FLAC/FLAC3D基础与工程实例

  数值模拟是一门艺术，其“艺术性”（或效果）的高低有赖于艺术家（分析人员）的专业素养、经验和理论水平。但是，我们也不能忽略工具的重要性。倘若我们对优秀工具视而不见，或许就得在细枝末节和琐碎小事上花费过多的精力和时间，无疑影响心情，约束创造力。

  这里我们首先声明，我们并非数值模拟技术的迷信者，我们深知前期工作的重要性，因为模型的合理简化、参数的选取、本构关系的选择无不依赖于工程地质勘察和试验研究。因此，我们强调在翔实的前期工作的基础上进行研究，因为它们是数值模拟的基础，基础不稳，何来万丈高楼的拔地而起？

  作为有一定模拟经验的FLAC/FLAC3D的使用者和爱好者，我们也要提醒后学者，要注意积累和学习工程问题的诊断经验，要注重专业知识和计算理论等基础知识的学习，切莫“以方法套工程”，本末倒置，一味扎进软件操作学习的泥潭中。因为以我们的经验，很多时候计算结果的不合理，在于使用者进行模拟时边界条件设置不正确和参数取值不合理，更深层次的原因则在于使用者的数理、力学知识不扎实和专业知识的匮乏。因此，数值模拟技术的学习，功夫应花在软件外，而非关注软件本身的操作学习上。

我们深知，岩土工程包罗万象，任何一个方向都值得我们皓首穷经、终其一生去研究，因此，在本书的内容安排上，我们不求面面俱到，只期望将我们学习FLAC/FLAC3D时的心得、经验以及以它们为工具在各自熟悉和有所涉猎的领域的研究成果与大家共享。

本书系统地介绍了FLAC/FLAC3D软件的操作方法、基本理论和工程应用，适合土木工程、水利工程、采矿工程等领域的工程技术人员学习和参考。全书分为三大部分共21章，即入门篇（第1～7章）、专题篇（第8～14章）和应用篇（第15～20章）。入门篇的主要对象是软件的初学者，主要介绍软件的功能与特性、FLAC和FLAC3D的入门知识、前后处理的基本方法以及初始应力的生成方法等，通过这些章节的学习可以使初学者达到快速入门的目的。专题篇主要针对FLAC3D中的一些常用功能做较深入的探讨，包括接触面、结构单元、动力分析、流固耦合分析、自定义本构模型以及边坡安全系数求解等，通过这些专题章节的学习，读者可以了解特定问题的解决方法和基本思路。应用篇介绍FLAC和FLAC3D在岩土工程领域中的应用实例，包括冰渍土边坡稳定性分析、阪神地震的液化大变形分析、抗液化排水桩的抗震分析、深基坑开挖分析、板桩码头的变形分析、盾构隧道开挖的数值模拟等，这些实例囊括了所有专题章节的内容，具有较强的针对性和实用性，其中有些实例也是作者近年来的研究成果。另外，本书第21章还对FLAC/FLAC3D软件学习过程中会遇到的一些常见问题、软件的错误提示做了总结，并对软件学习提出了一些建议。

  本书所附光盘提供了书中所有章节涉及到的命令文件和计算结果，光盘中的文件是按照章节进行整理的，读者可以方便地查阅各章中出现的命令文件。同时，光盘中还包含作者近几年来在河海大学、同济大学、东南大学、河南工业大学等高校做的FLAC/FLAC3D应用交流的PPT文件，供读者参考。

  全书编写分工如下：全书章节安排及统稿由陈育民负责，第1、2、4、14及15章由徐鼎平执笔，第3、6、8、9、11、12、13、16、18、19章由陈育民执笔，第5、7、21章由陈育民和徐鼎平共同执笔，第10章由任连伟执笔，第17章由赵楠执笔，第20章由寇晓强执笔。需要强调的是，本书的成稿绝非一、二人之功，而是多人智慧的结晶。同济大学殷冀博士为第18章提供了实例素材和命令文件，煤炭科学研究总院北京开采设计研究分院高富强工程师为第10章提供了部分素材，北京海通途公司、上海市水务工程设计研究院为第19章提供了素材，中国矿业大学尤立明对第13章提出了修改意见，河海大学岩土所陈磊、张建伟、仉文岗、高有斌、李平、杨星等为本书的完成提供了大力支持和帮助，在此致以诚挚的谢意。

