ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地闡述地下工程數(shù)值模擬的基本原理和方法，通過(guò)一系列的工程實(shí)例，詳細(xì)介紹ABAQUS在隧道及地下工程設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用，較充分地反映作者及國(guó)內(nèi)外最新研究成果。

本書共分11章，前兩章為入門介紹，主要包括ABAQUS基礎(chǔ)知識(shí)、ABAQUS模塊簡(jiǎn)介、隧道及地下工程的設(shè)計(jì)施工方法；第3～8章介紹采用有限元法進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程力學(xué)分析的基本原理，給出采用ABAQUS軟件進(jìn)行隧道及地下工程數(shù)值模擬的工程實(shí)例，包括隧道施工工法優(yōu)化、盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬、分岔隧道圍巖穩(wěn)定性計(jì)算、考慮滲流－應(yīng)力耦合效應(yīng)的隧道穩(wěn)定性分析、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)及深部巖體圍巖穩(wěn)定性分析；為了幫助二次開發(fā)，最后三章介紹ABAQUS軟件二次開發(fā)的基本原理及使用方法，詳細(xì)介紹如何使用用戶子程序，包括常用用戶子程序、用戶子程序UMAT接口原理、用戶材料子程序UMAT二次開發(fā)、巖土參數(shù)敏感性分析及巖土工程反演模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)。

本書主要立足于實(shí)際工程應(yīng)用，將ABAQUS相關(guān)模擬功能和隧道及地下工程中的具體研究對(duì)象結(jié)合起來(lái)，背景性較強(qiáng)，屬于ABAQUS軟件分析的高級(jí)篇。

本書體系合理、內(nèi)容豐富全面，深入淺出，實(shí)用性強(qiáng)，可供土木工程、巖土與隧道工程、地質(zhì)工程、水利工程、石油工程的專業(yè)人員使用，還可作為以上專業(yè)研究生的教學(xué)參考書。

  ABAQUS是國(guó)際上最先進(jìn)的大型非線性有限元計(jì)算分析軟件之一，具有強(qiáng)健的非線性計(jì)算功能，擁有大量材料模型、單元模型和分析過(guò)程等。ABAQUS軟件在我國(guó)的土木工程、地礦、水利、石油、核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為各領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)及科學(xué)研究做出了很大的貢獻(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的飛速發(fā)展，該軟件在不斷改進(jìn)，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展。

  本書共分11章，前兩章為入門介紹，主要包括ABAQUS基礎(chǔ)知識(shí)、ABAQUS模塊簡(jiǎn)介、隧道及地下工程的設(shè)計(jì)施工方法；第3～8章介紹采用有限元法進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程力學(xué)分析的基本原理，給出采用ABAQUS軟件進(jìn)行隧道及地下工程數(shù)值模擬的工程實(shí)例，包括隧道施工工法優(yōu)化、盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬、分岔隧道圍巖穩(wěn)定性計(jì)算、考慮滲流－應(yīng)力耦合效應(yīng)的隧道穩(wěn)定性分析、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)及深部巖體圍巖穩(wěn)定性分析；為了使廣大用戶更好地使用軟件的二次開發(fā)功能，最后三章介紹ABAQUS軟件二次開發(fā)的基本原理及使用方法，詳細(xì)介紹如何使用用戶子程序及其二次開發(fā)，包括常用用戶子程序、用戶子程序UMAT接口原理、用戶材料子程序UMAT二次開發(fā)、巖土參數(shù)敏感性分析及巖土工程反演模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)。

本書特色

? 本書的實(shí)例均來(lái)自科學(xué)研究和工程實(shí)踐，很多實(shí)例讀者稍微修改就能解決相關(guān)工程中類似的科研和工程問(wèn)題。

? 針對(duì)該軟件在具體使用方面的不足，詳細(xì)介紹如何使用用戶子程序及其二次開發(fā)，滿足工程需要。

? 針對(duì)巖土介質(zhì)損傷、滲流－應(yīng)力耦合、可靠度計(jì)算、參數(shù)反演等復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行闡述，涵蓋地下工程的眾多方面，使讀者都能在本書中找到復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題計(jì)算的參考。

? 主要針對(duì)ABAQUS在具體工程的數(shù)值實(shí)現(xiàn)，可學(xué)性非常強(qiáng)，有較大的實(shí)用價(jià)值。本書主要面向ABAQUS的中高級(jí)用戶。

