编辑推荐
理论+应用,深入剖析隧道及地下工程领域经典实例。
内容简介
《隧道及地下工程FLAC解析方法》以工程实例的形式深入浅出地介绍FLAC原理及其在隧道及地下工程力学行为分析中的应用技术。内容涵盖FLAC3D的基本原理,FISH语言入门指南及求解隧道及地下工程问题的基本过程,FLAC本构模型与单元,FISH语言及建模技术,隧道及地下工程设计与施工方法。书中重点介绍采用FLAC3D程序进行隧道及地下工程力学行为分析的工程实例,包括双线铁路隧道施工过程数值模拟分析、分离式公路隧道施工过程数值模拟分析和地铁盾构隧道施工过程分析及施工过程三维仿真分析。
《隧道及地下工程FLAC解析方法》是作者多年应用FLAC程序进行隧道及地下工程力学分析的成果总结,书中给出应用过程中的关键知识点和注意事项。同时,《隧道及地下工程FLAC解析方法》附有所有实例的FLAC命令流程序,可供读者免费下载。
内页插图
目录
前言
第1章 FLAC程序概述
1.1 FLAC程序简介
1.1.1 FLAC程序概述
1.1.2 ITASCA公司简介
1.1.3 使用手册介绍
1.1.4 本构模型、网格生成、边界和初始条件及操作方式
1.2 有限差分与其他数值方法的比较
1.2.1 岩土工程数值模拟方法
1.2.2 有限元法
1.2.3 有限体积法
1.2.4 有限差分法与其他数值方法的比较
1.3 FLAC程序在岩土工程中的应用概况
1.3.1 基础工程
1.3.2 隧道及地下工程
1.3.3 边坡工程
1.3.4 路基工程
1.4 本章小结
第2章 FLAC3D原理及入门指南
2.1 FLAC3D基本原理
2.1.1 概述
2.1.2 空间导数的有限差分近似
2.1.3 运动平衡方程
2.1.4 应变、应力及节点不平衡力
2.1.5 阻尼力
2.2 FLAC3D的有限差分方程
2.2.1 本构方程
2.2.2 有限差分方程
2.3 有限差分求解方法及FLAC3D步骤
2.3.1 有限差分求解方法
2.3.2 岩土工程FLAC3D求解过程
2.4 FLAC3D基本命令
2.4.1 格式与编辑
2.4.2 关键词range相关命令
2.4.3 常用命令
2.5 FISH语言入门
2.5.1 FISH简介
2.5.2 FISH入门知识
2.6 FLAC程序求解基本过程实例
2.6.1 圆形隧道开挖模拟计算
2.6.2 模型建立
2.6.3 自重应力场模拟计算
2.6.4 隧道开挖模拟计算
2.6.5 本实例的FLAC程序
2.7 本章小结
第3章 FLAC本构模型与单元
3.1 弹性模型和开挖模型
3.1.1 弹性模型
3.1.2 开挖模型
3.2 M-C和D-P塑性模型
3.2.1 Morh-Coulomb塑性模型
3.2.2 Drucker-Prager塑性模型
3.3 应变硬化一软化模型
3.3.1 应变硬化与软化模型
3.3.2 节理化模型
3.3.3 双线性应变硬化一软化的节理化模型
3.4 双屈服、剑桥和霍克布朗模型
3.4.1 双屈服模型
3.4.2 修正的剑桥粘土模型
3.4.3 霍克一布朗模型
3.5 梁、衬砌、锚索和桩单元
3.5.1 梁单元
3.5.2 衬砌单元
3.5.3 锚索单元
3.5.4 桩单元
3.6 二维单元
3.6.1 二维岩石锚杆单元
3.6.2 二维条形锚单元
3.6.3 二维支撑单元
3.7 三维单元
3.7.1 三维壳体结构单元
3.7.2 三维土工格栅单元
3.8 本章小结
第4章 FISH语言及建模技术
4.1 函数变量名定义规则
4.1.1 命令行
4.1.2 函数和变量名
4.2 函数变量操作
4.2.1 作用范围
4.2.2 数组
4.2.3 函数操作
4.2.4 函数删除与重定义
4.3 数据类型
4.3.1 基本类型
4.3.2 四则运算与类型转换
4.3.3 字符串
4.4 控制语句
4.4.1 选择
4.4.2 条件
4.4.3 循环
4.4.4 其他控制语句
4.5 网格生成
4.5.1 网格生成器建模
4.5.2 基于FISH编程的网格生成
4.6 边界条件
4.6.1 应力边界
4.6.2 位移边界
4.7 初始条件与加载顺序
4.7.1 初始条件
4.7.2 加载顺序
4.8 本章小结
第5章 隧道及地下工程设计与施工方法
5.1 隧道及地下工程发展概况
