FLAC3D在岩土工程中的应用

理论+应用 深入剖析岩土工程领域经典实例

深入浅出地讲解FLAC3D技术

多年FLAC3D实际科研与工程经验的总结

免费下载案例的命令文件和模型文件

最值得拥有的FLAC3D大作

近20年来，随着计算机的飞速发展和广泛应用以及数值分析方法的日益完善，出现了许多通用和专业的数值分析软件，并在各个领域得到了广泛的应用。

FLAC3D是由美国Itasca Consulting Group Inc.公司开发的三维显式有限差分程序。作为一个专业分析软件，FLAC3D能够进行岩土、结构、温度、流体等多学科的研究，目前已广泛应用于岩土工程、采矿工程、隧道工程、道路与铁道工程等领域的科学研究之中。

在世界范围内，FLAC3D已经成为岩土工程行业CAE仿真分析软件的主流，在基坑、边坡、矿产、隧道及地下洞室等工程中得到了最为广泛的应用，并可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及动力特性等做出较为全面的分析。此外，在本构模型、结构单元以及组合分析、多场耦合等方面，FLAC3D为用户提供了多样化的全面解决方案，为岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

主要内容：

本书以FLAC3D 3.0软件为操作平台，共分11章。具体内容安排如下：

第1章 岩土工程数值分析方法简介。主要介绍相关概念以及FLAC3D的理论背景和软件特点。

第2章 FLAC3D快速学习。主要介绍FLAC3D的基础知识，如安装和启动、基本操作、基本分析过程等。

第3章 FLAC3D中的参数化设计语言——FISH。主要介绍FISH语言的基础知识，如代码的编写规范、数据类型、表达式的书写规则、程序控制结构和文件系统等。

第4章 FLAC3D自定义本构模型方法。以建立节理岩体损伤演化本构模型为例，重点介绍自定义本构模型的实现方法、自定义本构模型的调试与验证等。

第5章 FLAC3D建模方法。主要介绍FLAC3D网格模型的建立方法，包括使用内置网格生成器建立简单模型、第三方软件与FLAC3D的模型接入方法以及复杂模型的建立方法等。

第6章 典型岩土力学问题FLAC3D模拟。主要介绍锯齿结构面直剪试验和层状岩体压缩特性两个典型岩土力学问题的FLAC3D模拟分析方法。

第7章 FLAC3D在基坑工程中的应用。以两种典型支护方式——内支撑支护和土钉支护为例，介绍采用FLAC3D模拟基坑开挖和支护的步骤和方法。

第8章 FLAC3D在边坡工程中的应用。主要介绍利用FLAC3D进行边坡稳定性评价的方法，包括强度折减法的原理和实现思路、边坡滑动面的确定以及单因素分析过程以及Hoek-Brown准则在边坡稳定分析中的应用。

第9章 FLAC3D在桩基工程中的应用。系统介绍利用FLAC3D进行单桩、群桩模拟的方法，包括桩－土接触面的建立方法、单桩与群桩静荷载试验的模拟方法、单桩水平荷载试验的模拟方法、群桩抗拔试验模拟以及桩基负摩阻力的模拟分析方法。

第10章 FLAC3D在隧道工程中的应用。结合工程实例，重点介绍山岭公路隧道的三维流固耦合模拟分析方法，包括公路连拱隧道流固耦合作用机理及影响因素分析、偏压隧道围岩的渗流场分析和分离式隧道围岩的流固耦合分析方法。

第11章 FLAC3D在采矿工程中的应用。主要阐释了采矿工程需要模拟解决的主要问题以及FLAC3D在采矿工程中的应用特色，结合工程实例，介绍了上保护层开采问题、采空区下布巷问题、露天边坡开挖稳定问题等的模拟分析方法。

此外，附录A为FLAC3D的命令一览，附录B为FLAC3D中的FISH保留字，附录C提供了岩土工程常用的经验参数值。

适用对象

本书既可以作为理工科院校岩土、隧道、采矿等相关专业的高年级本科生、硕士生、博士生与教师学习FLAC3D软件及其具体应用的教材，也可以作为从事岩土工程、采矿工程、隧道工程等专业的科研人员和工程技术人员学习使用FLAC3D软件的参考用书。

