基于FLAC3D数值模拟求解边坡安全系数
基于FLAC3D的边坡稳定分析研究及治理措施
基于FLAC3D的边坡稳定分析研究及治理措施作者：李金来源：《中国科技博览》2014年第31期[摘要]边坡的稳定性对于露天矿的生产有着至关重要的作用，是保证露天矿安全生产的先决条件，如果边坡失稳，发生滑坡或崩塌现象，将造成重大经济损失，不仅对职工生命存在威胁，同时也威胁现场作业设备、设施的安全。
本文根据水泉矿地质条件特征，采用FLAC3D 软件，分析南帮边坡稳定性，为该矿安全生产提供指导意见。
[关键词]FLAC3D；边坡稳定；数值模拟；治理措施中图分类号：TD 804 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）31-0239-03一、引言随着我国经济的不断发展，采矿技术的不断提高，越来越多的煤矿采用露天开采，为经济发展和整体安全提供了一定的保障，同时也带来了相关问题，尤其是边坡的稳定性，如果不重视，很容易造成各种灾难。
露天矿开采过程中，形成各种工作帮与非工作帮，剥离物剥出后，由剥离区域运至规划的排土场区域，形成排土场边坡，为了节省生产成本，降低消耗，排土场规划大多与工作面距离较近，如果发生滑坡，很可能埋压正在现场作业的设备与人员，导致事故的发生。
因此，越来越多的学者研究边坡稳定的问题，提出了很多实用的方法，目前对边坡进行监测分析普遍采用FLAC3D软件。
FLAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，是解决工程问题最有效的软件之一。
二、地质、水文及岩性特征（一）地形、地貌本区位于阴山山脉之大青山西段，受造山运动的影响，呈中高山区地貌。
最高点为露天区外南部天林背，海拔2331m，最低点为露天区外北部大东沟、大西沟一带，海拔为1500m左右，相对高差831m。
露天区外南为古老地层，山势峻峭；北部为石炭系、二叠系、三叠系地层，受风化侵蚀，属中低山区。
露天区内总的地貌为南高北低，最高点位于勘探区东南部边界，标高为1912m，最低点位于后黑土坝村北部沟中北边界线，标高为1520m，高差392m。
利用Flac3D进行库区消落带边坡稳定性研究
科学技术创新2020.35利用Flac3D 进行库区消落带边坡稳定性研究李望成冉益铭(重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331)三峡库区建成以来，每年冬天蓄水发电期和夏季防洪期的水位分别为175米和145米，30米的水位差形成了消落带，消落带边坡每年都会经历一次干湿循环，长期发展下去，会对消落带边坡稳定性造成一定的影响，消落带边坡岩质多为砂岩，砂岩在经过一定次数的干湿循环后，对其基本物理力学性质造成一定的影响，抗劈裂强度、内摩擦角和粘聚力等影响边坡稳定性的参数会随着干湿循环次数的增加而降低[1]，从而影响到边坡安全系数，造成边坡失稳的情况发生。
长江三峡大坝建成后，水库蓄水及库岸的二次改造会对长江沿岸岸坡造成深刻的影响，包括崩塌和坍塌、滑动和滑移、蠕移、沉降或沉陷、碎石流与泥石流及洪冲垮塌等[2];随着库区水位升降变化，滑坡体安全系数随着岩体干湿循环的次数呈指数降低，最终造成边坡失稳[3]；前4次干湿循环作用将造成抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右，在4次之后劣化幅度将趋于平缓；[4]；随着干湿循环次数增加，坡体下滑力与抗滑力的平衡被打破而造成坡体失稳，而后又恢复平衡状态，坡体间的平衡状态会随着干湿作用的次数增加而更加容易被打破，造成边坡稳定性安全系数降低[5]。
1Flac3D 的原理与步骤Flac3D 是美国ITASCA 公司开发的仿真模拟软件，利用源于流体力学的拉格朗日差分法，研究在规定时间内的位移与应力的变化[6]，Flac3D 把模型划分为由多个六面体网格组成，网格数量根据需求来设置，更多的网格会造成更久的计算时间，但可以更精确的得到计算结果；Flac3D 动力学分析基于显式有限差分方案，使用从周围区域的实际密度（而不是用于静态解决方案的虚拟质量）导出集总网格点来求解完整的运动方程。
FLAC3D 采用完全非线性分析方法，加入了“滞后阻尼”的因子对动荷载产生的非线性材料累积变形具有很好的还原能力，动荷载分为Fish 函数和Table 数表两种类型，前者是在面施加荷载，后者是在点上施加荷载。
基于FLAC3D的均质土坝最佳坡度分析
ａ．采用坡度优化程序对坝体进行分析计算 可提前了解坝体运行情况，并可使坝体在安全运
