FLAC2D理論與實務

序 ／ I
本書的使用 ／ II
第一章 概述 ／ 1
1.1　FLAC2D 9.0版與FLAC 8.1版的差異與互通 ／ 2
1.2　本書的獨特表現方式 ／ 10
1.3　軟體使用說明(手冊) ／ 11
　　　1.3.1　本書與軟體使用手冊(Documentation) ／ 12
1.4　新手上路 — 以Project檔掌控整個分析 ／ 13
　　　1.4.1　起始(Startup)對話框 ／ 13
　　　1.4.2　設置一個新的Project資料夾及Project檔 ／ 14
　　　1.4.3　儲存及關閉Project ／ 17
　　　1.4.4　再次開啟project檔 ／ 18
第二章 視窗環境 ／ 21
2.1　FLAC2D的視窗及環境設定 ／ 21
　　　2.1.1　視窗第I區 ／ 21
　　　2.1.2　視窗第II區 — 工作區.. 33
　　　2.1.3　視窗第III區 ／ 37
　　　2.1.4　視窗第IV區 ／ 39
第三章 建模與分析流程 ／ 43
3.1　簡單好用的圖形介面 ／ 43
　　　3.1.1　草圖繪製工具 ／ 44
　　　3.1.2　建模與分析流程範例1 — 單一土層邊坡的建模 ／ 45
3.2　FLAC的分析流程 ／ 57
　　　3.2.1　建模與分析流程範例2 — 二層土壤邊坡開挖穩定分析 ／ 61
　　　3.2.2　建模與分析流程範例3 — 具不規則土層的邊坡穩定分析 ／ 83
3.3　利用繪圖精靈(Wizard)繪製草圖 ／ 99
　　　3.3.1　利用邊坡精靈繪製草圖 ／ 99
　　　3.3.2　利用隧道精靈繪製草圖 ／ 103
3.4　使用指令驅動方式建模 ／ 112
　　　3.4.1　使用原型模板建模 ／ 112
　　　3.4.2　鏡射複製 ／ 116
3.5　匯入DXF檔建模 ／ 117
3.6　格區及格點資訊查詢 ／ 120
　　　3.6.1　查詢格區資訊 — Query工具 ／ 120
　　　3.6.2　查詢格點的資訊 ／ 121
　　　3.6.3　格區資訊的輸出 (List Information) ／ 122
第四章　FLAC的理論與分析基礎 ／ 125
4.1　分析模型的專用詞彙 ／ 125
4.2　基礎工程力學 ／ 126
　　　4.2.1　運動方程式 (Equation of Motion) ／ 127
　　　4.2.2　應力-應變關係 — 組成律 ／ 128
　　　4.2.3　平面應變、平面應力與軸對稱分析 ／ 128
4.3　基礎土壤力學 ／ 129
　　　4.3.1　土壤三相與飽和度 ／ 129
　　　4.3.2　體積模數與剪力模數 ／ 129
　　　4.3.3　水的相關性質參數 ／ 129
　　　4.3.4　總應力與有效應力 ／ 130
　　　4.3.5　靜止土壓力係數 (K₀) ／ 130
　　　4.3.6　土壤剪力強度參數 ／ 132
4.4　FLAC2D的運算機制 ／ 133
　　　4.4.1　FLAC2D的運算原理 ／ 134
　　　4.4.2　時階 (Timestep) 的決定 ／ 134
　　　4.4.3　FLAC2D 的運算循環 ／ 135
4.5　邊界條件與初始條件 ／ 140
4.6　範圍與群組 (Range and Group) ／ 141
4.7　材料的性質 ／ 142
　　　4.7.1　固有的變形性質 (Intrinsic Deformability Properties) ／ 142
　　　4.7.2　固有的強度性質 (Intrinsic Strength Properties) ／ 144
　　　4.7.3　後破壞特性 (Post-Failure Properties) ／ 146
4.8　收斂準則及設定 ／ 149
4.9　安全係數 ／ 153
　　　4.9.1　強度折減法 ／ 153
　　　4.9.2　極限分析法 (Limit Analysis) ／ 154
　　　4.9.3　極限平衡法 (Limit equilibrium) ／ 155
　　　4.9.4　FLAC如何進行安全係數的計算 ／ 155
　　　4.9.5　計算安全係數應注意事項 ／ 158
　　　4.9.6　指令model factor-of-safety的常用關鍵字 ／ 159
　　　4.9.7　安全係數分析結果的表現方式 ／ 160
4.10　機械阻尼 (Mechanical Damping) ／ 161
4.11　改善運跑的提示與建議 ／ 163
第五章 組成律與界面元素 ／ 165
5.1　土壤彈塑性力學概要 ／ 166
　　　5.1.1　土壤彈塑性組成律的五大要素 ／ 167
　　　5.1.2　應力空間與應力點(Stress Points) ／ 170
　　　5.1.3　應力與應變參數之間的關係 ／ 171