  此外，Simwe仿真论坛FLAC/FLAC3D版的众多网友，如清华大学戴荣博士、中科院武汉岩土力学研究所张波博士、ITASCA（武汉）咨询有限公司朱永生工程师、河海大学郑文棠博士、同济大学朱道建博士、北京城建集团宋成辉博士、浙江建筑科学研究院秦建设博士以及中南大学林杭博士等均在FLAC/FLAC3D数值模拟研究工作中做出了大量卓有成效的工作，丰富了本书的内容，在此一并予以感谢。

  在本书的编写过程中，参与具体工作的还有张赛桥、张代全、李琦、万雷、王斌、江广顺、李强、吴志俊、杜长城、余松、郭敏、董茜、陈鲲、王晓、陈洪军、余伟炜、王呼佳、许志清、刘军华、夏惠军、姚新军。最后，特别感谢河海大学刘汉龙教授在百忙之中为本书作序。还要感谢中国水利水电出版社老师的辛苦努力，正是因为你们辛苦的付出，才是本书能在第一时间和读者见面。

  由于时间仓促，作者水平有限，书中错误、纰漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

序
前言
 
第1章  FLAC/FLAC3D的功能与特性 1
1.1  FLAC/FLAC3D简介 1
1.2  FLAC/FLAC3D的主要特点 1
1.2.1  FLAC/FLAC3D的使用特征 1
1.2.2  FLAC/FLAC3D的计算特征 2
1.2.3  FLAC/FLAC3D的求解流程 3
1.3  FLAC/FLAC3D的应用范围 4
1.4  FLAC/FLAC3D的不足 4
第2章  FLAC3D快速入门 6
2.1  初识FLAC3D 6
2.1.1  图形界面 6
2.1.2  分析的基本组成部分 7
2.1.3  简单分析命令概要 8
2.1.4  文件类型 8
2.1.5  结果输出 10
2.2  简单示例 11
2.3  收敛标准 12
2.3.1  常用收敛标准 13
2.3.2  自定义收敛标准 13
2.4  求解过程中有关变量的解释 13
2.4.1  不平衡力 13
2.4.2  网格节点速度 14
2.4.3  塑性区标识 15
2.4.4  历时曲线 16
2.5  本章小结 16
第3章  FLAC快速入门 17
3.1  概述 17
3.1.1  使用界面介绍 17
3.1.2  网格和节点 19
3.1.3  修改程序内存 20
3.2  一个简单的实例 20
3.2.1  问题描述 21
3.2.2  启动FLAC 21
3.2.3  建立网格 21
3.2.4  定义材料 22
3.2.5  定义边界条件 24
3.2.6  重力设置 25
3.2.7  初始应力计算 25
3.2.8  保存状态文件 25
3.2.9  查看初始应力计算结果 26
3.2.10  查看最大不平衡力 28
3.2.11  实施开挖 29
3.2.12  设置历史变量 30
3.2.13  开挖计算并保存 31
3.2.14  后处理 31
3.3  文件系统 33
3.4  功能模块介绍 35
3.4.1  Build选项卡——建立网格 35
3.4.2  Alter选项卡——修改网格 36
3.4.3  Material选项卡——材料赋值 36
3.4.4  In-Situ选项卡——初始条件和边界条件 37
3.4.5  Structure选项卡——结构单元 37
3.4.6  Utility选项卡——应用功能 37
3.4.7  Settings选项卡——计算设置 38
3.4.8  Plot选项卡——后处理 38
3.4.9  Run选项卡——求解 39
3.5  应用实例——路堤堆载的模拟 39
3.5.1  问题描述 40
3.5.2  建立网格 40
3.5.3  材料赋值 42
3.5.4  边界条件 43
3.5.5  初始应力计算 43
3.5.6  路堤堆载的模拟 44
3.5.7  后处理 44
3.6  本章小结 46
第4章  计算原理与本构模型 47
4.1  计算基本原理 47
4.1.1  有限差分法 47
4.1.2  混合离散法 47
4.1.3  求解过程 49
4.2  本构模型 50
4.2.1  空模型 51
4.2.2  弹性模型 51
4.2.3  塑性模型 51
4.2.4  本构模型的选择 52
4.2.5  本构模型的执行方式 53
4.3  本章小结 54