行的前提下有效减少工程量。若坡度优化不能满 足安全要求就必须采取其他的加固措施。
ｂ．坡度优化程序可很好地解决一般放坡工 程的坡度选择，该程序采用ＦＬＡＣ的内置语言 ＦＩＳＨ编制，计算速度快，可评价坝坡、边坡的稳 定性，也可用于该类工程的设计，还可根据需要调 整程序供变坡度边坡工程应用。
４ 算例
狼猫山水库［６］位于山东省济南市历城区小清 河支流巨野河上，１９５９年１１月兴建，历经四期扩 建，于１９７７年投入运行。该坝为均质土坝，最大坝 高３２．５ ｍ，坝长５３０ ｍ，坝顶高程１９２．５ ｍ，坝顶宽 ７．５ ｍ。
１９９１年１～８月降雨量累计达６７１．３ ｍｍ，８ 月底坝体坝肩出现３条５～１１ ｃｍ的纵向裂缝，下 游出现滑坡，沿坝轴方向滑坡总长２７１ ｍ，占坝长 ５１．１％，滑坡体最大高度２２．５ ｍ，后果严重，具有 代表性的桩号０＋１４０弧形滑坡断面见图２。 １９８４年９月～１９８７年９月进行钻孑Ｌ取样，发现坝 体干密度低、沉陷量大、内摩擦角小、粘聚力低等，
５５—５８
Ｓｌｏｐｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｅａｒｔｈ Ｄａｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＡＣ３Ｄ
ＦＵ Ｈａｉｈｕａ ＬＩ Ｄｅｍｉｎｇ ＬＩＵ Ｈａｉｊ ｕｎ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｊｉｎａｎ ２５００１４。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ＦＬＡＣ３０ ｃａｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｅｄｉｅｎｔｌｙ。ｕｓｅ ｉｔｓ ｉｎｔｅｒｎａｌ ＦＩＳＨ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔＯ ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔ．ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｅａｒｔｈ ｄａｍ。ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｓｌｏｐｅ ｉｎ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｔ ｗａｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ。ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｒｅ— ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｉｎ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＬＡＣ”．Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｓｈｏｗ ｈｏｗ ｔＯ ｕｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ
基于FLAC~(3D)的边坡稳定安全系数的确定
四川建筑科学研究
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ １ ３ ５
基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ 的边坡 稳定 安全 系数 的确定
万保安 ， 殷妮 芳 ， 熊茂东
（ 江西公路 开发总公司 ， 江西 南 昌 ３ ３ ０ ０ ３ ８ ）
Ｃ Ｆ ＝Ｃ ／ Ｆ ｌ （ １ ）
变 形情 况 的等值 线 图。 因此 ， 在用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 如进行 工 程 分析时， 通 常通 过观 察 岩 土 体 中剪 切 应 变 增 量 云 图
来判断岩土体是否破坏。一般来说 ， 如果剪切应变 增量云图的等值线贯穿整个 岩土体 ， 在岩土体表面 形成一个封闭的圈 ， 则可以判定岩土体发生破坏了。
络单元是指对研究对象建立模型 ， 将研究对象采用 若干差分网络来代替 ， 网格单元仅在节点处存在联
