編輯推薦
理論+應用,深入剖析隧道及地下工程領域經典實例。
內容簡介
《隧道及地下工程FLAC解析方法》以工程實例的形式深入淺齣地介紹FLAC原理及其在隧道及地下工程力學行為分析中的應用技術。內容涵蓋FLAC3D的基本原理,FISH語言入門指南及求解隧道及地下工程問題的基本過程,FLAC本構模型與單元,FISH語言及建模技術,隧道及地下工程設計與施工方法。書中重點介紹采用FLAC3D程序進行隧道及地下工程力學行為分析的工程實例,包括雙綫鐵路隧道施工過程數值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數值模擬分析和地鐵盾構隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。
《隧道及地下工程FLAC解析方法》是作者多年應用FLAC程序進行隧道及地下工程力學分析的成果總結,書中給齣應用過程中的關鍵知識點和注意事項。同時,《隧道及地下工程FLAC解析方法》附有所有實例的FLAC命令流程序,可供讀者免費下載。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 FLAC程序概述
1.1 FLAC程序簡介
1.1.1 FLAC程序概述
1.1.2 ITASCA公司簡介
1.1.3 使用手冊介紹
1.1.4 本構模型、網格生成、邊界和初始條件及操作方式
1.2 有限差分與其他數值方法的比較
1.2.1 岩土工程數值模擬方法
1.2.2 有限元法
1.2.3 有限體積法
1.2.4 有限差分法與其他數值方法的比較
1.3 FLAC程序在岩土工程中的應用概況
1.3.1 基礎工程
1.3.2 隧道及地下工程
1.3.3 邊坡工程
1.3.4 路基工程
1.4 本章小結
第2章 FLAC3D原理及入門指南
2.1 FLAC3D基本原理
2.1.1 概述
2.1.2 空間導數的有限差分近似
2.1.3 運動平衡方程
2.1.4 應變、應力及節點不平衡力
2.1.5 阻尼力
2.2 FLAC3D的有限差分方程
2.2.1 本構方程
2.2.2 有限差分方程
2.3 有限差分求解方法及FLAC3D步驟
2.3.1 有限差分求解方法
2.3.2 岩土工程FLAC3D求解過程
2.4 FLAC3D基本命令
2.4.1 格式與編輯
2.4.2 關鍵詞range相關命令
2.4.3 常用命令
2.5 FISH語言入門
2.5.1 FISH簡介
2.5.2 FISH入門知識
2.6 FLAC程序求解基本過程實例
2.6.1 圓形隧道開挖模擬計算
2.6.2 模型建立
2.6.3 自重應力場模擬計算
2.6.4 隧道開挖模擬計算
2.6.5 本實例的FLAC程序
2.7 本章小結
第3章 FLAC本構模型與單元
3.1 彈性模型和開挖模型
3.1.1 彈性模型
3.1.2 開挖模型
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 應變硬化一軟化模型
3.3.1 應變硬化與軟化模型
3.3.2 節理化模型
3.3.3 雙綫性應變硬化一軟化的節理化模型
3.4 雙屈服、劍橋和霍剋布朗模型
3.4.1 雙屈服模型
3.4.2 修正的劍橋粘土模型
3.4.3 霍剋一布朗模型
3.5 梁、襯砌、錨索和樁單元
3.5.1 梁單元
3.5.2 襯砌單元
3.5.3 錨索單元
3.5.4 樁單元
3.6 二維單元
3.6.1 二維岩石錨杆單元
3.6.2 二維條形錨單元
3.6.3 二維支撐單元
3.7 三維單元
3.7.1 三維殼體結構單元
3.7.2 三維土工格柵單元
3.8 本章小結
第4章 FISH語言及建模技術
4.1 函數變量名定義規則
4.1.1 命令行
4.1.2 函數和變量名
4.2 函數變量操作
4.2.1 作用範圍
4.2.2 數組
4.2.3 函數操作
4.2.4 函數刪除與重定義
4.3 數據類型
4.3.1 基本類型
4.3.2 四則運算與類型轉換
4.3.3 字符串
4.4 控製語句
4.4.1 選擇
4.4.2 條件
4.4.3 循環
4.4.4 其他控製語句
4.5 網格生成
4.5.1 網格生成器建模
4.5.2 基於FISH編程的網格生成
4.6 邊界條件
4.6.1 應力邊界
4.6.2 位移邊界
4.7 初始條件與加載順序
4.7.1 初始條件
4.7.2 加載順序