5.1.1 发展阶段
5.1.2 隧道及地下工程的用途
5.1.3 可持续发展的隧道及地下工程
5.1.4 隧道及地下工程发展概况
5.2 隧道及地下工程设计方法
5.2.1 隧道及地下工程设计分析力学模型
5.2.2 工程类比法
5.2.3 载荷一结构法
5.2.4 地层一结构法
5.3 隧道及地下工程施工方法概述
5.3.1 新奥法
5.3.2 浅埋暗挖法
5.3.3 明挖法及其变种方法
5.3.4 盾构法
5.3.5 沉管法
5.3.6 辅助工法
5.4 本章小结
第6章 双线铁路隧道施工过程分析
6.1 双线铁路隧道设计
6.1.1 横断面设计
6.1.2 防水设计
6.1.3 施工方案设计
6.2 V级围岩施工过程模拟
6.2.1 模型建立
6.2.2 自重应力场模拟计算
6.2.3 隧道左上部分开挖模拟计算
6.2.4.隧道左下部分开挖模拟计算
6.2.5 隧道右上部分开挖模拟计算
6.2.6 隧道右下部分开挖模拟计算
6.2.7 二衬施作模拟计算
6.3 IV级围岩施工过程模拟
6.3.1 F工,AC3D程序
6.3.2 计算结果
6.4.IIl级围岩施工过程模拟
6.4.1 FLAC3D程序
6.4.2 计算结果
6.5 本章小结
第7章 分离式公路隧道施工过程分析
7.1 分离式公路隧道设计
7.2 IV级围岩模型建立
7.2.1 建模考虑
7.2.2 右隧道网格生成
7.2.3 右隧道边界网格生成
7.2.4 完整模型网格生成
7.3 自重应力场模拟计算
7.3.1 FLAC3D程序
7.3.2 计算结果
7.4 左隧道施工模拟计算
7.4.1 上台阶施工
7.4.2 下台阶施工
7.4.3 施作左隧道二次衬砌
7.5 右隧道施工模拟计算
7.5.1 上台阶施工
7.5.2 下台阶施工
7.5.3 施作右隧道二次衬砌
7.6 本章小结
第8章 地铁盾构隧道施工过程分析
8.1 地铁盾构隧道设计
8.1.1 地铁盾构隧道的特点
8.1.2 盾构隧道施工过程模拟方法
8.1.3 盾构隧道设计
8.2 三维模型建立
8.3 施工过程模拟计算
8.3.1 自重应力场模拟计算
8.3.2 左隧道施工模拟计算
8.3.3 右隧道施工模拟计算
8.4 计算结果
8.4.1 自重应力场
8.4.2 左隧道施工
8.4.3 右隧道施工
8.5 本章小结
参考文献
精彩书摘
1.1.2 ITASCA公司简介
ITASCA咨询集团公司最早成立于1981年,由美国明尼苏达大学土木与矿业工程系五位博士:Charles Fairhurst博士、Peter Cundall博士、Barry Brady博士、Tony Starfield博士和RaySterling博士联合创办,最初的目的是通过为岩土工程和矿山领域的生产实践活动提供岩石力学和数值计算技术服务来弥补研究经费的欠缺。
经过20余年的发展,ITASCA咨询集团公司已经成为一家从事岩土工程咨询和软件开发的国际公司,服务领域涵盖采矿、土木、石油、核废料处理和环境工程等。目前,ITASCA在澳大利亚、加拿大、智利、中国、法国、德国、南非、西班牙、瑞典和美国10个国家设立了12家成员公司,ITASCA综合了当地化经验和国际视野的优势,可以根据特定问题的需要,随时组建国际化专家团队,用客户的母语提供世界一流水平的技术服务。
ITASCA在发展过程中吸引了世界一流技术水平的学者和工程专家的加盟,构成了土木、矿山、软件开发等领域的世界级团队。技术人员中约70%获得博士学位,现任员工中历任国际岩石力学学会1期和副主席2期,1人获国际岩石力学学会Muller奖,5人获Rocha奖。目前岩石力学和岩石工程界普遍使用的技术手段,如水压致裂地应力测量、岩石伺服压力机、FLAC、离散元等,都凝结着ITASCA专家的智慧和辛勤劳动。
正是由于ITASCA专家团队的杰出能力,ITASCA的工作对象主要集中在超常规工程的关键技术问题,为全世界范围内许多世界重大工程关键问题的论证和技术决策提供世界一流水平的技术服务,这些世界级重大工程包括开挖深度达到千米级的南非Palabora边坡和智利Chuquicamata边坡,以及开挖深度超过2000m量级的近20个深埋地下工程,如Creighton和Kidd Creek等深埋矿山的专题问题技术论证、设计、试验、监测和现场技术指导等工作.
