具体描述
内容简介
本书的体系结构主要从实用性方面进行考虑的。全书分11章,主要包括有限差分FLAC数值计算的基本原理,FLAC/FLAC3D的模型和功能模块,FLAC/FLAC3D命令及FIAH语言,工程实例分析和命令流等方面。本书深入浅出的介绍了FLAC/FLAC3D的基本原理,采用简单实例对FLAC/FLAC3D的建模计算步骤进行了介绍,并对相应命令流进行了较为详细的说明,以使读者能快速入门。同时,本书给出了基础工程问题、边坡问题、基坑工程问题、地铁施工相关问题及矿山巷道相关问题的工程实例分析,对有一定FLAC软件应用经验的研究人员也具有参考价值。 目录
前 言
第1 章 有限差分法与FLAC 数值计算 1
1. 1 有限差分法基本概念 1
1. 2 差分格式的建立 4
1. 3 FLAC / FLAC 3D 基本原理 5
1. 3. 1 FLAC / FLAC 3D 的基本特征 5
1. 3. 2 FLAC 网格划分 6
1. 3. 3 一维问题FLAC 计算流程 7
1. 3. 4 平面问题FLAC 有限差分原理 10
1. 3. 5 三维问题FLAC 3D 有限差分原理 16
第2 章 FLAC / FLAC 3D 的模型与功能模块 18
2. 1 FLAC / FLAC 3D 的材料模型 18
2. 2 FLAC / FLAC 3D 的结构单元 23
2. 2. 1 梁(Beam) 单元 23
2. 2. 2 锚索(Cable) 单元 25
2. 2. 3 桩(Pile) 单元 28
2. 2. 4 二维岩石锚杆(Rockbolt) 单元 29
2. 2. 5 二维条带(Strip) 单元 29
2. 2. 6 二维支撑(Support) 单元 30
2. 2. 7 三维壳体(Shell) 单元 31
2. 2. 8 衬砌(Liner) 单元 31
2. 2. 9 三维土工格栅(Geogrid) 单元 33
2. 3 FLAC / FLAC 3D 高级功能与可选模块 35
2. 3. 1 热力学分析 35
2. 3. 2 蠕变分析 35
2. 3. 3 两相流分析 36
2. 3. 4 动力学分析 37
2. 3. 5 基于C++的用户自定义模型 39
第3 章 FLAC / FLAC 3D 命令及功能描述 40
3. 1 FLAC 命令约定及特点 40
3. 1. 1 语法 40
3. 1. 2 交互式输入 41
3. 2 单元节点编号和面的方向约定 41
3. 3 命令功能描述 42
3. 3. 1 输入几何条件 42
3. 3. 2 创建命名对象 45
3. 3. 3 指定本构模型及其特性值 47
3. 3. 4 指定初始条件 47
3. 3. 5 边界条件 51
3. 3. 6 指定结构单元 53
3. 3. 7 用户自定义的变量和函数 62
3. 3. 8 在运算过程中监控模型的状态 63
3. 3. 9 运算求解 68
3. 3. 10 模型状态的输出 69
3. 4 FLAC 3D 5. 0 新功能介绍 72
3. 4. 1 网格拉伸工具 75
3. 4. 2 创建视图中的操作 83
3. 4. 3 拉伸视图中的操作 89
第4 章 FLAC 内置的FISH 语言 93
4. 1 FISH 语言的语法规则 93
4. 1. 1 命令行 93
4. 1. 2 函数名、变量名和潜在的冲突 94
4. 1. 3 变量作用范围 99
4. 1. 4 函数组成、赋值和调用格式 99
4. 1. 5 数据类型 101
4. 1. 6 算术表达式和类型转换 102
4. 1. 7 字符串 102
4. 1. 8 删除和重定义FISH 函数 103
4. 1. 9 FISH 控制语句 104
4. 2 FLAC 与FISH 交互作用 106
4. 2. 1 FISH 调用 106