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ２ － ２ １ 作者简介 ： 万保安（ １ ９ ５ ５ 一） ， 男， 江西新 建人 ， 高级 工程师 ， 主要 从事 岩土工程施工与项 目管理工作 。 基金项 目： 江西省交通厅科技基金项 目（ ２ ０ １ ０ Ｃ ０ ０ １ ３ ）
种 确定 边坡 稳 定安 全 系数 的方 法 。
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图１ Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 如的 一 般 求 解 流 程
加 载 与继 续 建 模是 指 ， 对 达到 初 始 平衡 状 态 的
１ Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ 软 件 简 介 及 求解 过 程
Ｅ —ｍａｉ ｌ ： ｃ ｓ ｕ ｌ ｙ ｐ ＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ
基于FLAC3D对某边坡天然及地震工况下稳定性分析
基于FLAC3D对某边坡天然及地震工况下稳定性分析◎ 彭志盛 中交四航局第二工程有限公司摘 要：本文以海外某工程开挖边坡为实例，结合室内试验参数，基于RMR分类法并参考经验公式进行岩土体参数估算，进一步评估4m或6m锚杆支护的边坡在天然工况下的稳定性并在地震工况下的运用拟静力法分析其稳定性。
结果表明：采用RMR法并结合边坡实际工程地质条件，参考已有经验公式对边坡岩土体参数进行估算在实际工程中是可行的，计算结果相对保守；天然工况或地震工况条件下，采用4m或6m锚杆进行支护时，稳定性系数均满足规范中对安全系数的要求，边坡处于基本稳定状态；但安全起见，建议对该边坡采用6m锚杆进行支护。
关键词：：FLAC3D；强度折减法；拟静力法；稳定性分析1.前言当前稳定性分析有定性和定量分析两类方法。
极限平衡法，极限分析法等是定量分析方法中比较常见的[1]。
无论极限平衡法或是极限分析法具因其模型简单、计算方便，在工程实践中作为首选方法进行广泛应用，但分析边坡破坏发生和发展过程方面却力有不逮[2]；针对此问题，基于强度折减法理论的数值模拟软件FL AC3D通过搜索潜在滑动面及其位置可以有效解决极限平衡法的不足，计算呈现结果更加直观。
进行数值模拟计算时，参数的选取至关重要，参数选取准确与否对计算结果影响重大，而当前岩土体，尤其是岩质材料的参数取值时往往进行以下简化：以岩石（岩块）室内试验所得性质代替真实岩体。
工程实践中极少遇到未风化岩体，天然环境中的岩体受风化作用产生广泛分布的节理裂隙，影响岩体完整性，并使得真实岩体在物理力学性质上与岩块存在较大差异。
本文以某工程挖方边坡为例，对岩体材料基于更科学的方法进行取值，采用强度折减法进行天然工况及地震工况下分析边坡稳定性。
2.强度折减法强度折减法中稳定性系数即边坡达到临界状态与初始状态对应的抗剪强度之比。
岩体抗剪强度应用过程如下式所示。
式中：C d——折减后的粘聚力；φd——折减后的内摩擦角；C——折减前的粘聚力；φ——折减前的内摩擦角；F d——折减系数。
基于FLAC3D的三维边坡稳定性强度折减法计算效率改进算法及其应用
2、边坡的稳定性系数等指标，可以对边坡的稳定性进行评价； 3、破裂面的位置和形状，有助于确定治理措施和优化设计方案。
在结果分析过程中，需要以下几个方面：
1、破裂面的预测：FLAC3D可以准确预测破裂面的位置和形状，但需要考虑 地质条件的复杂性和计算精度的限制；
2、稳定性系数的敏感性：稳定性系数受到多种因素的影响，如土体性质、 荷载等，需要对这些因素进行敏感性分析；
根据现场调查和工程地质勘探，收集到了边坡的岩土力学参数、水文地质条 件、可能的荷载和边界约束条件等数据。在此基础上，采用有限元法建立了边坡 的计算模型，详细模拟了边坡内部的物理和力学过程。通过不断调整模型的材料 参数和边界条件，使得模型的计算结果与实际观测数据尽可能接近。
在模型验证可靠后，采用整体强度折减法对边坡的稳定性进行分析。根据计 算结果，该边坡的稳定系数为1.25，属于基本稳定状态。失稳破坏模式主要为边 坡顶部出现拉裂缝，同时局部岩体出现滑动。为了提高该边坡的稳定性，建议采 取适当的加固措施，如增加锚杆、喷射混凝土等。
引言