適合的讀者對(duì)象

本書適合土木工程、巖土與隧道工程、地質(zhì)工程、水利工程、石油工程的專業(yè)人員使用，還可作為以上專業(yè)研究生的教學(xué)參考書。

本書分工與致謝

  本書是中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所施工過(guò)程力學(xué)組的近幾年的集體研究成果。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所陳衛(wèi)忠研究員負(fù)責(zé)全面工作，并統(tǒng)籌全稿。全書各章分工如下：第1、2、3、5、7、8章由伍國(guó)軍博士執(zhí)筆；第4、6、9、10、11章由賈善坡博士執(zhí)筆；楊建平博士為本書第3章的編寫作了奠定性的工作。戴永浩博士、于洪丹博士、譚賢君博士、黃勝博士以及課題組曹俊杰、田洪銘、陳培帥、楊阜東、耿亞梅、王輝、趙武勝以及鐵道部第四設(shè)計(jì)院的陳立保高工和長(zhǎng)江科學(xué)院的張計(jì)高工等為本書的出版做了大量工作。參與本書工作的還包括陳鯤、李曉寧、丁佳、虞志勇、吳艷、杜英、王曉、余松、夏慧軍、陶林、許志清、趙會(huì)春、王斌、萬(wàn)雷、張強(qiáng)林、張賽橋等，在此深表感謝。

  與此同時(shí)，本書的出版還要感謝以下基金的支持：“軟弱巖體多場(chǎng)耦合與長(zhǎng)期強(qiáng)度特性研究國(guó)家自然科學(xué)基金”（重大國(guó)際合作項(xiàng)目）、“地下工程軟巖非線性流變機(jī)理及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究”（國(guó)家自然科學(xué)基金）、973項(xiàng)目“能源儲(chǔ)備地下庫(kù)群災(zāi)變機(jī)理與防護(hù)理論研究”。

  最后，需要特別指出的是：本書在編寫過(guò)程中學(xué)習(xí)和借鑒了中國(guó)仿真論壇ABAQUS版的諸多網(wǎng)友的研究成果，這些成果豐富了本書的內(nèi)容，本書的附錄部分即是學(xué)習(xí)和借鑒上述成果的結(jié)晶，在此對(duì)不知實(shí)名的各位網(wǎng)友表示誠(chéng)摯的謝意。

  由于時(shí)間有限，作者水平有限以及伴隨計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，書中疏漏和不妥之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

