數值模擬是一門藝術，其“藝術性”（或效果）的高低有賴于藝術家（分析人員）的專業素養、經驗和理論水平。但是，我們也不能忽略工具的重要性。倘若我們對優秀工具視而不見，或許就得在細枝末節和瑣碎小事上花費過多的精力和時間，無疑影響心情，約束創造力。

  這里我們首先聲明，我們并非數值模擬技術的迷信者，我們深知前期工作的重要性，因為模型的合理簡化、參數的選取、本構關系的選擇無不依賴于工程地質勘察和試驗研究。因此，我們強調在翔實的前期工作的基礎上進行研究，因為它們是數值模擬的基礎，基礎不穩，何來萬丈高樓的拔地而起？

  作為有一定模擬經驗的FLAC/FLAC3D的使用者和愛好者，我們也要提醒后學者，要注意積累和學習工程問題的診斷經驗，要注重專業知識和計算理論等基礎知識的學習，切莫“以方法套工程”，本末倒置，一味扎進軟件操作學習的泥潭中。因為以我們的經驗，很多時候計算結果的不合理，在于使用者進行模擬時邊界條件設置不正確和參數取值不合理，更深層次的原因則在于使用者的數理、力學知識不扎實和專業知識的匱乏。因此，數值模擬技術的學習，功夫應花在軟件外，而非關注軟件本身的操作學習上。

我們深知，巖土工程包羅萬象，任何一個方向都值得我們皓首窮經、終其一生去研究，因此，在本書的內容安排上，我們不求面面俱到，只期望將我們學習FLAC/FLAC3D時的心得、經驗以及以它們為工具在各自熟悉和有所涉獵的領域的研究成果與大家共享。

本書系統地介紹了FLAC/FLAC3D軟件的操作方法、基本理論和工程應用，適合土木工程、水利工程、采礦工程等領域的工程技術人員學習和參考。全書分為三大部分共21章，即入門篇（第1～7章）、專題篇（第8～14章）和應用篇（第15～20章）。入門篇的主要對象是軟件的初學者，主要介紹軟件的功能與特性、FLAC和FLAC3D的入門知識、前后處理的基本方法以及初始應力的生成方法等，通過這些章節的學習可以使初學者達到快速入門的目的。專題篇主要針對FLAC3D中的一些常用功能做較深入的探討，包括接觸面、結構單元、動力分析、流固耦合分析、自定義本構模型以及邊坡安全系數求解等，通過這些專題章節的學習，讀者可以了解特定問題的解決方法和基本思路。應用篇介紹FLAC和FLAC3D在巖土工程領域中的應用實例，包括冰漬土邊坡穩定性分析、阪神地震的液化大變形分析、抗液化排水樁的抗震分析、深基坑開挖分析、板樁碼頭的變形分析、盾構隧道開挖的數值模擬等，這些實例囊括了所有專題章節的內容，具有較強的針對性和實用性，其中有些實例也是作者近年來的研究成果。另外，本書第21章還對FLAC/FLAC3D軟件學習過程中會遇到的一些常見問題、軟件的錯誤提示做了總結，并對軟件學習提出了一些建議。

  本書所附光盤提供了書中所有章節涉及到的命令文件和計算結果，光盤中的文件是按照章節進行整理的，讀者可以方便地查閱各章中出現的命令文件。同時，光盤中還包含作者近幾年來在河海大學、同濟大學、東南大學、河南工業大學等高校做的FLAC/FLAC3D應用交流的PPT文件，供讀者參考。

  全書編寫分工如下：全書章節安排及統稿由陳育民負責，第1、2、4、14及15章由徐鼎平執筆，第3、6、8、9、11、12、13、16、18、19章由陳育民執筆，第5、7、21章由陳育民和徐鼎平共同執筆，第10章由任連偉執筆，第17章由趙楠執筆，第20章由寇曉強執筆。需要強調的是，本書的成稿絕非一、二人之功，而是多人智慧的結晶。同濟大學殷冀博士為第18章提供了實例素材和命令文件，煤炭科學研究總院北京開采設計研究分院高富強工程師為第10章提供了部分素材，北京海通途公司、上海市水務工程設計研究院為第19章提供了素材，中國礦業大學尤立明對第13章提出了修改意見，河海大學巖土所陳磊、張建偉、仉文崗、高有斌、李平、楊星等為本書的完成提供了大力支持和幫助，在此致以誠摯的謝意。