边坡稳定性分析是岩土工程领域中非常重要的一个方面，对于保障工程项目 安全具有至关重要的作用。在工程建设过程中，边坡失稳可能会导致严重的工程 事故，因此对边坡稳定性进行准确的分析和评估具有重要意义。随着计算机技术 的不断发展，数值模拟方法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用。本次演示将探 讨基于FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions） 软件的边坡稳定性分析方法。
4、荷载施加：根据实际情况，施加一定的荷载，如自重、外力等。 5、数值模拟：利用FLAC3D进行数值模拟，得到边坡的位移、应力等响应。
6、稳定性评估：根据模拟结果，对边坡的稳定性进行评估，计算稳定系数 等指标。
基于FLAC3D的特大型露天边坡稳定性数值模拟分析
基于FLAC3D的特大型露天边坡稳定性数值模拟分析提纲：第一章：引言- 研究背景和意义- 国内外研究现状和进展- 研究目的和内容第二章：理论基础和数值模拟方法- 岩土力学基础理论- 边坡稳定性分析方法- FLAC3D软件介绍及使用方法第三章：数值模拟分析- 选取模拟模型及边界条件- 调试模型参数和边界条件- 分析模型的动态响应及应力变形分布第四章：模拟结果分析及讨论- 不同荷载及边坡角度条件下边坡的稳定性分析结果- 分析影响稳定性的因素及其重要性- 建议边坡的设计和加固方式第五章：结论与展望- 结论总结- 存在问题及展望未来研究方向- 对边坡设计和加固的意义和应用前景的评价注意：此提纲为中文版，如需翻译成英文可使用在线翻译工具进行翻译。
第一章：引言随着城市化的加速和工业经济的不断快速发展，大型的露天开采工程在当今社会中已成为常态。
然而，这些巨型露天工程也面临着一系列的问题，其中最重要的问题之一是边坡稳定性问题。
由于不同地形条件和巨大的冲击力，这种问题极其棘手，需要进行彻底和全面的研究。
边坡稳定性数值模拟分析是一种非常重要的研究方法，可以帮助工程师理解边坡的工程行为和各种负荷受力情况。
在此过程中，FLAC3D软件已经得到广泛的应用，它可以通过数值计算法来模拟实际的边坡开挖和加固过程，有效预测边坡的稳定性情况。
在分析边坡稳定性的过程中， FLCA3D模拟技术已经成为一种有效和可靠的工具。
本文旨在通过FLAC3D软件，对大型露天边坡的稳定性进行数值模拟分析，并通过实验结果来探讨边坡稳定性的各种因素和影响，以此作为改进边坡设计和加固方案的依据。
本论文内容分为四个章节，除此外还有引言和结论部分。
在本章中，我们将首先介绍大型露天开采工程中边坡稳定性问题的背景和意义。
其次，我们将对国内外关于边坡稳定性问题的研究进行回顾和评价。
最后，我们将阐明本研究的目的和内容。
首先，随着城市化的加速和工业化的迅速发展，巨型露天开采工程已经成为当今社会的常态。
用ANSYS和FLAC3D软件求解边坡稳定安全系数的比较分析_陈飞
以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志 ,文
献[14 ]认为塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着破坏 ,
塑性区贯通是破坏的必要条件 ,但不是充分条件 ,还要看是
否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移 。综合以上观
点并结合 FLAC3D 程序特点 ,采用静力平衡计算是否收敛作
为边坡是否失稳的评判依据 ,并结合边坡剪应变增量是否贯
边坡稳定分析理论具有十分丰富的内容 。而基于强度 折减的有限元稳定分析方法是目前应用及研究较多的一种 分析方法 。边坡稳定性分析有限元分析一般采用强度折减 法来求得边坡的安全系数 。多年来 ,许多学者致力于这方面 的研究 , Ugai[7] 、Matsui[8] 、Griffiths[9] 、宋二祥[10] 、张鲁渝[11] 、 赵尚毅[12～14 ] 、郑颖人[12～14 ] 、栾茂田[15 ] 等学者在有限元强度 折减法应用方面做了大量的工作 。
第 8 卷第 1 期 2010年2月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering
Vol. 8 No. 1 Feb . , 2 0 1 0
用 ANSYS 和 FLAC3D 软件求解边坡稳定安全系数的比较分析
陈 飞 , 杨诗义 , 王家成 , 别小平
图 5 程序界面图
图 6 未达到移动时的位移云图