4.8 本章小結
第5章 隧道及地下工程設計與施工方法
5.1 隧道及地下工程發展概況
5.1.1 發展階段
5.1.2 隧道及地下工程的用途
5.1.3 可持續發展的隧道及地下工程
5.1.4 隧道及地下工程發展概況
5.2 隧道及地下工程設計方法
5.2.1 隧道及地下工程設計分析力學模型
5.2.2 工程類比法
5.2.3 載荷一結構法
5.2.4 地層一結構法
5.3 隧道及地下工程施工方法概述
5.3.1 新奧法
5.3.2 淺埋暗挖法
5.3.3 明挖法及其變種方法
5.3.4 盾構法
5.3.5 沉管法
5.3.6 輔助工法
5.4 本章小結
第6章 雙綫鐵路隧道施工過程分析
6.1 雙綫鐵路隧道設計
6.1.1 橫斷麵設計
6.1.2 防水設計
6.1.3 施工方案設計
6.2 V級圍岩施工過程模擬
6.2.1 模型建立
6.2.2 自重應力場模擬計算
6.2.3 隧道左上部分開挖模擬計算
6.2.4.隧道左下部分開挖模擬計算
6.2.5 隧道右上部分開挖模擬計算
6.2.6 隧道右下部分開挖模擬計算
6.2.7 二襯施作模擬計算
6.3 IV級圍岩施工過程模擬
6.3.1 F工,AC3D程序
6.3.2 計算結果
6.4.IIl級圍岩施工過程模擬
6.4.1 FLAC3D程序
6.4.2 計算結果
6.5 本章小結
第7章 分離式公路隧道施工過程分析
7.1 分離式公路隧道設計
7.2 IV級圍岩模型建立
7.2.1 建模考慮
7.2.2 右隧道網格生成
7.2.3 右隧道邊界網格生成
7.2.4 完整模型網格生成
7.3 自重應力場模擬計算
7.3.1 FLAC3D程序
7.3.2 計算結果
7.4 左隧道施工模擬計算
7.4.1 上颱階施工
7.4.2 下颱階施工
7.4.3 施作左隧道二次襯砌
7.5 右隧道施工模擬計算
7.5.1 上颱階施工
7.5.2 下颱階施工
7.5.3 施作右隧道二次襯砌
7.6 本章小結
第8章 地鐵盾構隧道施工過程分析
8.1 地鐵盾構隧道設計
8.1.1 地鐵盾構隧道的特點
8.1.2 盾構隧道施工過程模擬方法
8.1.3 盾構隧道設計
8.2 三維模型建立
8.3 施工過程模擬計算
8.3.1 自重應力場模擬計算
8.3.2 左隧道施工模擬計算
8.3.3 右隧道施工模擬計算
8.4 計算結果
8.4.1 自重應力場
8.4.2 左隧道施工
8.4.3 右隧道施工
8.5 本章小結
參考文獻
精彩書摘
1.1.2 ITASCA公司簡介
ITASCA谘詢集團公司最早成立於1981年,由美國明尼蘇達大學土木與礦業工程係五位博士:Charles Fairhurst博士、Peter Cundall博士、Barry Brady博士、Tony Starfield博士和RaySterling博士聯閤創辦,最初的目的是通過為岩土工程和礦山領域的生産實踐活動提供岩石力學和數值計算技術服務來彌補研究經費的欠缺。
經過20餘年的發展,ITASCA谘詢集團公司已經成為一傢從事岩土工程谘詢和軟件開發的國際公司,服務領域涵蓋采礦、土木、石油、核廢料處理和環境工程等。目前,ITASCA在澳大利亞、加拿大、智利、中國、法國、德國、南非、西班牙、瑞典和美國10個國傢設立瞭12傢成員公司,ITASCA綜閤瞭當地化經驗和國際視野的優勢,可以根據特定問題的需要,隨時組建國際化專傢團隊,用客戶的母語提供世界一流水平的技術服務。
ITASCA在發展過程中吸引瞭世界一流技術水平的學者和工程專傢的加盟,構成瞭土木、礦山、軟件開發等領域的世界級團隊。技術人員中約70%獲得博士學位,現任員工中曆任國際岩石力學學會1期和副主席2期,1人獲國際岩石力學學會Muller奬,5人獲Rocha奬。目前岩石力學和岩石工程界普遍使用的技術手段,如水壓緻裂地應力測量、岩石伺服壓力機、FLAC、離散元等,都凝結著ITASCA專傢的智慧和辛勤勞動。
正是由於ITASCA專傢團隊的傑齣能力,ITASCA的工作對象主要集中在超常規工程的關鍵技術問題,為全世界範圍內許多世界重大工程關鍵問題的論證和技術決策提供世界一流水平的技術服務,這些世界級重大工程包括開挖深度達到韆米級的南非Palabora邊坡和智利Chuquicamata邊坡,以及開挖深度超過2000m量級的近20個深埋地下工程,如Creighton和Kidd Creek等深埋礦山的專題問題技術論證、設計、試驗、監測和現場技術指導等工作.
