行为描述

1. 强度自愈接触模型

对于走滑型变形结构面而言，当其经历错动变形、最终达到平衡状态后，结构面强度此时接近原始强度条件，此即为结构面强度的自愈行为。

 

新版程序基于Mohr-Coulomb滑移模型研发形成强度自愈接触模型，并提供两种与剪切变形相关的强度自愈模式（线性、非线性自愈过程）。

 

 

图8 强度自愈节理本构模型

 

2. 蠕变接触模型

指在已有成熟接触模型基础上进一步考虑现实结构面可以具有的蠕变性质，如含软弱介质充填的断层。

 

支护结构-岩体耦合行为描述

岩块与结构面是组成岩体的基本要素。在实践中，对结构面变形行为的控制是施作支护结构的工程意义之一。锚杆/索与结构面在变形受力过程中经历较为复杂的耦合作用过程，支护结构除对结构面法向产生加固效应外，还在其剪切向以不同的效应加强抗剪强度，如锚杆/索轴向力提供的围压可以提高结构面抗剪强度，轴向力的剪切分量也可以剪切变形形成“曳拽”作用，以及锚固件自身的抗剪性能等五种效应。

 

现有锚杆/索支护单元未能全面的考察支护结构对结构面剪切行为的影响，一般仅考虑了对结构面法向变形的控制作用。在以往3DEC版本中，另行提供Local reinforcement支护结构单元来模拟结构单元对结构面剪切性质的效应。不过，该方式涉及不同类型支护单元的配合使用，实现过程繁琐、参数确定也存在难度。

 

新版程序提供一种全新的支护类型即混合锚杆/索单元以实现对结构面法向、剪切向作用效应的综合描述。下图隧洞开挖、支护分析，合理体现了锚杆/索对结构面揭露部位的“销钉”作用。

图9 全新支护单元—混合锚杆/锚索技术

 

此外，新版程序还纳入了桩（Pile）、壳（Shell）、土工织物（Geogrid）等FLAC^3D中已有的成熟结构单元类型，形成成熟的支护结构模拟分析技术体系。

 

其他

除上述具体分析功能外，新版程序技术升级还体现在操作界面，命令格式、FISH语法结构的规范格式化，以及Python二次开发环境扩展等，可进一步参考帮助文档了解其细节。

 

新版应用案例

问题：某油库工程结构位于边坡坡脚，边坡一定高程范围内发育有因某种成因机制形成的滑坡，评价滑坡对重点工程结构（管道群）的冲击风险。

技术要求：依据引入假定的模型创建、滑体破坏运动动力学分析和冲击作用力评价。

主要环节：

1. 模型创建：忽略模型中块体自身变形即视为刚性。由此决定了模型创建的技巧，除滑体外，模型中所有对象均可采用3DEC程序中的WALL对象来模拟。其对计算的直接意义是，由于WALL之间无需作接触判断和变形受力分析，因此实际降低了模型运算规模，显著提高计算效率；

2. 冲击力判断：编制FISH程序，动态侦测滑块与管道间接触力，作为管道结构受冲击作用破坏分析的数据支撑。

图10 滑坡模型与破坏运动分析

 

上图模型，由于基岩边坡以及滑体形态相对复杂，该部分模型利用Griddle创建形成；其余部分由3DEC提供的建模命令直接得到。

 

参考文献：

3DEC 7.0 Manual. Itasca Consulting Group, Inc.