第5章  FLAC3D的网格建模方法 55
5.1  网格生成器及应用 55
5.1.1  基本形状网格的特征 55
5.1.2  基本形状网格的建立 56
5.1.3  基本形状网格的连接与分离 63
5.1.4  FISH在网格建模中的应用 64
5.1.5  应用实例——层状边坡三维网格的生成 66
5.2  其他软件的网格导入 70
5.2.1  FLAC3D的网格单元数据形式 71
5.2.2  与其他软件的导入接口——以ABAQUS为例 72
5.3  本章小结 73
第6章  FLAC3D的后处理 74
6.1  概述 74
6.2  基本后处理功能 74
6.2.1  PLOT命令的格式 75
6.2.2  PLOT图形的输出 76
6.2.3  初始应力计算结果的后处理 77
6.2.4  查看施加载荷后计算结果的后处理 80
6.3  其他软件的后处理——Tecplot 90
6.4  本章小结 93
第7章  初始地应力场的生成及应用 94
7.1  初始地应力场生成方法 94
7.1.1  弹性求解法 94
7.1.2  更改强度参数的弹塑性求解法 95
7.1.3  分阶段弹塑性求解法 96
7.2  几个简单的例子 97
7.2.1  设置初始应力的弹塑性求解 97
7.2.2  存在静水压力的初始地应力场生成 98
7.2.3  水下建筑物的初始应力场生成 99
7.2.4  深埋工程的初始应力场生成 100
7.3  应用实例——路基施工过程模拟 103
7.3.1  问题描述 103
7.3.2  模型建立 104
7.3.3  初始应力计算 105
7.3.4  施工过程模拟 106
7.3.5  绘制沉降曲线 108
7.4  本章小结 111
第8章  FISH语言 112
8.1  两个问题 112
8.2  从最简单的程序开始 113
8.3  基本知识 114
8.3.1  函数与变量 114
8.3.2  数据类型 114
8.4  主要语句 115
8.4.1  选择语句 115
8.4.2  条件语句 115
8.4.3  循环语句 116
8.4.4  命令语句 117
8.5  内置变量与函数 117
8.5.1  变量与函数的类型 117
8.5.2  单元遍历与节点遍历 117
8.6  应用实例 118
8.6.1  让土体的模量随小主应力变化 118
8.6.2  分级加载的施加与监测 119
8.6.3  获得最大位移的大小及发生位置 120
8.6.4  得到主应力差云图 122
8.7  编程与查错技巧 123
8.7.1  编程技巧 123
8.7.2  查错方法 124
8.8  本章小结 125
第9章  接触面 126
9.1  概述 126
9.2  基本理论 126
9.2.1  FLAC3D中接触面的基本理论 126
9.2.2  FLAC中的接触面理论 128
9.3  FLAC3D接触面几何模型的建立 130
9.3.1  移来移去法 130
9.3.2  导来导去法 132
9.3.3  切割模型法 134
9.3.4  接触面建立所存在的问题 135
9.4  FLAC接触面几何模型的建立 137
9.5  接触面参数的选取 139
9.5.1  接触面参数的确定 139
9.5.2  接触面参数的影响 141
9.6  单桩静载荷试验模拟 143
9.7  与接触面有关的常用命令 145
9.8  本章小结 146
第10章  结构单元及应用 147
10.1  概述 147
10.1.1  基本术语 147
10.1.2  几何模型的建立 150
10.1.3  结构单元的连接 154
10.1.4  边界条件与初始条件 154
10.1.5  局部坐标系与符号约定 155
10.2  结构单元的基本原理 156
10.2.1  梁（beam）单元 156
10.2.2  锚索（cable）单元 157
10.2.3  桩（pile）单元 160
10.2.4  壳（shell）单元 163
10.2.5  土工格栅（geogrid）单元 164
10.2.6  初衬（liner）单元 165
10.3  后处理 167
10.3.1  结构节点的输出信息及历史变量 167
10.3.2  结构构件的输出信息及历史变量 167