  此外，Simwe仿真論壇FLAC/FLAC3D版的眾多網友，如清華大學戴榮博士、中科院武漢巖土力學研究所張波博士、ITASCA（武漢）咨詢有限公司朱永生工程師、河海大學鄭文棠博士、同濟大學朱道建博士、北京城建集團宋成輝博士、浙江建筑科學研究院秦建設博士以及中南大學林杭博士等均在FLAC/FLAC3D數值模擬研究工作中做出了大量卓有成效的工作，豐富了本書的內容，在此一并予以感謝。

  在本書的編寫過程中，參與具體工作的還有張賽橋、張代全、李琦、萬雷、王斌、江廣順、李強、吳志俊、杜長城、余松、郭敏、董茜、陳鯤、王曉、陳洪軍、余偉煒、王呼佳、許志清、劉軍華、夏惠軍、姚新軍。最后，特別感謝河海大學劉漢龍教授在百忙之中為本書作序。還要感謝中國水利水電出版社老師的辛苦努力，正是因為你們辛苦的付出，才是本書能在第一時間和讀者見面。

  由于時間倉促，作者水平有限，書中錯誤、紕漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

序
前言
 
第1章  FLAC/FLAC3D的功能與特性 1
1.1  FLAC/FLAC3D簡介 1
1.2  FLAC/FLAC3D的主要特點 1
1.2.1  FLAC/FLAC3D的使用特征 1
1.2.2  FLAC/FLAC3D的計算特征 2
1.2.3  FLAC/FLAC3D的求解流程 3
1.3  FLAC/FLAC3D的應用范圍 4
1.4  FLAC/FLAC3D的不足 4
第2章  FLAC3D快速入門 6
2.1  初識FLAC3D 6
2.1.1  圖形界面 6
2.1.2  分析的基本組成部分 7
2.1.3  簡單分析命令概要 8
2.1.4  文件類型 8
2.1.5  結果輸出 10
2.2  簡單示例 11
2.3  收斂標準 12
2.3.1  常用收斂標準 13
2.3.2  自定義收斂標準 13
2.4  求解過程中有關變量的解釋 13
2.4.1  不平衡力 13
2.4.2  網格節點速度 14
2.4.3  塑性區標識 15
2.4.4  歷時曲線 16
2.5  本章小結 16
第3章  FLAC快速入門 17
3.1  概述 17
3.1.1  使用界面介紹 17
3.1.2  網格和節點 19
3.1.3  修改程序內存 20
3.2  一個簡單的實例 20
3.2.1  問題描述 21
3.2.2  啟動FLAC 21
3.2.3  建立網格 21
3.2.4  定義材料 22
3.2.5  定義邊界條件 24
3.2.6  重力設置 25
3.2.7  初始應力計算 25
3.2.8  保存狀態文件 25
3.2.9  查看初始應力計算結果 26
3.2.10  查看最大不平衡力 28
3.2.11  實施開挖 29
3.2.12  設置歷史變量 30
3.2.13  開挖計算并保存 31
3.2.14  后處理 31
3.3  文件系統 33
3.4  功能模塊介紹 35
3.4.1  Build選項卡——建立網格 35
3.4.2  Alter選項卡——修改網格 36
3.4.3  Material選項卡——材料賦值 36
3.4.4  In-Situ選項卡——初始條件和邊界條件 37
3.4.5  Structure選項卡——結構單元 37
3.4.6  Utility選項卡——應用功能 37
3.4.7  Settings選項卡——計算設置 38
3.4.8  Plot選項卡——后處理 38
3.4.9  Run選項卡——求解 39
3.5  應用實例——路堤堆載的模擬 39
3.5.1  問題描述 40
3.5.2  建立網格 40
3.5.3  材料賦值 42
3.5.4  邊界條件 43
3.5.5  初始應力計算 43
3.5.6  路堤堆載的模擬 44
3.5.7  后處理 44
3.6  本章小結 46
第4章  計算原理與本構模型 47
4.1  計算基本原理 47
4.1.1  有限差分法 47
4.1.2  混合離散法 47
4.1.3  求解過程 49
4.2  本構模型 50
4.2.1  空模型 51
4.2.2  彈性模型 51
4.2.3  塑性模型 51
4.2.4  本構模型的選擇 52
4.2.5  本構模型的執行方式 53
4.3  本章小結 54