ITASCA在近年服務於中國工程建設的實踐活動中,就錦屏一級、錦屏二級、白鶴灘等大型水電站工程建設中的關鍵技術問題,先後組織瞭R.Brummer博士(1990年Rocha奬獲得者)、M.Board博士(1995年Rocha奬、2005年美國岩石力學學會突齣貢獻奬獲得者)、W.Blake博士(應力解除爆破技術應用的創始人)等來華工作,就這些工程的關鍵問題提供瞭專傢意見.特彆地,2007年2月在錦屏二級水電站輔助洞的短期現場工作,通過設計方案和指導施工單位現場實施的方式,成功地解決瞭製約工程安全的強岩爆問題,展現瞭ITASCA專傢解決工程實際問題的世界一流水準。
ITASCA藝術般的數值計算軟件是目前岩土工程領域世界上覆蓋麵最廣、應用最普遍的岩土工程專業軟件,ITASCA軟件開發全部來源於工程問題的需要,開發水平的提高又幫助促進瞭技術谘詢活動解決復雜問題的能力。ITASCA的技術開發和技術谘詢之間構成的良好循環,成為ITASCA在解決復雜超常規問題時的獨特優勢,也構成瞭ITASCA鮮明的技術特色。運用數值計算技術所要求的堅實理論基礎和解決現實問題需要具備的實踐經驗。
前言/序言
FLAC3D是美國ITASCA國際谘詢與軟件開發公司開發的三維有限差分數值模擬軟件,是應用於基礎工程、隧道工程和邊坡工程以及采礦工程的通用軟件,是國際岩土工程學術界指定的分析軟件。
ITASCA谘詢集團公司成立於1981年,由美國明尼蘇達大學土木與礦業工程係CharlesFairhurst博士等人聯閤創辦。經過20餘年的發展,ITASCA谘詢集團公司已經成為一傢從事岩土工程谘詢和軟件開發的國際公司,服務領域涵蓋采礦、土木、石油、核廢料處理和環境工程等。
本書特點
本書以工程實例為主,深入淺齣地介紹FLAC原理與隧道及地下工程解析指南。首先介紹FIAC程序的基本情況及其在岩土工程中的應用概況;然後介紹FLAC3D的基本原理,FISH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,FLAC本構模型與單元,FISH語言及建模技術;最後,在介紹隧道工程設計與施工方法的基礎上,重點介紹采用FlAC3D程序進行隧道及地下工程力學行為分析的工程實例,包括雙綫鐵路隧道施工過程數值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數值模擬分析和地鐵盾構隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。
主要內容
本書共分8章,具體內容安排如下:
第1章 FIAC程序概述。介紹基於有限差分數值分析原理的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、材料本構模型的選擇、邊界條件的處理、加載與求解、計算結果分析等。
第2章 FLAC3D原理及入門指南。介紹有限差分數值模擬軟件FLAC3D原理及其入門知識。最後,介紹FLAC3D的基本命令以及內置FISH語言入門知識,並以一圓形隧道為例介紹FLAC3D程序的應用情況。
第3章 FLAC本構模型與單元。介紹有限差分數值模擬原理、本構方程和有限差分方程、有限差分數值模擬分析的求解步驟,最後介紹基於MORH-COULOMB塑性模型的增量彈性理論、屈服準則、流動法則和塑性應力調整的有限差分形式。
第4章 FISH語言及建模技術.介紹FLAC編程FISH語言的相關用法,最後介紹FLAC程序中模型網格建立的若乾技術。
第5章 隧道及地下工程設計與施工方法。介紹隧道及地下工程的發展曆史,重點論述隧道及地下工程的設計方法,最後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計與施工方法的基礎上,重點介紹采用PLAC3D程序進行隧道及地下工程力學行為分析的工程實例,包括雙綫鐵路隧道施工過程數值模擬分析、分離式公路隧道施工過程數值模擬分析和地鐵盾構隧道施工過程分析及施工過程三維仿真分析。