10.4  应用实例 168
10.4.1  使用梁单元进行开挖支护 168
10.4.2  关于预应力锚杆的模拟 170
10.4.3  结构单元的动力响应 172
10.5  本章小结 174
第11章  非线性动力反应分析 175
11.1  概述 175
11.1.1  与等效线性方法的关系 176
11.1.2  FLAC3D动力计算采用的本构模型 177
11.2  动力时间步 177
11.3  动态多步 178
11.4  动力载荷和边界条件 181
11.4.1  动力载荷的类型与施加方法 181
11.4.2  边界条件的设置 183
11.4.3  地震载荷的输入 189
11.5  力学阻尼 190
11.5.1  瑞利阻尼（Rayleigh damping） 190
11.5.2  局部阻尼（Local damping） 194
11.5.3  滞后阻尼（Hysteretic damping） 196
11.5.4  关于阻尼设置的一些讨论 198
11.6  网格尺寸的要求 198
11.7  输入载荷的校正 199
11.7.1  滤波 199
11.7.2  基线校正 199
11.8  动孔压模型与土体的液化 199
11.9  完全非线性动力耦合分析步骤 200
11.10  应用实例——振动台液化试验模拟 201
11.10.1  计算模型及参数 202
11.10.2  计算过程 203
11.10.3  计算结果与分析 206
11.11  本章小结 207
第12章  流－固相互作用分析 208
12.1  概述 208
12.2  流固相互作用的两种计算模式 209
12.2.1  无渗流模式 209
12.2.2  渗流模式 211
12.3  流体分析的参数和单位 213
12.3.1  渗透系数 213
12.3.2  密度 213
12.3.3  流体模量 214
12.3.4  孔隙率 215
12.3.5  饱和度 215
12.3.6  流体的抗拉强度 216
12.4  流体边界条件 216
12.4.1  透水边界与不透水边界 216
12.4.2  其他渗流条件 217
12.4.3  关于流体边界条件的讨论 218
12.5  流体问题的求解 218
12.5.1  时标（Time scale） 219
12.5.2  完全耦合分析方法的选择 220
12.5.3  固定孔压分析（有效应力分析） 222
12.5.4  单渗流分析建立孔压分布 222
12.5.5  无渗流——力学引起的孔压 223
12.5.6  流固耦合分析 225
12.6  应用实例 229
12.6.1  心墙土坝的渗流 229
12.6.2  真空预压的简单模拟 232
12.7  本章小结 235
第13章  自定义本构模型 236
13.1  自定义本构模型的实现 236
13.2  模型运行方法 237
13.2.1  编译项目 238
13.2.2  创建一个新的项目 238
13.2.3  选择Release/Debug编译选项 238
13.2.4  改变输出文件名为自定义的DLL 238
13.2.5  在项目中添加用户自定义的源文件和头文件 239
13.3  以Mohr-Coulomb模型为例 239
13.3.1  头文件（usermohr.h） 240
13.3.2  C++源文件（usermohr.cpp） 241
13.4  开发实例——Duncan-Chang 模型的开发 247
13.4.1  理论描述 248
13.4.2  开发流程 249
13.4.3  调试与验证 254
13.5  本章小结 259
第14章  边坡安全系数求解 260
14.1  强度折减法 260
14.1.1  基本原理 260
14.1.2  实现过程 260
14.2  应用实例 261
14.2.1  安全系数求解 262
14.2.2  自编强度折减法的实现 267
14.3  强度折减法评述及使用建议 269
14.3.1  强度折减法评述 269
14.3.2  强度折减法使用建议 270
14.4  本章小结 270
第15章  冰碛土边坡稳定性研究 271
15.1  概述 271
15.2  边坡工程地质模型 272