第5章  FLAC3D的網格建模方法 55
5.1  網格生成器及應用 55
5.1.1  基本形狀網格的特征 55
5.1.2  基本形狀網格的建立 56
5.1.3  基本形狀網格的連接與分離 63
5.1.4  FISH在網格建模中的應用 64
5.1.5  應用實例——層狀邊坡三維網格的生成 66
5.2  其他軟件的網格導入 70
5.2.1  FLAC3D的網格單元數據形式 71
5.2.2  與其他軟件的導入接口——以ABAQUS為例 72
5.3  本章小結 73
第6章  FLAC3D的后處理 74
6.1  概述 74
6.2  基本后處理功能 74
6.2.1  PLOT命令的格式 75
6.2.2  PLOT圖形的輸出 76
6.2.3  初始應力計算結果的后處理 77
6.2.4  查看施加載荷后計算結果的后處理 80
6.3  其他軟件的后處理——Tecplot 90
6.4  本章小結 93
第7章  初始地應力場的生成及應用 94
7.1  初始地應力場生成方法 94
7.1.1  彈性求解法 94
7.1.2  更改強度參數的彈塑性求解法 95
7.1.3  分階段彈塑性求解法 96
7.2  幾個簡單的例子 97
7.2.1  設置初始應力的彈塑性求解 97
7.2.2  存在靜水壓力的初始地應力場生成 98
7.2.3  水下建筑物的初始應力場生成 99
7.2.4  深埋工程的初始應力場生成 100
7.3  應用實例——路基施工過程模擬 103
7.3.1  問題描述 103
7.3.2  模型建立 104
7.3.3  初始應力計算 105
7.3.4  施工過程模擬 106
7.3.5  繪制沉降曲線 108
7.4  本章小結 111
第8章  FISH語言 112
8.1  兩個問題 112
8.2  從最簡單的程序開始 113
8.3  基本知識 114
8.3.1  函數與變量 114
8.3.2  數據類型 114
8.4  主要語句 115
8.4.1  選擇語句 115
8.4.2  條件語句 115
8.4.3  循環語句 116
8.4.4  命令語句 117
8.5  內置變量與函數 117
8.5.1  變量與函數的類型 117
8.5.2  單元遍歷與節點遍歷 117
8.6  應用實例 118
8.6.1  讓土體的模量隨小主應力變化 118
8.6.2  分級加載的施加與監測 119
8.6.3  獲得最大位移的大小及發生位置 120
8.6.4  得到主應力差云圖 122
8.7  編程與查錯技巧 123
8.7.1  編程技巧 123
8.7.2  查錯方法 124
8.8  本章小結 125
第9章  接觸面 126
9.1  概述 126
9.2  基本理論 126
9.2.1  FLAC3D中接觸面的基本理論 126
9.2.2  FLAC中的接觸面理論 128
9.3  FLAC3D接觸面幾何模型的建立 130
9.3.1  移來移去法 130
9.3.2  導來導去法 132
9.3.3  切割模型法 134
9.3.4  接觸面建立所存在的問題 135
9.4  FLAC接觸面幾何模型的建立 137
9.5  接觸面參數的選取 139
9.5.1  接觸面參數的確定 139
9.5.2  接觸面參數的影響 141
9.6  單樁靜載荷試驗模擬 143
9.7  與接觸面有關的常用命令 145
9.8  本章小結 146
第10章  結構單元及應用 147
10.1  概述 147
10.1.1  基本術語 147
10.1.2  幾何模型的建立 150
10.1.3  結構單元的連接 154
10.1.4  邊界條件與初始條件 154
10.1.5  局部坐標系與符號約定 155
10.2  結構單元的基本原理 156
10.2.1  梁（beam）單元 156
10.2.2  錨索（cable）單元 157
10.2.3  樁（pile）單元 160
10.2.4  殼（shell）單元 163
10.2.5  土工格柵（geogrid）單元 164
10.2.6  初襯（liner）單元 165
10.3  后處理 167
10.3.1  結構節點的輸出信息及歷史變量 167
10.3.2  結構構件的輸出信息及歷史變量 167