ITASCA在近年服务于中国工程建设的实践活动中,就锦屏一级、锦屏二级、白鹤滩等大型水电站工程建设中的关键技术问题,先后组织了R.Brummer博士(1990年Rocha奖获得者)、M.Board博士(1995年Rocha奖、2005年美国岩石力学学会突出贡献奖获得者)、W.Blake博士(应力解除爆破技术应用的创始人)等来华工作,就这些工程的关键问题提供了专家意见.特别地,2007年2月在锦屏二级水电站辅助洞的短期现场工作,通过设计方案和指导施工单位现场实施的方式,成功地解决了制约工程安全的强岩爆问题,展现了ITASCA专家解决工程实际问题的世界一流水准。
ITASCA艺术般的数值计算软件是目前岩土工程领域世界上覆盖面最广、应用最普遍的岩土工程专业软件,ITASCA软件开发全部来源于工程问题的需要,开发水平的提高又帮助促进了技术咨询活动解决复杂问题的能力。ITASCA的技术开发和技术咨询之间构成的良好循环,成为ITASCA在解决复杂超常规问题时的独特优势,也构成了ITASCA鲜明的技术特色。运用数值计算技术所要求的坚实理论基础和解决现实问题需要具备的实践经验。
前言/序言
FLAC3D是美国ITASCA国际咨询与软件开发公司开发的三维有限差分数值模拟软件,是应用于基础工程、隧道工程和边坡工程以及采矿工程的通用软件,是国际岩土工程学术界指定的分析软件。
ITASCA咨询集团公司成立于1981年,由美国明尼苏达大学土木与矿业工程系CharlesFairhurst博士等人联合创办。经过20余年的发展,ITASCA咨询集团公司已经成为一家从事岩土工程咨询和软件开发的国际公司,服务领域涵盖采矿、土木、石油、核废料处理和环境工程等。
本书特点
本书以工程实例为主,深入浅出地介绍FLAC原理与隧道及地下工程解析指南。首先介绍FIAC程序的基本情况及其在岩土工程中的应用概况;然后介绍FLAC3D的基本原理,FISH语言入门指南及求解隧道及地下工程问题的基本过程实例,FLAC本构模型与单元,FISH语言及建模技术;最后,在介绍隧道工程设计与施工方法的基础上,重点介绍采用FlAC3D程序进行隧道及地下工程力学行为分析的工程实例,包括双线铁路隧道施工过程数值模拟分析、分离式公路隧道施工过程数值模拟分析和地铁盾构隧道施工过程分析及施工过程三维仿真分析。
主要内容
本书共分8章,具体内容安排如下:
第1章 FIAC程序概述。介绍基于有限差分数值分析原理的FLAC程序基本情况、FLAC程序求解基本过程实例,包括基本步骤、问题描述、模型建立、材料本构模型的选择、边界条件的处理、加载与求解、计算结果分析等。
第2章 FLAC3D原理及入门指南。介绍有限差分数值模拟软件FLAC3D原理及其入门知识。最后,介绍FLAC3D的基本命令以及内置FISH语言入门知识,并以一圆形隧道为例介绍FLAC3D程序的应用情况。
第3章 FLAC本构模型与单元。介绍有限差分数值模拟原理、本构方程和有限差分方程、有限差分数值模拟分析的求解步骤,最后介绍基于MORH-COULOMB塑性模型的增量弹性理论、屈服准则、流动法则和塑性应力调整的有限差分形式。
第4章 FISH语言及建模技术.介绍FLAC编程FISH语言的相关用法,最后介绍FLAC程序中模型网格建立的若干技术。
第5章 隧道及地下工程设计与施工方法。介绍隧道及地下工程的发展历史,重点论述隧道及地下工程的设计方法,最后介绍隧道及地下工程的施工方法。
第6章至第8章在介绍隧道及地下工程设计与施工方法的基础上,重点介绍采用PLAC3D程序进行隧道及地下工程力学行为分析的工程实例,包括双线铁路隧道施工过程数值模拟分析、分离式公路隧道施工过程数值模拟分析和地铁盾构隧道施工过程分析及施工过程三维仿真分析。