5.2　FLAC 內建的組成律模式 ／ 173
　　　5.2.1　FLAC 的塑性組成律概述 ／ 175
　　　5.2.2　選擇組成律模式 ／ 176
5.3　增量公式的制定(Incremental Formulation).. 179
　　　5.3.1　塑性流理論之增量方程式 ／ 179
　　　5.3.2　增量方程式之實施 (Implementation) ／ 182
5.4　等向彈性組成律 (Isotropic Elastic Model) ／ 182
5.5　莫爾-庫倫組成律模式 (Mohr-Coulomb Model) ／ 183
　　　5.5.1　模式制定 (Formulations) ／ 183
　　　5.5.2　莫爾-庫倫模式之實施步驟 (Implementation Procedures) ／ 190
　　　5.5.3　莫爾-庫倫模式屬性 ／ 190
5.6　塑性硬化模式 (Plastic-Hardening Model).. 191
　　　5.6.1　PH 模式的雙曲線公式.. 191
　　　5.6.2　PH 模式制定 (Formulation) ／ 192
　　　5.6.3　PH 模式之屬性參數 ／ 198
　　　5.6.4　由三軸及壓密試驗校準PH 模式之屬性參數 ／ 201
　　　5.6.5　塑性硬化小應變勁度選項 ／ 206
　　　5.6.6　四種不同模式的比較 ／ 208
5.7　修正劍橋模式 Modified Cam-Clay Model.. 209
　　　5.7.1　等向壓密 (Isotropic Consolidation) ／ 210
　　　5.7.2　臨界狀態架構 (Critical State Framework) ／ 211
　　　5.7.3　FLAC 修正劍橋模式 ／ 215
　　　5.7.4　MCC 模式輸入參數之取得 ／ 217
5.8　遍在節理模式 (Ubiquitous-Joint Model) ／ 219
　　　5.8.1　材料屬性 — 以文字編輯器輸入 ／ 219
　　　5.8.2　材料屬性 — 以圖形介面輸入 ／ 220
　　　5.8.3　遍在節理模式輸入範例 — 砂頁岩互層邊坡 ／ 221
5.9　界面元素 (Interface Elements) ／ 224
　　　5.9.1　界面的組成 ／ 224
　　　5.9.2　彈性界面 ／ 225
　　　5.9.3　非彈性界面邏輯 ／ 226
　　　5.9.4　界面元素的創建 ／ 231
　　　5.9.5　界面的指令語法 ／ 231
　　　5.9.6　界面元素材料屬性的賦值 ／ 232
第六章　指令 ／ 237
6.1　變數的型別 (Variable Types) ／ 238
6.2　常用的指令與關鍵字 ／ 239
　　　6.2.1　FLAC的常用關鍵字 ／ 240
　　　6.2.2　指令mode 的常用關鍵字 ／ 241
　　　6.2.3　指令program的常用關鍵字 ／ 241
　　　6.2.4　指令zone的常用關鍵字 ／ 242
　　　6.2.5　指令zone gridpoint的常用關鍵字 ／ 244
　　　6.2.6　指令zone face的常用關鍵字 ／ 244
　　　6.2.7　Table的語法及常用關鍵字 ／ 245
　　　6.2.8　Sketch(繪製草圖)的常用指令及關鍵字 ／ 246
6.3　看懂錯誤訊息及除錯方法 ／ 248
第七章　FISH由淺入深 ／ 253
7.1　FISH概述 ／ 253
　　　7.1.1　本章中英詞彙對照 ／ 253
　　　7.1.2　Fish的基本概念 ／ 254
7.2　FISH的規則及操作 ／ 262
　　　7.2.1　FISH程式行(Lines)的基本規則 ／ 262
　　　7.2.2　Fish的資料型別 (Data Types) ／ 264
　　　7.2.3　函式的架構、評估與調用機制 ／ 293
　　　7.2.4　FISH運算子 (Operators) ／ 296
　　　7.2.5　全域符號與局部符號 ／ 299
　　　7.2.6　執行Fish：「內聯Fish」或「Fish片段」 ／ 301
　　　7.2.7　拆分 (Splitting)：使用多線程於Fish ／ 305
　　　7.2.8　Fish Operator：為多線程 (Multiple Threads) 編寫函式 ／ 312
　　　7.2.9　Fish函式重新定義 ／ 317
　　　7.2.10　Fish回調事件 (Fish callback events) ／ 317
7.3　FISH語句 (FISH Statements) ／ 321
　　　7.3.1　Define - End 語句 ／ 322
