隧道及地下工程FLAC解析方法

本書以工程實例的形式深入淺出地介紹FLAC原理及其在隧道及地下工程力學(xué)行為分析中的應(yīng)用技術(shù)。內(nèi)容涵蓋FLAC3D的基本原理，F(xiàn)ISH語言入門指南及求解隧道及地下工程問題的基本過程，F(xiàn)LAC本構(gòu)模型與單元，F(xiàn)ISH語言及建模技術(shù)，隧道及地下工程設(shè)計與施工方法。最后，重點介紹采用FLAC3D程序進行隧道及地下工程力學(xué)行為分析的工程實例，包括雙線鐵路隧道施工過程數(shù)值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數(shù)值模擬分析和地鐵盾構(gòu)隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。

本書是作者多年應(yīng)用FLAC程序進行隧道及地下工程力學(xué)分析的成果總結(jié)，書中給出應(yīng)用過程中的關(guān)鍵知識點和注意事項。同時，本書附有所有實例的FLAC命令流程序，可供讀者免費下載。

  FLAC3D是美國ITASCA國際咨詢與軟件開發(fā)公司開發(fā)的三維有限差分數(shù)值模擬軟件，是應(yīng)用于基礎(chǔ)工程、隧道工程和邊坡工程以及采礦工程的通用軟件，是國際巖土工程學(xué)術(shù)界指定的分析軟件。

  ITASCA咨詢集團公司成立于1981年，由美國明尼蘇達大學(xué)土木與礦業(yè)工程系Charles Fairhurst博士等人聯(lián)合創(chuàng)辦。經(jīng)過20余年的發(fā)展，ITASCA咨詢集團公司已經(jīng)成為一家從事巖土工程咨詢和軟件開發(fā)的國際公司，服務(wù)領(lǐng)域涵蓋采礦、土木、石油、核廢料處理和環(huán)境工程等。

本書特點:

  本書以工程實例為主，深入淺出地介紹FLAC原理與隧道及地下工程解析指南。首先介紹FLAC程序的基本情況及其在巖土工程中的應(yīng)用概況；然后介紹FLAC3D的基本原理，F(xiàn)ISH語言入門指南及求解隧道及地下工程問題的基本過程實例，F(xiàn)LAC本構(gòu)模型與單元，F(xiàn)ISH語言及建模技術(shù)；最后，在介紹隧道工程設(shè)計與施工方法的基礎(chǔ)上，重點介紹采用FLAC3D程序進行隧道及地下工程力學(xué)行為分析的工程實例，包括雙線鐵路隧道施工過程數(shù)值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數(shù)值模擬分析和地鐵盾構(gòu)隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。

主要內(nèi)容

本書共分8章，具體內(nèi)容安排如下：

第1章  FLAC程序概述。介紹基于有限差分數(shù)值分析原理的FLAC程序基本情況、FLAC程序求解基本過程實例，包括基本步驟、問題描述、模型建立、材料本構(gòu)模型的選擇、邊界條件的處理、加載與求解、計算結(jié)果分析等。

第2章  FLAC3D原理及入門指南。介紹有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D原理及其入門知識。最后，介紹FLAC3D的基本命令以及內(nèi)置FISH語言入門知識，并以一圓形隧道為例介紹FLAC3D程序的應(yīng)用情況。

第3章  FLAC本構(gòu)模型與單元。介紹有限差分數(shù)值模擬原理、本構(gòu)方程和有限差分方程、有限差分數(shù)值模擬分析的求解步驟，最后介紹基于MORH-COULOMB塑性模型的增量彈性理論、屈服準(zhǔn)則、流動法則和塑性應(yīng)力調(diào)整的有限差分形式。

第4章  FISH語言及建模技術(shù)。介紹FLAC編程FISH語言的相關(guān)用法，最后介紹FLAC程序中模型網(wǎng)格建立的若干技術(shù)。

第5章  隧道及地下工程設(shè)計與施工方法。介紹隧道及地下工程的發(fā)展歷史，重點論述隧道及地下工程的設(shè)計方法，最后介紹隧道及地下工程的施工方法。

第6章至第8章在介紹隧道及地下工程設(shè)計與施工方法的基礎(chǔ)上，重點介紹采用FLAC3D程序進行隧道及地下工程力學(xué)行為分析的工程實例，包括雙線鐵路隧道施工過程數(shù)值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數(shù)值模擬分析和地鐵盾構(gòu)隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。

本書實例全部以程序的方式進行講解，本書中所有實例的命令流文件可以到中國水利水電出版社網(wǎng)站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）免費下載，以供學(xué)習(xí)研究之用。

讀者對象:

  本書內(nèi)容豐富全面、實例通俗易懂，適合作為高等學(xué)校隧道及地下工程專業(yè)的學(xué)生和研究生的學(xué)習(xí)用書，也可作為從事隧道及地下工程專業(yè)工作的科研人員的參考用書。

編者與致謝。

  本書由李圍編著，冼進審校。在本書的寫作過程中，余禹和賈軍政參與了部分內(nèi)容的整理工作，在此表示感謝。另外，參與本書編寫工作的還有王治國、馮強、曾德惠、許慶華、程亮、周聰、黃志平、胡松、邢永峰、邵軍、邊海龍、劉達因、趙婷、馬鴻娟、侯桐、趙光明、李勝、李輝、侯杰、王紅研、王磊、閆守紅、康涌泉、李歡、蔣杼倩、王小東、張森、張正亮、宋利梅、何群芬、程瑤等，在此一并表示感謝！

配套服務(wù)。

  由于作者水平所限，加之技術(shù)發(fā)展迅速，書中錯誤和不妥之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。我們的聯(lián)絡(luò)方式：china_54@tom.com.

前言
第1章  FLAC程序概述 1
1.1  FLAC程序簡介 1
1.1.1  FLAC程序概述 1
1.1.2  ITASCA公司簡介 2
1.1.3  使用手冊介紹 3
1.1.4  本構(gòu)模型、網(wǎng)格生成、邊界和初始條件及操作方式 4
1.2  有限差分與其他數(shù)值方法的比較 4
1.2.1  巖土工程數(shù)值模擬方法 5
1.2.2  有限元法 5
1.2.3  有限體積法 6
1.2.4  有限差分法與其他數(shù)值方法的比較 6
1.3  FLAC程序在巖土工程中的應(yīng)用概況 7
1.3.1  基礎(chǔ)工程 8
1.3.2  隧道及地下工程 12
1.3.3  邊坡工程 14
1.3.4  路基工程 16
1.4  本章小結(jié) 17
第2章  FLAC3D原理及入門指南 18
2.1  FLAC3D基本原理 18
2.1.1  概述 18
2.1.2  空間導(dǎo)數(shù)的有限差分近似 19
2.1.3  運動平衡方程 19
2.1.4  應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點不平衡力 20
2.1.5  阻尼力 20
2.2  FLAC3D的有限差分方程 20
2.2.1  本構(gòu)方程 20
2.2.2  有限差分方程 21
2.3  有限差分求解方法及FLAC3D步驟 22
2.3.1  有限差分求解方法 22
2.3.2  巖土工程FLAC3D求解過程 23
2.4  FLAC3D基本命令 23
2.4.1  格式與編輯 23
2.4.2  關(guān)鍵詞range相關(guān)命令 24
2.4.3  常用命令 26
2.5  FISH語言入門 28
2.5.1  FISH簡介 28
2.5.2  FISH入門知識 28
2.6  FLAC程序求解基本過程實例 38
2.6.1  圓形隧道開挖模擬計算 38
2.6.2  模型建立 39
2.6.3  自重應(yīng)力場模擬計算 45
2.6.4  隧道開挖模擬計算 47
2.6.5  本實例的FLAC程序 51
2.7  本章小結(jié) 52
第3章  FLAC本構(gòu)模型與單元 54
3.1  彈性模型和開挖模型 54
3.1.1  彈性模型 54
3.1.2  開挖模型 56
3.2  M-C和D-P塑性模型 56
3.2.1  Morh-Coulomb塑性模型 57
3.2.2  Drucker-Prager塑性模型 59
3.3  應(yīng)變硬化—軟化模型 62
3.3.1  應(yīng)變硬化與軟化模型 63
3.3.2  節(jié)理化模型 64
3.3.3  雙線性應(yīng)變硬化—軟化的節(jié)理化模型 67
3.4  雙屈服、劍橋和霍克布朗模型 71
3.4.1  雙屈服模型 71
3.4.2  修正的劍橋粘土模型 75
3.4.3  霍克－布朗模型 78
3.5  梁、襯砌、錨索和樁單元 81
3.5.1  梁單元 81
3.5.2  襯砌單元 83
3.5.3  錨索單元 85
3.5.4  樁單元 89
3.6  二維單元 91
3.6.1  二維巖石錨桿單元 91
3.6.2  二維條形錨單元 92
3.6.3  二維支撐單元 94
3.7  三維單元 95
3.7.1  三維殼體結(jié)構(gòu)單元 95
3.7.2  三維土工格柵單元 97
3.8  本章小結(jié) 98
第4章  FISH語言及建模技術(shù) 99
4.1  函數(shù)變量名定義規(guī)則 99
4.1.1  命令行 99
4.1.2  函數(shù)和變量名 100
4.2  函數(shù)變量操作 107
4.2.1  作用范圍 107
4.2.2  數(shù)組 108
4.2.3  函數(shù)操作 108
4.2.4  函數(shù)刪除與重定義 110
4.3  數(shù)據(jù)類型 111
4.3.1  基本類型 111