图 7 塑性区贯通时的位移云图 如图 6 所示 ,折减系数为 1. 348 ,算法收敛 ,塑性区没有 贯通 。 当折减系数为 1. 349 时 ,算法收敛 ,土坡产生较大位移 , 同时塑性区贯通坡脚至坡顶. 可判断此折减系数下 ,边坡稳 定性急剧下降 ,产生滑动 。根据边坡失稳破坏判据确定土坡 稳定系数 Fs 为 1. 349 。 图 7 可以看出塑性区的分布情况 ,这有助于了解边坡整
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基于FLAC3D数值模拟求解边坡安全系数作者：刘丰
来源：《山东工业技术》2014年第23期
摘要：本文结合鹤大高速公路某段路堑边坡，利用FLAC3D软件模拟模拟岩土边坡，求解该边坡的安全系数，并将分析结果与简化毕肖普条分法分析结果进行比较验证，结果发现利用数值模拟分析可以有效的解决工程复杂等因素的影响，具有很好的适用性。
关键词：强度折减法；边坡安全系数；FLAC3D
0 引言
在公路的设计与建设工程中，岩土边坡的稳定性历来是岩土工程领域的一个热点研究课题，也是公路施工以及维护考虑的重点，公路边坡主要的荷载来源是其自身的重力以及公路的上部的各种荷载，人们通常采用安全系数来评价其稳定性状态。
安全系数是以极限平衡法为基础的一种评价指标，由于其原理简单、物理意义明确，而成为边坡稳定性分析中的重要、关键指标。
1 强度折减法
强度折减法是在边坡刚好达到临界破坏状态的时候，对岩土体的抗剪强度进行折减并达到一定的程度[1]。
边坡的安全系数通常的定义是研究的岩土体实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值[3]。
强度折减法主要是通过公式（1）和（2）来调整岩土体的c和。
在数值模拟分析过程中，通过不断的增加折减系数，并进行反复的计算，知道其达到了临界的破坏，这时的折减系数就是安全系数Fs。
其中：为折减后的内聚力、为折减后的内摩擦角、为折减的系数。
2 数值模拟分析
2.1 工程简介
本文实例分析采用的是鹤大高速公路某段，线位带自东北向西南展布于长白山山脉南部山区腹地，地势总体东北高西南低。
研究区设计带属于湿带大陆性气候，四季分明，气温变幅较大，降水量随季节变化明显。
沿线地层构造属华北地层分区之辽东分区，地层以前震旦纪的混合岩、侵入岩和变质岩为主，山间河谷及其两侧上覆第四纪松散土体。
主要为上更新冲积层，上部岩性具有二元结构，上部为棕黄色、褐色亚砂土、亚粘土，下部为黄褐色、灰白色砂砾石、砾卵石和漂石层。
2.2 模拟网格模型
模拟的边坡坡高为8m，基底土体厚度为3m，边坡 H/B = 1/1，坡角距离左边界2m，坡顶距离至右边界取10m。
在本例的 FLAC 3D 分析中，y 方向只采用一个单元宽度（该方向取为0.5m），并对模型中所有节点的 y 方向速度进行约束，以便等效地进行平面应变分析。
生成模型如图1所示。
选取的土层为粘土，物理力学参数指标如表所示。
2.3 安全系数求解
毕肖普法是分析土质边坡的一种方法，是条分法的一种，该方法在考虑土条的侧面受力的条件下，假定个土条的抗滑安全系数一定，即整个滑动面的平均安全系数。
实际计算中通常采用总应力强度指标，并且不考虑孔隙水压力，假设滑动为圆弧滑动，土条之间只有法向力而无切向力，满足整体力矩平衡，但是不满足各个土条的力矩平衡条件，简化后的毕肖普计算公式为：
由图2安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图可知，颜色较深的部位为潜在的滑动面，这个地方产生了贯通的塑性区和较大的位移。
说明了这个区域附近将发生较大的滑动破坏，即滑坡。
数值模拟计算安全系数为1.49；采用简化毕肖普迭代法，计算所得安全系数为1.55。
两者安全系数比较吻合，说明FLAC3D可用于模拟边坡的模拟分析以及安全系数的计算。
3 结论
（1）对于复杂的边坡，FLAC3D的强度折减法可以有效的进行计算，方便快捷；
（2）进行数值模拟计算边坡系数的时候，不用假设土条或者土体之间的相互作用影响，对于处理破面集合条件复杂，边界条件特殊等有很好的作用；
（3）通过数值模拟后，也以直接得到安全系数以及潜在的滑动面，操作简单快捷，有广泛的。
参考文献：
[1]陈育民，徐鼎平FLAC＼FLAC3D基础与工程实例（第二版）[M].中国水利水电出版社，2009.
[2]刘春明，基于FLAC数值模拟分析某公路边坡稳定性[J].低温建筑技术，2013，（04）.
[3]马苹林，朱明，王建华.有限差分法FLAC在边坡稳定性分析中的应用[J].国矿山工程，2008（05）.
[4]刘波，韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.。