10.4  應用實例 168
10.4.1  使用梁單元進行開挖支護 168
10.4.2  關于預應力錨桿的模擬 170
10.4.3  結構單元的動力響應 172
10.5  本章小結 174
第11章  非線性動力反應分析 175
11.1  概述 175
11.1.1  與等效線性方法的關系 176
11.1.2  FLAC3D動力計算采用的本構模型 177
11.2  動力時間步 177
11.3  動態多步 178
11.4  動力載荷和邊界條件 181
11.4.1  動力載荷的類型與施加方法 181
11.4.2  邊界條件的設置 183
11.4.3  地震載荷的輸入 189
11.5  力學阻尼 190
11.5.1  瑞利阻尼（Rayleigh damping） 190
11.5.2  局部阻尼（Local damping） 194
11.5.3  滯后阻尼（Hysteretic damping） 196
11.5.4  關于阻尼設置的一些討論 198
11.6  網格尺寸的要求 198
11.7  輸入載荷的校正 199
11.7.1  濾波 199
11.7.2  基線校正 199
11.8  動孔壓模型與土體的液化 199
11.9  完全非線性動力耦合分析步驟 200
11.10  應用實例——振動臺液化試驗模擬 201
11.10.1  計算模型及參數 202
11.10.2  計算過程 203
11.10.3  計算結果與分析 206
11.11  本章小結 207
第12章  流－固相互作用分析 208
12.1  概述 208
12.2  流固相互作用的兩種計算模式 209
12.2.1  無滲流模式 209
12.2.2  滲流模式 211
12.3  流體分析的參數和單位 213
12.3.1  滲透系數 213
12.3.2  密度 213
12.3.3  流體模量 214
12.3.4  孔隙率 215
12.3.5  飽和度 215
12.3.6  流體的抗拉強度 216
12.4  流體邊界條件 216
12.4.1  透水邊界與不透水邊界 216
12.4.2  其他滲流條件 217
12.4.3  關于流體邊界條件的討論 218
12.5  流體問題的求解 218
12.5.1  時標（Time scale） 219
12.5.2  完全耦合分析方法的選擇 220
12.5.3  固定孔壓分析（有效應力分析） 222
12.5.4  單滲流分析建立孔壓分布 222
12.5.5  無滲流——力學引起的孔壓 223
12.5.6  流固耦合分析 225
12.6  應用實例 229
12.6.1  心墻土壩的滲流 229
12.6.2  真空預壓的簡單模擬 232
12.7  本章小結 235
第13章  自定義本構模型 236
13.1  自定義本構模型的實現 236
13.2  模型運行方法 237
13.2.1  編譯項目 238
13.2.2  創建一個新的項目 238
13.2.3  選擇Release/Debug編譯選項 238
13.2.4  改變輸出文件名為自定義的DLL 238
13.2.5  在項目中添加用戶自定義的源文件和頭文件 239
13.3  以Mohr-Coulomb模型為例 239
13.3.1  頭文件（usermohr.h） 240
13.3.2  C++源文件（usermohr.cpp） 241
13.4  開發實例——Duncan-Chang 模型的開發 247
13.4.1  理論描述 248
13.4.2  開發流程 249
13.4.3  調試與驗證 254
13.5  本章小結 259
第14章  邊坡安全系數求解 260
14.1  強度折減法 260
14.1.1  基本原理 260
14.1.2  實現過程 260
14.2  應用實例 261
14.2.1  安全系數求解 262
14.2.2  自編強度折減法的實現 267
14.3  強度折減法評述及使用建議 269
14.3.1  強度折減法評述 269
14.3.2  強度折減法使用建議 270
14.4  本章小結 270
第15章  冰磧土邊坡穩定性研究 271
15.1  概述 271
15.2  邊坡工程地質模型 272