《隧道及地下工程FLAC解析方法》:一本嚴謹的地下工程數值模擬參考書 本書深入探討瞭使用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)這一強大的數值模擬軟件在隧道及地下工程領域中的應用。不同於市麵上其他理論性或應用性較為寬泛的教材,本書專注於一個核心領域——利用FLAC進行隧道及地下工程的力學行為分析。全書圍繞這一主題展開,力求為讀者提供一套係統、嚴謹且具有實踐指導意義的學習框架。 核心內容聚焦: 本書的體係結構設計緊密圍繞“FLAC解析方法”這一核心,從基礎理論到實際應用,層層遞進,確保讀者能夠全麵掌握。 第一部分:FLAC軟件基礎與原理 這一部分是本書的基石,旨在為沒有FLAC使用經驗或需要鞏固基礎的讀者打下堅實基礎。 FLAC軟件概述與發展曆程: 簡要介紹FLAC的起源、發展以及其在工程領域中的地位,讓讀者對其有一個宏觀的認識。 離散單元法的基本原理: 深入闡述FLAC所采用的離散單元法(Distinct Element Method)的核心思想,包括單元劃分、本構模型、邊界條件處理等,這對於理解FLAC的計算機製至關重要。 FLAC的建模流程: 詳細介紹從幾何建模、材料屬性定義、加載邊界條件設置、求解器選擇到結果後處理的完整建模流程。每一步都將配以清晰的圖示和實例說明,降低初學者的學習門檻。 常用的本構模型解析: 重點講解在隧道及地下工程中常用的本構模型,例如: Mohr-Coulomb模型: 這是最基礎也是應用最廣泛的彈塑性模型,本書將詳細解析其參數的物理意義,以及在FLAC中的具體實現方式。 Drucker-Prager模型: 介紹其與Mohr-Coulomb模型的異同,以及在何種情況下更適閤使用。 更復雜的本構模型(如:Hardening soil模型,Cam-clay模型等): 針對不同地層特性和工程問題,介紹更先進的本構模型,並結閤實際案例說明其應用。 邊界條件與荷載施加: 詳細講解在地下工程模擬中常用的邊界條件類型(如:固定邊界、位移邊界、應力邊界),以及如何正確施加荷載,包括自重、外部荷載、施工荷載等。 求解器選項與穩定性分析: 介紹FLAC中的不同求解器(如:顯式法、隱式法),以及如何根據工程問題選擇閤適的求解器,並討論影響計算穩定性的因素以及應對策略。 後處理與結果解讀: 詳細介紹如何從FLAC的輸齣結果中提取關鍵信息,如:位移、應力、應變、塑性區分布、破壞麵等,並教會讀者如何對這些結果進行科學的解讀和分析。 第二部分:隧道開挖的FLAC數值模擬 此部分將FLAC的理論知識與隧道工程的具體問題相結閤,展示其在隧道開挖過程中的應用。 隧道開挖過程的數值模擬流程: 詳細講解如何模擬隧道開挖的整個過程,包括: 模型建立: 如何根據實際隧道工程的幾何尺寸、地質情況建立三維或二維模型。 初期應力場的建立: 如何考慮施工前的地應力狀態。 開挖單元的移除: 如何模擬隧道開挖引起的圍岩卸載效應。 支護結構的施加: 如何模擬噴錨支護、襯砌等支護結構的受力與變形。 不同開挖工況的模擬: 單洞隧道開挖: 模擬單一隧道洞室的開挖,分析圍岩變形、應力重分布以及支護結構的受力情況。 多洞隧道群開挖: 重點分析相鄰隧道開挖相互影響的復雜情況,研究洞間擠壓、變形等問題。 淺埋隧道與深埋隧道模擬: 討論不同埋深隧道在受力特性上的差異,以及在FLAC模擬中需要注意的問題。 特殊開挖方法模擬: 如“管棚超前支護”、“凍土隧道”等,介紹針對這些特殊情況的建模技巧。 圍岩變形與穩定分析: 預測圍岩沉降與隆起: 如何通過模擬預測地錶沉降、隧道頂部隆起等變形量。 分析隧道穩定性: 如何通過塑性區範圍、安全係數等指標評估隧道的整體穩定性。 模擬地下水對圍岩穩定性的影響: 結閤滲流分析,研究地下水壓力對圍岩應力狀態和穩定性的影響。 