　　　7.3.2　Loop - Endloop - Exit 與 Loop - Continue 語句 ／ 322
　　　7.3.3　If - Else If - Else - EndIf 語句 ／ 327
　　　7.3.4　Command - EndCommand 語句 ／ 328
　　　7.3.5　Global 與 Local 語句 ／ 329
　　　7.3.6　Caseof - Case - Endcase 語句 ／ 329
　　　7.3.7　Section - EndSection - ExitSection 語句 ／ 331
　　　7.3.8　Exit 語句 ／ 331
　　　7.3.9　Lock 語句 ／ 331
　　　7.3.10　Return 語句 ／ 333
　　　7.3.11　Struct (或 Structure) 語句 ／ 333
7.4　FISH 指令 (Fish Commands) ／ 336
　　　7.4.1　Fish automatic-create 指令 ／ 337
　　　7.4.2　Fish boolean-convert 指令 ／ 337
　　　7.4.3　Fish callback 指令 ／ 337
　　　7.4.4　Fish debug 指令 ／ 338
　　　7.4.5　Fish define 指令 ／ 338
　　　7.4.6　Fish history 指令 ／ 338
　　　7.4.7　Fish list 指令 ／ 339
　　　7.4.8　Fish operator 指令 ／ 339
　　　7.4.9　Fish results 指令 ／ 340
　　　7.4.10　Fish structure 指令.. 340
　　　7.4.11　Fish trace 指令 ／ 340
7.5　FISH 的內建函式 ／ 340
　　　7.5.1　Fish 型別指示符 (Fish Type Index) ／ 341
　　　7.5.2　Fish 內建函式的查詢 ／ 342
7.6　FISH 綜合範例 (Tutorial).. 343
　　　7.6.1　Fish 綜合範例 — 初階篇 ／ 343
　　　7.6.2　Fish 綜合範例 — 進階篇 ／ 355
第八章　地下水 ／ 401
8.1　地下水分析的基本概念 ／ 402
　　　8.1.1　FLAC的計算基礎 ／ 402
　　　8.1.2　力學場與流體場 ／ 403
　　　8.1.3　水不流動與水會流動的概念 ／ 404
　　　8.1.4　完全飽和與非飽和水流 ／ 404
　　　8.1.5　時間與模擬方法 ／ 404
　　　8.1.6　水在分析中的參數預設值 ／ 405
8.2　水流分析的相關參數 ／ 406
　　　8.2.1　模擬方法的選擇 ／ 414
8.3　地下水分析的邊界及初始條件 ／ 417
8.4　地下水不流動的分析 ／ 424
　　　8.4.1　乾式模擬 ／ 424
　　　8.4.2　水不流動分析範例 — 乾式模擬 ／ 428
　　　8.4.3　濕式模擬 — FLAC的標準模擬方式 ／ 437
　　　8.4.4　水不流動的分析範例 — 採FLAC 的標準方法 ／ 440
8.5　僅有水流的分析 ／ 450
　　　8.5.1　僅有水流的分析範例 ／ 452
　　　8.5.2　水流分析相關指令彙整 ／ 460
8.6　水流與力學的耦合分析 ／ 460
　　　8.6.1　水流與力學運算的切換 ／ 461
　　　8.6.2　次循環運算 (Substeps) 的指派 ／ 462
　　　8.6.3　運算的資訊 (Cycling Information) ／ 462
　　　8.6.4　耦合飽和快速流方法 (Saturated Fast-Flow Scheme) ／ 463
　　　8.6.5　耦合分析的執行順序 ／ 463
8.7　非耦合分析 (Uncoupled Drained Analysis) ／ 464
　　　8.7.1　耦合與非耦合分析範例 — 基礎座落於飽和黏土層之壓密分析 ／ 465
　　　8.7.2　耦合分析範例 — 開挖回漲 ／ 478
　　　8.7.3　非耦合分析範例 — 地下水位抬升引致邊坡滑動 ／ 483
8.8　本章結論與提示 ／ 488
第九章　結構元素 ／ 491
9.1　FLAC2D 的結構元素 ／ 491
　　　9.1.1　選用適當的結構元素 ／ 491
　　　9.1.2　五種結構元素的特性 ／ 492
　　　9.1.3　結構元素的創建 ／ 494
　　　9.1.4　局部座標系統與正負號約定 ／ 499
　　　9.1.5　結構元素的節點 ／ 500
　　　9.1.6　結構元素的鏈接 (Link) ／ 503
　　　9.1.7　結構元素之邊界與初始條件的設定 ／ 514
　　　9.1.8　平面應變與平面應力 ／ 515