4. 2. 2 FLAC 明确定义的标量变量 107
4. 2. 3 网格点变量与单元变量 107
4. 2. 4 应变计算 108
4. 2. 5 Table 特殊函数 108
4. 2. 6 直接访问内存的特殊函数 109
4. 2. 7 FISH 的输入/输出程序 109
第5 章 采用FLAC 建模计算的步骤及简单实例分析 111
5. 1 简单的隧道分析 111
5. 2 条基试验 112
5. 3 马蹄形隧道的建立 115
5. 4 倾斜节理的产生 116
5. 5 简单边坡的生成 117
5. 6 二级网格的连接 118
5. 7 关于破坏的解释 120
5. 8 地表沉降计算分析 121
第6 章 采用FLAC 3D 建模计算的步骤及简单实例分析 125
6. 1 简单的基坑开挖问题 125
6. 2 网格的合并连接 126
6. 3 界面的形成 127
6. 4 隧道的生成 128
6. 5 复杂隧道的生成 130
6. 6 模型材料问题 140
6. 7 交界面的合并连接问题 142
6. 8 初始应力条件问题 144
6. 9 破坏问题分析 146
第7 章 基础工程问题的数值计算 148
7. 1 莫尔-库仑材料上的条形及圆形基础计算 147
7. 1. 1 问题描述 148
7. 1. 2 理论解 148
7. 1. 3 建模过程 149
7. 1. 4 建模数据文件 150
7. 1. 5 结果及讨论 152
7. 2 剑桥黏土排水与不排水三轴压缩的数值模拟 156
7. 2. 1 问题描述 156
7. 2. 2 理论解 156
7. 2. 3 FLAC 模型 158
7. 2. 4 建模数据文件 159
7. 2. 5 结果及讨论 169
7. 3 钻孔的孔隙弹性响应分析 172
7. 3. 1 问题描述 172
7. 3. 2 理论解 172
7. 3. 3 模型 174
7. 3. 4 建模数据文件 175
7. 3. 5 结果讨论 183
第8 章 边坡问题的数值计算 186
8. 1 边坡稳定性系数的求解 186
8. 1. 1 问题描述 186
8. 1. 2 建模过程 186
8. 1. 3 建模数据文件 186
8. 1. 4 结果及讨论 187
8. 2 岩石边坡稳定性分析 188
8. 2. 1 问题描述 188
8. 2. 2 建模过程 189
8. 2. 3 建模数据文件 190
8. 2. 4 结果及讨论 191
8. 3 竖向及水平荷载作用下混凝土桩计算 192
8. 3. 1 问题描述 192
8. 3. 2 建模过程 193
8. 3. 3 建模数据文件 196
8. 3. 4 结果及讨论 204
第9 章 基坑工程相关问题的
前言/序言
FLAC/ FLAC 3D 是面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统, 已在全球得到广泛应用, 在国际岩土工程学术界和工业界赢得广泛的赞誉。目前, FLAC/ FLAC 3D 已逐渐成为我国岩土工程界发展最快、影响最大的软件系统之一。
本书深入浅出地介绍FLAC / FLAC 3D 在土木工程中的应用, 读者通过学习能快速地入门, 掌握该软件的基本原理及使用方法。同时, 本书又较系统、简明地阐述了其计算原理与计算方法, 对有一定FLAC / FLAC 3D 软件应用经验的读者也有帮助。本书首先从有限差分的概念入手, 阐述了FLAC / FLAC 3D 的计算原理; 然后在介绍FLAC / FLAC 3D 基本功能的基础上, 以简单实例入手, 使读者快速掌握该软件的使用方法; 最后通过若干具体工程实例, 详细分析建模原则及计算结果。