支護結構設計與優化: 噴錨支護的模擬: 如何模擬噴射混凝土、錨杆的受力機製,以及其對圍岩的加固作用。 襯砌結構的模擬: 如何模擬鋼筋混凝土襯砌的受力與變形,以及與圍岩的協同工作。 支護參數的敏感性分析: 通過改變支護參數(如:錨杆密度、噴射混凝土厚度)研究其對隧道穩定性的影響,為支護結構設計提供依據。 第三部分:地下工程(非隧道)的FLAC數值模擬 此部分將FLAC的應用範圍拓展到其他重要的地下工程領域,展示其通用性。 地下廠房開挖模擬: 復雜空間洞室的建模: 介紹如何構建大型地下廠房的復雜幾何模型。 多階段開挖與卸荷效應: 分析多階段開挖過程中應力的重分布以及對圍岩的影響。 洞室群的相互影響: 研究相鄰地下廠房開挖對彼此穩定性的影響。 地下空間開發(如:地鐵車站、地下商業空間)模擬: 車站主體結構受力分析: 模擬車站主體結構的變形與應力分布。 周邊土體變形與影響: 分析車站建設對周邊環境,特彆是地麵建築的影響。 連續牆、棧橋等結構的模擬: 介紹如何將這些重要的地下工程構件納入模型進行分析。 基坑工程的FLAC模擬: 基坑開挖過程模擬: 模擬基坑的挖深過程,分析支護結構(如:排樁、地下連續牆)的受力與變形。 坑底隆起與周邊土體穩定性分析: 預測坑底隆起量,評估周邊土體的穩定性,以及對相鄰建築物的影響。 地下水位變化對基坑穩定性的影響: 結閤滲流分析,研究降水或地下水湧入對基坑安全的影響。 盾構法施工模擬: 盾構掘進過程的模擬: 介紹如何模擬盾構機嚮前推進的過程,包括刀盤切削、土體齣土、管片拼裝等。 盾構法施工對地層的影響: 分析盾構施工引起的土體擾動、沉降等。 盾構管片拼裝與接縫處理: 模擬管片安裝的順序和接縫的受力,研究其對整體穩定性的影響。 第四部分:進階應用與前沿技術 為瞭滿足更高級用戶的需求,本書的最後一部分將探討FLAC在更復雜、前沿的地下工程問題中的應用。 考慮復雜地質條件的模擬: 斷層、裂隙等復雜地質構造的處理: 介紹如何在地質模型中準確地模擬這些復雜因素,並分析其對工程穩定性的影響。 軟弱夾層、膨脹性土等特殊地質的處理: 討論如何選取閤適的本構模型來描述這些特殊土體的力學行為。 動力響應分析: 地震作用下的隧道動力響應: 介紹如何進行抗震分析,評估隧道在地震作用下的變形與破壞模式。 振動對地下結構的影響: 分析鄰近施工或交通振動對地下結構的影響。 多場耦閤分析: 固結不排水分析: 模擬瞬時加載或快速開挖過程中,孔隙水壓力與應力之間的耦閤作用。 固結滲流分析: 模擬長期荷載作用下,孔隙水壓力的消散與土體的固結過程。 熱-力耦閤分析(適用於凍土或地熱工程): 分析溫度變化對土體強度和變形的影響。 參數反演與優化: 利用實測數據反演材料參數: 介紹如何將現場監測數據(如:位移、應力)與FLAC模擬結果進行對比,通過迭代優化來確定更準確的材料參數。 基於模擬結果的工程優化: 利用FLAC對不同設計方案進行模擬比選,找齣最優的設計參數。 FLAC與其他軟件的接口與二次開發: 簡要介紹FLAC與其他CAD、GIS軟件的接口,以及通過FISH語言進行二次開發,實現更復雜的功能和自動化處理。 本書的特色與價值: 理論與實踐緊密結閤: 每一章的理論講解都會輔以大量的工程案例,將抽象的數值模擬方法落實到具體的工程問題中。 方法論的嚴謹性: 強調數值模擬的科學性和嚴謹性,引導讀者理解模型建立、參數選取、結果解讀等環節中的關鍵注意事項,避免盲目套用。 圖文並茂的教學方式: 大量采用流程圖、示意圖、計算結果圖等,直觀展示模擬過程和分析結果,便於讀者理解。 麵嚮工程實際的指導: 目標是培養讀者獨立運用FLAC解決實際地下工程問題的能力,提升工程設計與施工的科學性。 本書內容全麵、結構清晰、重點突齣,無論是地下工程領域的初學者,還是希望深化FLAC應用技術的工程師,都能從中獲得寶貴的知識和技能。它將成為您在隧道及地下工程數值模擬道路上不可或缺的得力助手。