　　　9.1.9　二維分析的間距(Spacing)問題 ／ 515
　　　9.1.10　阻尼及時階 ／ 519
　　　9.1.11　材料屬性與單位 ／ 520
　　　9.1.12　結構元素的創建及基本設定範例 ／ 521
9.2　錨索元素 (Cable Structural Elements) ／ 526
　　　9.2.1　錨索元素的力學行為 ／ 528
　　　9.2.2　響應量 (Response Quantities) ／ 535
　　　9.2.3　錨索元素的屬性 ／ 535
　　　9.2.4　錨索元素的專有指令與FISH 內建函式 ／ 539
　　　9.2.5　錨索元素分析範例 ／ 540
9.3　樑結構元素 (Beam Structural Elements) ／ 545
　　　9.3.1　樑元素的力學行為 ／ 545
　　　9.3.2　響應量 ／ 547
　　　9.3.3　樑元素之屬性 ／ 548
　　　9.3.4　塑性彎矩與塑性鉸 ／ 549
　　　9.3.5　樑結構元素範例1 ／ 550
　　　9.3.6　樑元素的專有指令與FISH內建函式 ／ 554
　　　9.3.7　樑結構元素的選用條件 ／ 555
　　　9.3.8　樑結構元素範例2 ／ 555
9.4　樁結構元素 (Pile Structural Elements) ／ 559
　　　9.4.1　樁元素的力學行為 ／ 559
　　　9.4.2　樁的耦合彈簧參數之選用建議 ／ 570
　　　9.4.3　二維分析的間距對摩擦支承力的影響 ／ 578
　　　9.4.4　二維分析的間距對樁端支承力的影響 ／ 580
　　　9.4.5　岩栓行為 (Rockbolt Behavior) ／ 584
　　　9.4.6　響應量 ／ 585
　　　9.4.7　樁及岩栓屬性 ／ 585
　　　9.4.8　樁的專有指令與FISH 內建函式 ／ 586
　　　9.4.9　樁結構元素範例1 — 軸向樁 ／ 588
　　　9.4.10　樁結構元素範例2 — 側向樁 ／ 596
　　　9.4.11　樁結構元素範例3 — 以修正樁元素模擬岩栓 (Rockbolt) ／ 602
9.5　襯砌結構元素 (Liner Structural Elements) ／ 613
　　　9.5.1　襯砌元素的力學行為 ／ 613
　　　9.5.2　響應量 ／ 615
　　　9.5.3　襯砌元素之屬性 ／ 616
　　　9.5.4　襯砌元素的專有指令與FISH 內建函式 ／ 618
　　　9.5.5　襯砌元素範例1 — 圓形隧道的支撐襯砌 ／ 619
　　　9.5.6　襯砌元素範例2 — 開挖擋土設施 ／ 627
第十章　繪圖與電影 ／ 633
10.1　繪圖項目工具 ／ 633
　　　10.1.1　繪圖項目的操作 ／ 634
　　　10.1.2　繪圖項目清單的控制鈕 ／ 635
　　　10.1.3　繪圖項目的範圍 (Plot Item Ranges) ／ 636
　　　10.1.4　範圍屬性 (Range Attributes) ／ 637
10.2　曲線圖 ／ 643
　　　10.2.1　表圖 (Table Chart) ／ 643
　　　10.2.2　歷史圖 (History Chart) ／ 648
10.3　標籤圖與等值分佈圖 (Label and Contour) ／ 650
10.4　向量圖 (Vectors) ／ 661
10.5　其它繪圖項目 (Misc.) ／ 663
10.6　電影 (Movie) ／ 664
第十一章　應用範例 ／ 669
11.1　應用範例1 — 隧道多階開挖分析 ／ 669
11.2　應用範例2 — 連續壁深開挖分析 ／ 690
11.3　應用範例3 — 順向坡開挖 ／ 729
11.4　應用範例4 — 路堤填土工程 ／ 769
附錄A　常用指令及例句 ／ 791
附錄B　岩土及結構材料性質參考值 ／ 809

序 ／ I
本書的使用 ／ II
第一章 概述 ／ 1
1.1　FLAC2D 9.0版與FLAC 8.1版的差異與互通 ／ 2
1.2　本書的獨特表現方式 ／ 10
1.3　軟體使用說明(手冊) ／ 11
　　　1.3.1　本書與軟體使用手冊(Documentation) ／ 12
1.4　新手上路 — 以Project檔掌控整個分析 ／ 13
　　　1.4.1　起始(Startup)對話框 ／ 13
　　　1.4.2　設置一個新的Project資料夾及Project檔 ／ 14
　　　1.4.3　儲存及關閉Project ／ 17
　　　1.4.4　再次開啟project檔 ／ 18
第二章 視窗環境 ／ 21
2.1　FLAC2D的視窗及環境設定 ／ 21
　　　2.1.1　視窗第I區 ／ ...