《隧道及地下工程FLAC解析方法》:一本严谨的地下工程数值模拟参考书 本书深入探讨了使用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)这一强大的数值模拟软件在隧道及地下工程领域中的应用。不同于市面上其他理论性或应用性较为宽泛的教材,本书专注于一个核心领域——利用FLAC进行隧道及地下工程的力学行为分析。全书围绕这一主题展开,力求为读者提供一套系统、严谨且具有实践指导意义的学习框架。 核心内容聚焦: 本书的体系结构设计紧密围绕“FLAC解析方法”这一核心,从基础理论到实际应用,层层递进,确保读者能够全面掌握。 第一部分:FLAC软件基础与原理 这一部分是本书的基石,旨在为没有FLAC使用经验或需要巩固基础的读者打下坚实基础。 FLAC软件概述与发展历程: 简要介绍FLAC的起源、发展以及其在工程领域中的地位,让读者对其有一个宏观的认识。 离散单元法的基本原理: 深入阐述FLAC所采用的离散单元法(Distinct Element Method)的核心思想,包括单元划分、本构模型、边界条件处理等,这对于理解FLAC的计算机制至关重要。 FLAC的建模流程: 详细介绍从几何建模、材料属性定义、加载边界条件设置、求解器选择到结果后处理的完整建模流程。每一步都将配以清晰的图示和实例说明,降低初学者的学习门槛。 常用的本构模型解析: 重点讲解在隧道及地下工程中常用的本构模型,例如: Mohr-Coulomb模型: 这是最基础也是应用最广泛的弹塑性模型,本书将详细解析其参数的物理意义,以及在FLAC中的具体实现方式。 Drucker-Prager模型: 介绍其与Mohr-Coulomb模型的异同,以及在何种情况下更适合使用。 更复杂的本构模型(如:Hardening soil模型,Cam-clay模型等): 针对不同地层特性和工程问题,介绍更先进的本构模型,并结合实际案例说明其应用。 边界条件与荷载施加: 详细讲解在地下工程模拟中常用的边界条件类型(如:固定边界、位移边界、应力边界),以及如何正确施加荷载,包括自重、外部荷载、施工荷载等。 求解器选项与稳定性分析: 介绍FLAC中的不同求解器(如:显式法、隐式法),以及如何根据工程问题选择合适的求解器,并讨论影响计算稳定性的因素以及应对策略。 后处理与结果解读: 详细介绍如何从FLAC的输出结果中提取关键信息,如:位移、应力、应变、塑性区分布、破坏面等,并教会读者如何对这些结果进行科学的解读和分析。 第二部分:隧道开挖的FLAC数值模拟 此部分将FLAC的理论知识与隧道工程的具体问题相结合,展示其在隧道开挖过程中的应用。 隧道开挖过程的数值模拟流程: 详细讲解如何模拟隧道开挖的整个过程,包括: 模型建立: 如何根据实际隧道工程的几何尺寸、地质情况建立三维或二维模型。 初期应力场的建立: 如何考虑施工前的地应力状态。 开挖单元的移除: 如何模拟隧道开挖引起的围岩卸载效应。 支护结构的施加: 如何模拟喷锚支护、衬砌等支护结构的受力与变形。 不同开挖工况的模拟: 单洞隧道开挖: 模拟单一隧道洞室的开挖,分析围岩变形、应力重分布以及支护结构的受力情况。 多洞隧道群开挖: 重点分析相邻隧道开挖相互影响的复杂情况,研究洞间挤压、变形等问题。 浅埋隧道与深埋隧道模拟: 讨论不同埋深隧道在受力特性上的差异,以及在FLAC模拟中需要注意的问题。 特殊开挖方法模拟: 如“管棚超前支护”、“冻土隧道”等,介绍针对这些特殊情况的建模技巧。 围岩变形与稳定分析: 预测围岩沉降与隆起: 如何通过模拟预测地表沉降、隧道顶部隆起等变形量。 分析隧道稳定性: 如何通过塑性区范围、安全系数等指标评估隧道的整体稳定性。 模拟地下水对围岩稳定性的影响: 结合渗流分析,研究地下水压力对围岩应力状态和稳定性的影响。 支护结构设计与优化: 喷锚支护的模拟: 如何模拟喷射混凝土、锚杆的受力机制,以及其对围岩的加固作用。 