编写分工

全书编写分工如下：第1、2章由任连伟执笔，第3章由孙书伟执笔，第4章由柴红保、林杭合编，第5章由孙书伟、任连伟、丁勇春合编，第6、8章由林杭执笔，第7章由丁勇春执笔，第9章由任连伟、孔纲强合编，第10章由李地元执笔，第11章由赵洪宝执笔。书中部分素材来自中仿科技FLAC/FLAC3D论坛、Itasca中国论坛、yantubbs论坛的众多网友上传的宝贵资料，在此表示感谢。河海大学陈育民博士对本书的内容安排提出了宝贵意见，在此致以诚挚的谢意。

特别感谢中国工程院周镜院士在百忙之中为本书作序。

在本书的编写过程中，参与具体工作的还有陈洪军、李伟、景小艳、王呼佳、许志清、刘军华、夏惠军、张赛桥、姚新军、张代全、万雷、王斌、江广顺、李强、吴志俊、余松、郭敏、董茜、陈鲲、王晓。还要感谢中国水利水电出版社老师的辛苦努力，正是因为他们辛苦的付出，才使本书能在第一时间和读者见面。

限于时间和作者水平所限，书中疏漏之处在所难免，欢迎广大读者和同行批评指正。若读者在学习过程中发现问题或有更好的建议，欢迎发Email至sharepub@126.com，我们将负责地对待每位读者的来信。