本书具有两个特点。一是内容具有足够的广度和深度, 注重实例分析。具体表现为:①简要地介绍了FLAC / FLAC 3D 有限差分原理; ②详细介绍了FLAC / FLAC 3D 的材料模型、结构单元, 以及FISH 语言, 并在此基础上对FLAC / FLAC 3D 的简单实例进行了详细分析;③对岩土工程中的边坡工程、深基坑工程、隧道工程等进行了实例分析, 详细阐述了建模过程、计算方法, 并对结果进行了分析。二是理论联系实际, 既满足初学者的要求, 也为具有一定基础的读者深入研习FLAC / FLAC 3D 提供了详尽的理论背景与应用实例, 可供土建、交通、采矿、地质、水利、石油、工程力学等专业从事岩土工程数值计算、工程设计与研究的工程师和在校师生使用, 也可作为相关专业本科生教材或研究生教学参考书。
本书由刘波、李涛、韩彦辉编著。研究生徐薇、杨伟红、李冬晓、李彬如、贺鹏、关辰龙、刘显宽、刘项、刘仁江、吴晨浠、屈海波、胡和涛、许伟杰、王帅等在资料整理、插图绘制等方面做了大量的工作, 在此一并致谢。
衷心感谢美国Itasca 国际咨询公司副总裁Roger Hart 博士, FLAC / FLAC 3D 系统的开发者、美国工程院Peter Cundall 院士, 美国明尼苏达大学Charles Fairhurst 院士, 英国诺丁汉大学余海岁院士, 香港大学岳中琦教授, 清华大学杨强教授, 山东科技大学宋振骐院士, 中国建筑一局发展有限公司周予启总工程师, 中国矿业大学(北京) 陶龙光教授、李先炜教授、杨仁树教授、何满潮院士、江玉生教授、侯公羽教授等在作者课题研究和编著本书时给予的大力支持。
本书得到了国家自然科学基金( 41472259、51274209、50974126、50674095、50304012、51508556)、教育部新世纪优秀人才资助项目(NCET-08-0835)、“十二五” 国家科技支撑计划专题(2012BAK24B0201) 的资助, 在此表示衷心感谢。
希望本书能对我国岩土工程的教学、科研与咨询评价工作有所帮助, 这也是作者最大的愿望。由于写作时间仓促以及作者的水平所限, 书中难免存在不妥之处, 敬请各位读者批评指正。
作 者
《地下工程数值模拟:基于FLAC/FLAC3D的建模与分析》 引言 随着现代工程技术的飞速发展,对地下工程的深入理解与精确预测变得尤为重要。无论是城市轨道交通、隧道建设,还是矿山开采、边坡稳定,地下空间的开发与利用都面临着复杂的地质条件、荷载作用以及材料力学行为。传统的解析方法和经验公式在处理这些复杂问题时往往显得力不从心,而数值模拟技术则为解决这些挑战提供了强大的工具。 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)及其三维版本FLAC3D,作为业界领先的二维和三维连续介质力学有限差分软件,以其强大的本构模型库、高效的计算速度和灵活的用户接口,在岩土工程、地下工程、隧道工程、水利工程等众多领域得到了广泛的应用。它能够模拟复杂的地质介质、非线性材料行为、流固耦合作用,以及各种施工过程对地下结构和围岩的影响。 本书旨在为读者提供一个系统、全面、深入的学习路径,掌握利用FLAC/FLAC3D进行地下工程数值模拟的理论基础、建模方法、分析技术及结果解读。我们将从数值模拟的基本原理出发,逐步深入到FLAC/FLAC3D的软件操作,并通过大量实际工程案例,展示如何构建模型、定义参数、施加荷载、运行计算,并最终对模拟结果进行科学的评估与判断。本书的目标是帮助读者能够独立完成复杂地下工程问题的数值模拟分析,为工程设计、施工优化和风险评估提供可靠的科学依据。 第一部分:数值模拟基础与FLAC/FLAC3D入门 第一章:地下工程数值模拟概述 1.1 传统分析方法及其局限性: 解析解法的适用范围与原理。 经验公式在工程实践中的应用与不足。 传统方法的模型简化及其对复杂性的处理能力限制。 