衬砌结构的模拟: 如何模拟钢筋混凝土衬砌的受力与变形,以及与围岩的协同工作。 支护参数的敏感性分析: 通过改变支护参数(如:锚杆密度、喷射混凝土厚度)研究其对隧道稳定性的影响,为支护结构设计提供依据。 第三部分:地下工程(非隧道)的FLAC数值模拟 此部分将FLAC的应用范围拓展到其他重要的地下工程领域,展示其通用性。 地下厂房开挖模拟: 复杂空间洞室的建模: 介绍如何构建大型地下厂房的复杂几何模型。 多阶段开挖与卸荷效应: 分析多阶段开挖过程中应力的重分布以及对围岩的影响。 洞室群的相互影响: 研究相邻地下厂房开挖对彼此稳定性的影响。 地下空间开发(如:地铁车站、地下商业空间)模拟: 车站主体结构受力分析: 模拟车站主体结构的变形与应力分布。 周边土体变形与影响: 分析车站建设对周边环境,特别是地面建筑的影响。 连续墙、栈桥等结构的模拟: 介绍如何将这些重要的地下工程构件纳入模型进行分析。 基坑工程的FLAC模拟: 基坑开挖过程模拟: 模拟基坑的挖深过程,分析支护结构(如:排桩、地下连续墙)的受力与变形。 坑底隆起与周边土体稳定性分析: 预测坑底隆起量,评估周边土体的稳定性,以及对相邻建筑物的影响。 地下水位变化对基坑稳定性的影响: 结合渗流分析,研究降水或地下水涌入对基坑安全的影响。 盾构法施工模拟: 盾构掘进过程的模拟: 介绍如何模拟盾构机向前推进的过程,包括刀盘切削、土体出土、管片拼装等。 盾构法施工对地层的影响: 分析盾构施工引起的土体扰动、沉降等。 盾构管片拼装与接缝处理: 模拟管片安装的顺序和接缝的受力,研究其对整体稳定性的影响。 第四部分:进阶应用与前沿技术 为了满足更高级用户的需求,本书的最后一部分将探讨FLAC在更复杂、前沿的地下工程问题中的应用。 考虑复杂地质条件的模拟: 断层、裂隙等复杂地质构造的处理: 介绍如何在地质模型中准确地模拟这些复杂因素,并分析其对工程稳定性的影响。 软弱夹层、膨胀性土等特殊地质的处理: 讨论如何选取合适的本构模型来描述这些特殊土体的力学行为。 动力响应分析: 地震作用下的隧道动力响应: 介绍如何进行抗震分析,评估隧道在地震作用下的变形与破坏模式。 振动对地下结构的影响: 分析邻近施工或交通振动对地下结构的影响。 多场耦合分析: 固结不排水分析: 模拟瞬时加载或快速开挖过程中,孔隙水压力与应力之间的耦合作用。 固结渗流分析: 模拟长期荷载作用下,孔隙水压力的消散与土体的固结过程。 热-力耦合分析(适用于冻土或地热工程): 分析温度变化对土体强度和变形的影响。 参数反演与优化: 利用实测数据反演材料参数: 介绍如何将现场监测数据(如:位移、应力)与FLAC模拟结果进行对比,通过迭代优化来确定更准确的材料参数。 基于模拟结果的工程优化: 利用FLAC对不同设计方案进行模拟比选,找出最优的设计参数。 FLAC与其他软件的接口与二次开发: 简要介绍FLAC与其他CAD、GIS软件的接口,以及通过FISH语言进行二次开发,实现更复杂的功能和自动化处理。 本书的特色与价值: 理论与实践紧密结合: 每一章的理论讲解都会辅以大量的工程案例,将抽象的数值模拟方法落实到具体的工程问题中。 方法论的严谨性: 强调数值模拟的科学性和严谨性,引导读者理解模型建立、参数选取、结果解读等环节中的关键注意事项,避免盲目套用。 图文并茂的教学方式: 大量采用流程图、示意图、计算结果图等,直观展示模拟过程和分析结果,便于读者理解。 面向工程实际的指导: 目标是培养读者独立运用FLAC解决实际地下工程问题的能力,提升工程设计与施工的科学性。 本书内容全面、结构清晰、重点突出,无论是地下工程领域的初学者,还是希望深化FLAC应用技术的工程师,都能从中获得宝贵的知识和技能。它将成为您在隧道及地下工程数值模拟道路上不可或缺的得力助手。