15.3  冰磧土抗剪強度參數研究 272
15.3.1  冰磧土的組成和結構特性 273
15.3.2  抗剪強度參數研究思路 274
15.3.3  冰磧土結構的元胞自動機模擬 274
15.3.4  元胞自動機模型的導入 276
15.3.5  三軸數值模擬試驗 278
15.3.6  試驗結果及分析 280
15.3.7  抗剪強度預測模型 283
15.4  邊坡穩定性分析方法研究 285
15.4.1  邊坡穩定性綜合分析方法構建 285
15.4.2  簡化一次二階矩法（Sfosm法） 286
15.4.3  邊坡穩定的FLAC3D分析 287
15.4.4  邊坡可靠度分析 294
15.5  本章小結 295
第16章  阪神地震液化大變形分析 297
16.1  前言 297
16.2  液化后流動本構模型及其在FLAC3D中的開發 297
16.2.1  液化后流動本構模型 298
16.2.2  一般應力條件下飽和砂土液化的判定準則 298
16.2.3  開發過程 299
16.2.4  PL-Finn模型的開發流程 300
16.2.5  液化狀態指示器的編寫 300
16.3  前處理 302
16.3.1  模型尺寸及計算參數 302
16.3.2  地震波的調整 304
16.3.3  網格劃分 306
16.4  靜力計算結果 306
16.5  動力計算結果 309
16.5.1  變形分析 309
16.5.2  液化區比較 311
16.6  本章小結 312
第17章  抗液化排水樁的數值模擬 313
17.1  概述 313
17.2  前處理 313
17.2.1  網格建立與初始應力生成 314
17.2.2  樁模型及接觸面單元的生成 314
17.3  震前初始應力狀態的計算 316
17.4  動力計算 319
17.4.1  動力輸入 319
17.4.2  單元額外變量的定義 320
17.4.3  歷史變量的記錄 321
17.5  計算結果與分析 322
17.5.1  超孔壓比分析 323
17.5.2  超孔壓與豎直向有效應力分析 327
17.6  本章小結 333
第18章  深基坑工程分析 334
18.1  前言 334
18.1.1  工程概況 334
18.1.2  基坑圍護方案 335
18.2  計算模型及參數 337
18.3  分析過程 339
18.3.1  初始應力計算 339
18.3.2  支護樁的施工 339
18.3.3  開挖計算 340
18.4  計算結果分析 343
18.5  本章小結 343
第19章  裝配式防波堤的變形分析 344
19.1  概述 344
19.2  分析思路 345
19.2.1  Beam單元 346
19.2.2  Pile單元 346
19.2.3  Interface單元 346
19.3  施工過程的模擬 346
19.3.1  計算模型及參數 346
19.3.2  計算步驟 348
19.4  波浪載荷作用下結構的變形分析 355
19.4.1  分析方法 355
19.4.2  波浪載荷的計算 355
19.4.3  波峰作用下的計算結果 355
19.4.4  波谷作用下的計算結果 357
19.5  計算結論與本章小結 359
第20章  盾構開挖對軟粘土地層的擾動模擬 360
20.1  概述 360
20.2  問題描述 360
20.3  FLAC3D模擬隧道開挖中若干問題的解決 362
20.3.1  采用修正劍橋模型模擬軟粘土地層應力應變特性 362
20.3.2  流固耦合模擬隧道開挖地層變形時效性 365
20.3.3  殼單元模擬隧道襯砌支護 366
20.4  計算文件 367
20.5  計算結果分析 371
20.6  本章小結 374
第21章  常見問題及學習建議 376
21.1  常見問題及其解答 376
21.2  常見錯誤提示及其解決辦法 379
21.3  學習經驗和建議 380
附錄A  FLAC3D命令一覽 382
附錄B  FLAC3D的FISH保留字 391
附錄C  FLAC的FISH保留字 395
參考文獻 397

1. FLAC3D在巖土工程中的應用 [孫書偉 林杭 任連偉 編著]
2. 隧道及地下工程FLAC解析方法 [李圍 編著]