前言
 
第1章  隧道工程與ABAQUS分析 1
1.1  隧道的基本概念及工程概述 1
1.2  隧道的種類及其作用 2
1.2.1  交通隧道 2
1.2.2  水工隧道 3
1.2.3  市政隧道 3
1.2.4  礦山隧道 4
1.3  隧道及地下工程的有限元分析 4
1.4  ABAQUS基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介 5
1.4.1  ABAQUS各模塊簡(jiǎn)介 6
1.4.2  ABAQUS分析過(guò)程 7
1.4.3  ABAQUS/CAE簡(jiǎn)介 8
1.4.4  ABAQUS輸入文件簡(jiǎn)介 12
1.4.5  ABAQUS幫助文檔 16
1.4.6  ABAQUS模型導(dǎo)入導(dǎo)出功能 17
1.5  本章小結(jié) 20
第2章  隧道的圍巖分級(jí)及其計(jì)算模型 21
2.1  隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用 21
2.1.1  以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級(jí)方法 22
2.1.2  以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級(jí)方法 24
2.1.3  與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法 25
2.1.4  以多種因素進(jìn)行組合的分級(jí)方法 26
2.1.5  以工程對(duì)象為代表的分級(jí)法 27
2.1.6  我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級(jí) 27
2.2  計(jì)算模型 30
2.2.1  常用的設(shè)計(jì)模型 30
2.2.2  載荷－結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 32
2.2.3  地層－結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 33
2.2.4  ABAQUS在隧道計(jì)算模型中的應(yīng)用 33
2.3  本章小結(jié) 52
第3章  ABAQUS在隧道中的應(yīng)用——施工工法優(yōu)化 53
3.1  概述 53
3.2  新奧法 54
3.2.1  隧道施工應(yīng)遵循的基本原則 54
3.2.2  新奧法的分類及施工工序 55
3.2.3  開挖方法 55
3.3  ABAQUS的數(shù)值模擬方法 60
3.4  隧道施工工法優(yōu)化研究 60
3.4.1  Ⅴ級(jí)圍巖 61
3.4.2  Ⅳ級(jí)圍巖 68
3.4.3  Ⅲ級(jí)圍巖 74
3.4.4  Ⅱ級(jí)圍巖 81
3.5  本章小結(jié) 86
第4章  隧道盾構(gòu)施工方法及其應(yīng)用 87
4.1  盾構(gòu)施工方法簡(jiǎn)介 87
4.2  盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的有限元模擬方法 89
4.2.1  盾構(gòu)法隧道的施工過(guò)程 89
4.2.2  盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的模擬方法 90
4.3  反映施工質(zhì)量的等代層模型 90
4.4  盾構(gòu)法施工的非線性有限元模型 91
4.4.1  材料性態(tài)的模擬 91
4.4.2  有限元控制方程 92
4.5  工程概述及有限元模型的建立 94
4.5.1  工程概況 94
4.5.2  計(jì)算參數(shù) 97
4.5.3  初始條件和邊界條件的定義 98
4.6  施工過(guò)程描述 99
4.7  計(jì)算結(jié)果分析 107
4.7.1  掘進(jìn)過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性分析 113
4.7.2  不同施工質(zhì)量下圍巖穩(wěn)定性分析 118
4.8  本章小結(jié) 124
第5章  分岔隧道穩(wěn)定性分析 126
5.1  分岔式隧道簡(jiǎn)介 126
5.2  ABAQUS的模擬方法 128
5.2.1  地應(yīng)力平衡 128
5.2.2  噴錨支護(hù) 129
5.2.3  多步驟開挖 132
5.3  大拱段穩(wěn)定性計(jì)算 133
5.3.1  大拱段平面計(jì)算 133
5.3.2  大拱段三維計(jì)算 151
5.3.3  大拱段結(jié)果分析 159
5.4  連拱段 159
5.4.1  連拱段平面計(jì)算 160
5.4.2  連拱段三維計(jì)算 175
5.4.3  連拱段小結(jié) 196
5.5  小間距拱段 197
5.5.1  小間距拱段平面計(jì)算 197
5.5.2  小間距拱段三維計(jì)算 209
5.5.3  小間距段小結(jié) 226
5.6  本章小結(jié) 227
第6章  地下工程滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析 228
6.1  巖土介質(zhì)滲流－應(yīng)力耦合理論 228
6.1.1  滲流－應(yīng)力相互耦合的力學(xué)機(jī)理 228
6.1.2  多孔介質(zhì)中流體滲流規(guī)律 229
6.1.3  孔隙介質(zhì)的有效應(yīng)力原理 232
6.1.4  應(yīng)力平衡方程和滲流連續(xù)方程 232
6.1.5  有限元離散 234
6.2  巖土介質(zhì)滲透性演化模型 235
6.2.1  滲透系數(shù)與孔隙度的關(guān)系 235
6.2.2  滲透系數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系 235
6.2.3  滲透系數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系 236
6.2.4  滲透系數(shù)與損傷之間的關(guān)系 238
6.3  ABAQUS滲流－應(yīng)力耦合相關(guān)命令介紹 240
6.3.1  ABAQUS滲流和變形的耦合分析 240
6.3.2  相關(guān)命令介紹 242
6.4  低滲透介質(zhì)非排水卸載數(shù)值仿真分析 247