1.2 数值模拟的兴起与发展: 数值模拟的定义与基本思想。 有限元法、有限差分法、边界元法等主要数值方法的原理简述。 数值模拟在地下工程领域的核心价值:处理非线性、复杂边界条件、模拟动力过程、预测灾害等。 1.3 FLAC/FLAC3D的定位与优势: FLAC/FLAC3D的技术特点:显式有限差分法、Lagrangian(拉格朗日)坐标系、大变形能力、内置丰富的本构模型、强大的FISH语言二次开发能力。 FLAC/FLAC3D与其他岩土工程数值软件的比较。 FLAC/FLAC3D在不同地下工程领域的典型应用场景概览(隧道、边坡、基坑、大坝、水下结构等)。 第二章:FLAC/FLAC3D软件环境与基本操作 2.1 软件的安装与配置: 安装流程及系统要求。 软件界面的初步认识:菜单栏、工具栏、绘图窗口、命令窗口、状态栏等。 2.2 基本建模流程: 创建新模型:单位制选择、模型尺寸设置。 网格生成:网格划分的基本原则、网格单元类型(平面应变、轴对称、二维、三维)。 几何建模:直接绘制几何体、导入CAD文件、布尔运算等。 2.3 定义模型属性: 材料属性的定义:密度、泊松比、杨氏模量等弹性参数。 本构模型的选择:Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Candau、Hardening Soil、Cambridge等常用本构模型及其适用范围。 属性分配:将材料属性赋予模型中的特定区域。 2.4 边界条件与荷载施加: 边界条件的类型:固定边界、位移边界、自由边界、压力边界等。 荷载的类型:面荷载、线荷载、点荷载、体积力(自重)等。 荷载与边界条件的施加方法。 2.5 求解器设置与运行: 求解器模式:静态分析、动荷载分析、动力分析、热-流-力耦合分析等。 求解参数的设置:迭代次数、收敛准则、时间步长等。 模型运行与停止。 2.6 结果查看与可视化: 位移、应力、应变、塑性区等基本结果的显示。 等值线图、矢量图、云图的生成与解读。 历史曲线的绘制与分析。 截面图、剖面图的创建。 第二部分:FLAC/FLAC3D在典型地下工程中的应用 第三章:隧道工程数值模拟 3.1 隧道开挖的模拟方法: 隧道开挖的离散化处理:分层开挖、顺序开挖、洞挖法等。 围岩支护的模拟:喷射混凝土、钢拱架、锚杆、钢筋网等支护构件的力学模拟。 施工过程的动态模拟:模拟开挖、支护、衬砌等各个施工阶段对围岩应力场、变形的影响。 3.2 隧道围岩稳定性分析: 围岩变形分析:隧道初期支护后及衬砌完成后的变形量预测。 围岩应力分析:围岩的应力分布、应力集中区域的识别。 塑性区分析:判断围岩是否进入塑性状态,评估围岩的破坏范围。 支护结构内力分析:支护结构所承受的内力(轴力、弯矩、剪力)及其安全评估。 锚杆荷载分析:锚杆的受力情况及支护效果评估。 3.3 案例分析: 山岭隧道开挖稳定性分析。 城市地铁车站开挖与支护设计。 水下隧道施工模拟。 第四章:边坡工程数值模拟 4.1 边坡失稳机理与数值模拟: 边坡失稳的常见模式:滑坡、崩塌、蠕变等。 边坡模型建立:地形地貌的真实还原,地层结构的细致划分。 影响边坡稳定性的因素:土体强度参数、地下水、外部荷载、降雨等。 4.2 边坡稳定性评价: 极限平衡法与数值模拟法的对比。 塑性区扩展与滑面形成分析:模拟边坡潜在滑动面的形成过程。 安全系数的计算与评估:通过数值模拟推算边坡的抗滑稳定性。 边坡变形预测:模拟边坡在不同荷载或环境条件下的变形。 4.3 边坡支挡结构设计与优化: 挡土墙、锚索、桩基支护等结构的模拟。 支挡结构对边坡稳定性的加固效果评估。 结构内力分析与材料安全校核。 4.4 案例分析: 高填方边坡的稳定性分析。 冲刷型边坡的防护设计。 复杂地质条件下的边坡支护研究。 第五章:基坑工程数值模拟 5.1 基坑开挖与支护体系模拟: 基坑形状与深度建模。 