4.3.2  四則運算與類型轉(zhuǎn)換 111
4.3.3  字符串 112
4.4  控制語句 114
4.4.1  選擇 114
4.4.2  條件 114
4.4.3  循環(huán) 114
4.4.4  其他控制語句 115
4.5  網(wǎng)格生成 115
4.5.1  網(wǎng)格生成器建模 115
4.5.2  基于FISH編程的網(wǎng)格生成 130
4.6  邊界條件 134
4.6.1  應(yīng)力邊界 134
4.6.2  位移邊界 138
4.7  初始條件與加載順序 142
4.7.1  初始條件 142
4.7.2  加載順序 151
4.8  本章小結(jié) 156
第5章  隧道及地下工程設(shè)計與施工方法 157
5.1  隧道及地下工程發(fā)展概況 157
5.1.1  發(fā)展階段 157
5.1.2  隧道及地下工程的用途 158
5.1.3  可持續(xù)發(fā)展的隧道及地下工程 158
5.1.4  隧道及地下工程發(fā)展概況 159
5.2  隧道及地下工程設(shè)計方法 160
5.2.1  隧道及地下工程設(shè)計分析力學(xué)模型 160
5.2.2  工程類比法 162
5.2.3  載荷—結(jié)構(gòu)法 163
5.2.4  地層—結(jié)構(gòu)法 164
5.3  隧道及地下工程施工方法概述 165
5.3.1  新奧法 165
5.3.2  淺埋暗挖法 170
5.3.3  明挖法及其變種方法 171
5.3.4  盾構(gòu)法 171
5.3.5  沉管法 176
5.3.6  輔助工法 176
5.4  本章小結(jié) 180
第6章  雙線鐵路隧道施工過程分析 181
6.1  雙線鐵路隧道設(shè)計 181
6.1.1  橫斷面設(shè)計 181
6.1.2  防水設(shè)計 183
6.1.3  施工方案設(shè)計 183
6.2  V級圍巖施工過程模擬 184
6.2.1  模型建立 184
6.2.2  自重應(yīng)力場模擬計算 190
6.2.3  隧道左上部分開挖模擬計算 192
6.2.4  隧道左下部分開挖模擬計算 194
6.2.5  隧道右上部分開挖模擬計算 197
6.2.6  隧道右下部分開挖模擬計算 200
6.2.7  二襯施作模擬計算 202
6.3  IV級圍巖施工過程模擬 203
6.3.1  FLAC3D程序 203
6.3.2  計算結(jié)果 205
6.4  III級圍巖施工過程模擬 210
6.4.1  FLAC3D程序 210
6.4.2  計算結(jié)果 212
6.5  本章小結(jié) 216
第7章  分離式公路隧道施工過程分析 217
7.1  分離式公路隧道設(shè)計 217
7.2  IV級圍巖模型建立 221
7.2.1  建模考慮 221
7.2.2  右隧道網(wǎng)格生成 222
7.2.3  右隧道邊界網(wǎng)格生成 223
7.2.4  完整模型網(wǎng)格生成 225
7.3  自重應(yīng)力場模擬計算 225
7.3.1  FLAC3D程序 225
7.3.2  計算結(jié)果 226
7.4  左隧道施工模擬計算 227
7.4.1  上臺階施工 227
7.4.2  下臺階施工 229
7.4.3  施作左隧道二次襯砌 230
7.5  右隧道施工模擬計算 232
7.5.1  上臺階施工 232
7.5.2  下臺階施工 234
7.5.3  施作右隧道二次襯砌 235
7.6  本章小結(jié) 238
第8章  地鐵盾構(gòu)隧道施工過程分析 239
8.1  地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計 239
8.1.1  地鐵盾構(gòu)隧道的特點 239
8.1.2  盾構(gòu)隧道施工過程模擬方法 239
8.1.3  盾構(gòu)隧道設(shè)計 240
8.2  三維模型建立 240
8.3  施工過程模擬計算 243
8.3.1  自重應(yīng)力場模擬計算 243
8.3.2  左隧道施工模擬計算 244
8.3.3  右隧道施工模擬計算 245
8.4  計算結(jié)果 246
8.4.1  自重應(yīng)力場 246
8.4.2  左隧道施工 246
8.4.3  右隧道施工 253
8.5  本章小結(jié) 259
參考文獻 260
 

1. FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用 [孫書偉 林杭 任連偉 編著]
2. ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用 [陳衛(wèi)忠 伍國軍 賈善坡 著]
3. 隧道及地下工程ANSYS實例分析 [李圍 等編著]
4. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例 [陳育民 徐鼎平 編著]