15.3  冰碛土抗剪强度参数研究 272
15.3.1  冰碛土的组成和结构特性 273
15.3.2  抗剪强度参数研究思路 274
15.3.3  冰碛土结构的元胞自动机模拟 274
15.3.4  元胞自动机模型的导入 276
15.3.5  三轴数值模拟试验 278
15.3.6  试验结果及分析 280
15.3.7  抗剪强度预测模型 283
15.4  边坡稳定性分析方法研究 285
15.4.1  边坡稳定性综合分析方法构建 285
15.4.2  简化一次二阶矩法（Sfosm法） 286
15.4.3  边坡稳定的FLAC3D分析 287
15.4.4  边坡可靠度分析 294
15.5  本章小结 295
第16章  阪神地震液化大变形分析 297
16.1  前言 297
16.2  液化后流动本构模型及其在FLAC3D中的开发 297
16.2.1  液化后流动本构模型 298
16.2.2  一般应力条件下饱和砂土液化的判定准则 298
16.2.3  开发过程 299
16.2.4  PL-Finn模型的开发流程 300
16.2.5  液化状态指示器的编写 300
16.3  前处理 302
16.3.1  模型尺寸及计算参数 302
16.3.2  地震波的调整 304
16.3.3  网格划分 306
16.4  静力计算结果 306
16.5  动力计算结果 309
16.5.1  变形分析 309
16.5.2  液化区比较 311
16.6  本章小结 312
第17章  抗液化排水桩的数值模拟 313
17.1  概述 313
17.2  前处理 313
17.2.1  网格建立与初始应力生成 314
17.2.2  桩模型及接触面单元的生成 314
17.3  震前初始应力状态的计算 316
17.4  动力计算 319
17.4.1  动力输入 319
17.4.2  单元额外变量的定义 320
17.4.3  历史变量的记录 321
17.5  计算结果与分析 322
17.5.1  超孔压比分析 323
17.5.2  超孔压与竖直向有效应力分析 327
17.6  本章小结 333
第18章  深基坑工程分析 334
18.1  前言 334
18.1.1  工程概况 334
18.1.2  基坑围护方案 335
18.2  计算模型及参数 337
18.3  分析过程 339
18.3.1  初始应力计算 339
18.3.2  支护桩的施工 339
18.3.3  开挖计算 340
18.4  计算结果分析 343
18.5  本章小结 343
第19章  装配式防波堤的变形分析 344
19.1  概述 344
19.2  分析思路 345
19.2.1  Beam单元 346
19.2.2  Pile单元 346
19.2.3  Interface单元 346
19.3  施工过程的模拟 346
19.3.1  计算模型及参数 346
19.3.2  计算步骤 348
19.4  波浪载荷作用下结构的变形分析 355
19.4.1  分析方法 355
19.4.2  波浪载荷的计算 355
19.4.3  波峰作用下的计算结果 355
19.4.4  波谷作用下的计算结果 357
19.5  计算结论与本章小结 359
第20章  盾构开挖对软粘土地层的扰动模拟 360
20.1  概述 360
20.2  问题描述 360
20.3  FLAC3D模拟隧道开挖中若干问题的解决 362
20.3.1  采用修正剑桥模型模拟软粘土地层应力应变特性 362
20.3.2  流固耦合模拟隧道开挖地层变形时效性 365
20.3.3  壳单元模拟隧道衬砌支护 366
20.4  计算文件 367
20.5  计算结果分析 371
20.6  本章小结 374
第21章  常见问题及学习建议 376
21.1  常见问题及其解答 376
21.2  常见错误提示及其解决办法 379
21.3  学习经验和建议 380
附录A  FLAC3D命令一览 382
附录B  FLAC3D的FISH保留字 391
附录C  FLAC的FISH保留字 395
参考文献 397

1. FLAC3D在岩土工程中的应用 [孙书伟 林杭 任连伟 编著]
2. 隧道及地下工程FLAC解析方法 [李围 编著]