支护桩(排桩、地下连续墙、SMW工法桩等)的力学模拟。 止水帷幕、内支撑、锚拉杆等构件的建模与分析。 土体回弹与变形的模拟。 5.2 基坑周边环境影响分析: 周边建筑物沉降预测与评估。 地下水位变化对基坑安全的影响。 涌水涌砂现象的模拟。 5.3 基坑安全评估与设计优化: 基坑坑底隆起、支护结构变形与内力分析。 动水压力、静水压力作用下的流固耦合分析。 优化支护结构形式、参数及施工顺序。 5.4 案例分析: 深基坑施工的变形与应力分析。 邻近既有建筑的基坑工程风险评估。 复杂水文地质条件下的基坑工程设计。 第三部分:高级应用与进阶技术 第六章:流固耦合分析与地下水渗流模拟 6.1 流固耦合的基本理论: Darcy定律及其在渗流分析中的应用。 Biot固结理论及其在饱和多孔介质中的应用。 FLAC/FLAC3D中的流固耦合分析模块。 6.2 地下水渗流模拟: 含水层模型建立与渗流边界条件设定。 地下水位变化对围岩稳定性的影响。 抽水、注水对地下水场的影响。 裂隙岩体渗流模拟。 6.3 流固耦合在工程中的应用: 饱和土体的固结沉降分析。 溃坝、渗流破坏的模拟。 隧道衬砌的长期渗漏分析。 抽水降水对周边环境的影响评估。 第七章:动力分析与地震响应模拟 7.1 动力分析的基本概念: 动力荷载的类型:地震波、爆炸冲击波、机器振动等。 动力分析的基本理论:惯性力、阻尼、能量耗散。 FLAC/FLAC3D的动力分析功能。 7.2 地震响应分析: 地震波的输入与传播。 场地土的动力特性分析。 地震作用下隧道、边坡、大坝的动力响应。 地震液化判别与模拟。 7.3 爆炸冲击波影响分析: 爆炸荷载的模拟。 冲击波在介质中的传播与衰减。 爆炸对地下结构的影响评估。 第八章:FISH语言编程与二次开发 8.1 FISH语言基础: FISH语言的语法与数据结构。 变量、函数、表达式的定义与使用。 控制流程(条件语句、循环语句)。 8.2 FISH语言在FLAC/FLAC3D中的应用: 自动化建模过程:自动生成网格、施加荷载、定义属性。 自定义分析过程:实现复杂计算逻辑、迭代求解。 结果后处理与数据导出:自定义输出格式、进行复杂的数据分析。 本构模型二次开发:实现用户自定义的材料本构模型。 8.3 典型FISH程序示例: 批量生成不同尺寸模型的FISH程序。 自动提取历史曲线并进行统计分析的FISH程序。 模拟复杂边界条件变化的FISH程序。 第九章:高精度建模与复杂地质条件模拟 9.1 有限差分网格的优化: 网格自适应细化技术。 不规则网格的构建与应用。 网格质量对计算精度的影响。 9.2 复杂地质构造的模拟: 软弱夹层、断层、溶洞等特殊地质体的建模。 考虑地层不连续性的数值模拟。 裂隙岩体建模技术。 9.3 考虑大型开挖和变形的模拟: 大变形单元的设置与处理。 塑性模型的高级应用:剪胀性、弹塑性过渡。 考虑时间依赖性效应的模拟(蠕变)。 第十章:结果解释、工程实践与未来展望 10.1 数值模拟结果的解读与评估: 关键输出参数的物理意义。 模拟结果与工程实际的对比验证。 误差分析与不确定性评估。 10.2 工程应用中的注意事项与最佳实践: 模型尺度的选择与边界效应。 材料参数的选取与敏感性分析。 模拟结果的工程决策支持。 10.3 FLAC/FLAC3D在新兴地下工程领域的应用: 深层隧道、地下空间综合利用。 新型能源(地热、页岩气)开采。 碳捕集与封存。 10.4 未来发展趋势: 与BIM技术的融合。 人工智能在数值模拟中的应用。 更高效、更精准的数值模拟方法。 结语 本书力求通过理论与实践相结合的方式,带领读者系统掌握FLAC/FLAC3D在地下工程数值模拟中的应用。希望本书能够成为岩土工程、地下工程、隧道工程等相关领域的研究者、工程师以及在校学生的宝贵参考资料,助力大家在复杂的工程实践中取得更大的成就。