作 者

2011年4月

第1章 岩土工程数值方法简介 1
1.1 数值分析方法概述 1
1.2 三维快速拉格朗日分析的数学模型 3
1.2.1 空间导数的有限差分近似 3
1.2.2 节点运动方程 4
1.2.3 增量形式的本构方程 6
1.2.4 时间导数的有限差分近似 7
1.2.5 阻尼力 7
1.2.6 有限差分法 7
1.3 常用数值计算软件对比 8
1.3.1 FLAC3D软件 8
1.3.2 3DEC特性简介 10
1.3.3 FLAC法和有限元法的优缺点 11
1.3.4 ABAQUS、ANSYS、
FLAC3D的比较 13
1.4 数值分析在岩土工程分析中的地位 13
1.5 本章小结 15
第2章 FLAC3D快速学习 16
2.1 安装启动程序 16
2.1.1 组件 16
2.1.2 应用程序和图形处理设备 16
2.1.3 启动软件 17
2.1.4 程序的初始化 18
2.1.5 运行FLAC3D 18
2.2 基本操作 18
2.2.1 常用命令的使用 18
2.2.2 基本术语 25
2.2.3 有限差分网格 27
2.2.4 命令语法 27
2.2.5 对象的命名 28
2.3 用FLAC3D问题分析过程 29
2.3.1 简单网格的生成 30
2.3.2 定义材料模型 33
2.3.3 设定边界和初始条件 35
2.3.4 初始平衡状态 39
2.3.5 保存和恢复某个状态 42
2.3.6 常用命令总结 45
2.3.7 符号约定 46
2.3.8 文件类型 47
2.4 本章小结 48
第3章 FLAC3D中的参数化设计语言——FISH 49
3.1 代码的编写规范 49
3.1.1 命名规则 49
3.1.2 代码书写 50
3.1.3 程序注释 50
3.1.4 格式化及缩排 51
3.2 数据类型 51
3.2.1 数值型数据类型 52
3.2.2 字符型数据类型 52
3.2.3 指针型数据类型 52
3.3 变量与函数 53
3.3.1 变量 53
3.3.2 函数的创建 53
3.3.3 函数的调用 54
3.4 运算符 55
3.4.1 算术运算符 55
3.4.2 字符串运算符 56
3.4.3 关系运算符 57
3.5 表达式 57
3.5.1 表达式的组成 57
3.5.2 表达式的书写规则 57
3.5.3 复合表达式的运算顺序 58
3.6 程序控制结构 58
3.6.1 顺序结构 58
3.6.2 选择结构 59
3.6.3 循环结构 63
3.6.4 其他结构控制语句 65
3.7 数组 67
3.7.1 一维数组 67
3.7.2 多维数组 68
3.8 文件系统 69
3.8.1 文件的打开和关闭 69
3.8.2 文件的写操作 70
3.8.3 文件的读操作 72
3.9 应用实例 73
3.9.1 前处理程序 73
3.9.2 计算分析程序 74
3.9.3 后处理程序 76
3.10 本章小结 82
第4章 FLAC3D自定义本构模型方法 83
4.1 概述 83
4.2 损伤演化本构模型 84
4.2.1 裂隙岩体本构关系 84
4.2.2 压应力作用下裂隙岩体
损伤柔度张量 85
4.2.3 拉应力作用下裂隙岩体
损伤柔度张量 86
4.2.4 损伤度 87
4.3 裂纹损伤演化自定义本构模型 87
4.4 隧道开挖损伤演化模拟 102
4.4.1 计算模型与方法 103
4.4.2 模拟结果分析 104
4.5 本章小结 107
第5章 FLAC3D建模方法 108
5.1 简单网格的建立 108
5.1.1 基本网格的形状 108
5.1.2 单元网格的生成 110
5.1.3 网格的连接 113
5.1.4 简单网格模型的建立 116
5.2 其他网格模型的导入 118
5.2.1 FLAC3D网格的数据格式 118
5.2.2 ANSYS网格模型的导入 119
5.2.3 ABAQUS网格模型的导入 131
5.3 复杂模型的建立 131
5.3.1 实体单元的建立 132
5.3.2 结构单元的建立 136
5.3.3 后处理 141
5.4 本章小结 145
第6章 典型岩土力学问题FLAC3D模拟 146
6.1 锯齿结构面直剪试验模拟 146
6.1.1 模型建立 146
6.1.2 节理面特性 154
6.1.3 模拟结果与讨论 155
6.2 层状岩体压缩特性模拟 163
6.2.1 数值计算模型 163
6.2.2 层状岩体破坏机理的理论分析 168
6.2.3 单轴压缩模拟分析 169
6.3 本章小结 179
第7章 FLAC3D在基坑工程中的应用 180
7.1 FLAC3D基坑模拟基本方法 180
7.1.1 模型尺寸与边界条件 180
7.1.2 初始应力条件 181
7.1.3 本构模型选择 181
7.1.4 修正剑桥模型 183
7.1.5 基坑支护结构模似 188
7.1.6 模拟步骤及收敛判断 193
7.2 应用实例一：内支撑支护基坑
数值模拟 194
7.2.1 计算模型及参数 194
7.2.2 支护结构及接触参数 195
7.2.3 施工工况模拟步骤 196
7.2.4 计算结果及分析 197
7.2.5 计算命令 202
7.3 应用实例二：土钉支护基坑数值模拟 206
7.3.1 工程概况 206
7.3.2 计算模型及参数 206
7.3.3 施工工况模拟步骤 208
7.3.4 计算结果及分析 209
7.3.5 计算命令 215
7.4 本章小结 218
第8章 FLAC3D在边坡工程中的应用 219
8.1 边坡稳定性的强度折减法分析 219
8.1.1 强度折减法的基本原理 219
8.1.2 计算模型介绍 220
8.1.3 边坡失稳判据 221
8.2 边坡滑动面确定方法及
稳定性影响因素研究 229
8.2.1 滑动面确定方法 229
8.2.2 粘结力的影响 234
8.2.3 内摩擦角的影响 236
8.2.4 抗拉强度的影响 238
8.2.5 剪胀角的影响 238
8.2.6 弹性模量的影响 244
8.3 Mohr-Coulomb准则在层状边坡
稳定性分析中的应用 248
8.3.1 地质概况 248
8.3.2 失稳机制 248
8.3.3 数值计算方法 249
8.3.4 分析与讨论 252
8.4 Hoek-Brown准则在三维边坡
稳定性分析中的应用 256
8.4.1 工程概况 256
8.4.2 数值模型 257
8.4.3 监测点布置 261
8.4.4 计算分析 266
8.5 本章小结 269
第9章 FLAC3D在桩基工程中的应用 270
9.1 接触面单元 271
9.1.1 FLAC3D中接触面的基本理论 271
9.1.2 接触面几何模型的建立 273
9.1.3 接触面常用命令 275
9.1.4 interface和attach 276
9.2 单桩静荷载试验模拟 279
9.2.1 问题描述 279
9.2.2 模型建立 281
9.2.3 加载方式 282
9.2.4 影响因素分析 285
9.3 群桩静荷载试验模拟 291
9.3.1 问题描述 291
9.3.2 模型建立 292
9.3.3 群桩受力模拟 298
9.3.4 数据后处理 299
9.4 单桩水平荷载试验模拟 303
9.4.1 问题描述 303
9.4.2 水平荷载试验模拟 305
9.4.3 数据后处理 310
9.5 群桩抗拔试验模拟及其应用 316
9.5.1 问题描述 316
9.5.2 模型的建立及参数选择 318
9.5.3 影响因素分析 319
9.5.4 工程实例验证 320
9.6 桩基负摩阻力模拟及其应用 326
9.6.1 问题描述 326
9.6.2 模型建立及参数选择 327
9.6.3 数值模拟与模型试验结果
的对比分析 328
9.6.4 影响因素分析 335
9.6.5 工程实例验证 341
9.7 常用命令总结 343
9.8 本章小结 345
第10章 FLAC3D在隧道工程中的应用 346
10.1 隧道简介 346
10.2 山区公路隧道渗流病害特征调研 347
10.2.1 工程概况 347
10.2.2 围岩裂隙发育情况统计 348
10.2.3 隧道渗漏水及其相关病害
现象特征 349
10.3 山岭公路隧道的三维流固耦合分析 351
10.3.1 FLAC3D流固耦合计算原理简介 352
10.3.2 公路连拱隧道流固耦合作用的
数值分析 353
10.3.3 连拱隧道流固耦合作用的影响
因素分析 364
10.3.4 偏压条件下连拱隧道围岩渗流
场分析 376
10.3.5 分离式隧道围岩流固耦合分析 380
10.4 本章小结 385
第11章 FLAC3D在采矿工程中的应用 386
11.1 我国资源开采工作现状 386
11.2 采矿工程需要解决的主要问题 389
11.3 FLAC3D可解决的采矿工程中问题 391
11.4 FLAC3D数值模拟研究的关键 392
11.5 上保护层开采问题 394
11.6 采空区下布巷问题 402
11.7 露天边坡开挖稳定问题 409
11.8 小结 413
附录A FLAC3D命令一览 414
附录B FLAC3D的FISH保留字 423
附录C 岩土工程常用参数经验值 428
参考文献 432

1. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
2. 计算机应用基础教程（Windows 10+Office 2019） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
3. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2016） [主编 王洪平 杨华]
4. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
5. 大学计算机基础教程（Windows 10+Office 2016） [主编 饶拱维 郭其标 房宜汕]
6. Altium Designer 20 电路设计案例教程 [主编 王静 谢蓉]
7. 计算机应用基础（Windows 10+Office 2016） [主编 阳晓霞 谭卫]
8. Python程序设计与应用 [主编 张广渊]
9. Office 2010办公自动化高级应用实例教程（第二版） [主编 谢海燕 吴红梅 陈永梅]
10. Office高级应用项目式教程 [主编 李观金 林龙健 王静]
11. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主 编 李建军]
12. 计算机应用技能教程——全国计算机等级考试一级MS Office 2010 [主编 石铁峰 王祖伟 宋家慧]
13. 计算机应用基础教程（第三版）（Windows 7+Office 2010） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
14. Office 2016办公自动化案例教程 [主编 林沣 钟明]
15. 办公软件高级应用 [主 编 阙清贤 黄诠]
16. 计算机应用基础教程（Windows 7+Office 2010） [主 编 潘 迪 代子静]
17. MSC Nastran动力分析指南（第二版） [李保国 黄晓铭 裴延军 李伟 ]
18. 计算机应用基础情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 王宏斌 张尼奇 王锋]
19. 计算机一级MS Office全真模拟手册（第二版） [主编 张建军 李瑛 王锋]
20. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010） [主编 张晓琪 唐天国]
21. 计算机应用基础实训与习题指导（Windows 7+Office 2010） [主编 唐天国 曾庆勇]
22. Altium Designer 17电路设计案例教程 [主编 王静]
23. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
24. MSC Adams 多体动力学仿真基础与实例解析（第二版） [汤涤军 张跃 编著]
25. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
26. 计算机导论（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 柳青]
27. 全国计算机等级考试一级MS Office教程及实训指导 [主编 张心越 刘玉芳 邢怡]
28. ANSYS Icepak进阶应用导航案例 [王永康　张义芳　编著]
29. Web服务器群集 [主编　肖睿　翟慧　郭峰]
30. Office 2010办公自动化案例教程 [主编 林沣]