6.4.1  模型描述 247
6.4.2  總應(yīng)力分析法 249
6.4.3  有效應(yīng)力分析法 254
6.5  地下洞室開挖過(guò)程模擬 261
6.5.1  模型描述 262
6.5.2  施工過(guò)程描述 270
6.5.3  計(jì)算結(jié)果分析 271
6.6  油氣儲(chǔ)層注采過(guò)程模擬 275
6.6.1  模型描述 276
6.6.2  計(jì)算過(guò)程描述 279
6.6.3  計(jì)算結(jié)果分析 282
6.7  隧道圍巖開挖擾動(dòng)區(qū)數(shù)值模擬 285
6.7.1  巖體滲透系數(shù)與塑性損傷之間的
關(guān)系 285
6.7.2  模型描述 287
6.7.3  計(jì)算結(jié)果分析 293
6.8  本章小結(jié) 300
第7章  隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性研究 301
7.1  結(jié)構(gòu)可靠性基本原理 301
7.2  可靠指標(biāo)的計(jì)算方法 304
7.2.1  哈－林（H-L）法 305
7.2.2  非正態(tài)變量的等效正態(tài)化（JC法）及修正JC法 305
7.2.3  分位值法 308
7.2.4  蒙特卡羅法（Monte-Carlomethod） 310
7.2.5  響應(yīng)面法 310
7.2.6  程序的編制 311
7.3  ABAQUS可靠性分析 312
7.4  公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算 314
7.4.1  Ⅴ級(jí)圍巖 319
7.4.2  Ⅳ級(jí)圍巖 328
7.4.3  Ⅲ級(jí)圍巖 334
7.5  本章小結(jié) 340
第8章  深部巖體工程分析 341
8.1  深部巖體工程簡(jiǎn)介 341
8.2  ABAQUS數(shù)值模擬功能 342
8.2.1  損傷 342
8.2.2  非線性蠕變巖體本構(gòu)關(guān)系 343
8.2.3  考慮滲流的巖體本構(gòu)關(guān)系 346
8.3  儲(chǔ)氣庫(kù)的計(jì)算分析 348
8.3.1  流變本構(gòu)模型 348
8.3.2  儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析 348
8.4  深埋引水隧洞的穩(wěn)定性分析 363
8.4.1  裂隙巖體應(yīng)力滲流耦合本構(gòu)模型 364
8.4.2  錦屏二級(jí)引水隧洞穩(wěn)定性分析 366
8.5  本章小結(jié) 378
第9章  ABAQUS二次開發(fā)基礎(chǔ) 379
9.1  ABAQUS二次開發(fā)概述 379
9.2  ABAQUS用戶子程序接口 380
9.3  ABAQUS用戶子程序 381
9.3.1  用戶子程序分類 381
9.3.2  常用用戶子程序簡(jiǎn)介 382
9.4  應(yīng)用舉例 394
9.4.1  初始地應(yīng)力場(chǎng)的定義 394
9.4.2  圍巖蠕變分析 400
9.5  本章小結(jié) 405
第10章  ABAQUS用戶材料子程序二次開發(fā)及應(yīng)用 406
10.1  ABAQUS材料模型庫(kù)和單元庫(kù)簡(jiǎn)介 406
10.1.1  ABAQUS材料庫(kù) 406
10.1.2  ABAQUS單元庫(kù) 407
10.2  用戶子程序UMAT接口原理 407
10.3  本構(gòu)積分算法 410
10.4  ABAQUS對(duì)于材料非線性問(wèn)題的處理 412
10.5  UMAT材料子程序?qū)崿F(xiàn)及應(yīng)用 414
10.5.1  修正Mohr-Coulomb模型 415
10.5.2  屈服函數(shù)和勢(shì)函數(shù)的求導(dǎo) 418
10.5.3  UMAT的FORTRAN程序 420
10.6  D-P模型與M-C模型參數(shù)之間的關(guān)系 436
10.7  算例分析 439
10.7.1  模型描述 439
10.7.2  常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn) 443
10.7.3  拉伸試驗(yàn) 445
10.8  本章小結(jié) 446
第11章  巖土工程反演理論及其在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn) 447
11.1  巖土工程反分析方法簡(jiǎn)介 447
11.1.1  反分析的概念與原理 447
11.1.2  反分析的發(fā)展現(xiàn)狀 449
11.2  巖土介質(zhì)參數(shù)敏感性分析方法 451
11.2.1  巖土力學(xué)參數(shù)反演中的靈敏度理論 452
11.2.2  基于灰色關(guān)聯(lián)法的巖土參數(shù)識(shí)別及靈敏度計(jì)算 455
11.2.3  基于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的參數(shù)敏感性分析法 456
11.3  巖土工程常用反演模型 457
11.3.1  地應(yīng)力場(chǎng)反演模型 458
11.3.2  位移反演模型 461
11.3.3  滲流場(chǎng)反演模型 462
11.4  工程優(yōu)化算法介紹 463
11.4.1  回歸分析方法 463
11.4.2  正交設(shè)計(jì)方法 466
11.4.3  遺傳算法 467
11.5  考慮滲流－應(yīng)力耦合效應(yīng)的巖土參數(shù)敏感性分析 470
11.5.1  工程概況 470
11.5.2  有限元模型 471
11.5.3  計(jì)算參數(shù) 474
11.5.4  計(jì)算條件 476
11.5.5  計(jì)算結(jié)果分析 477
11.6  基于遺傳算法的巖土力學(xué)參數(shù)反演分析 481
11.6.1  工程概況 481
11.6.2  反演方法的實(shí)現(xiàn) 481
11.6.3  反演分析條件 483
11.6.4  反演結(jié)果分析 483
11.7  構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演算例驗(yàn)證 484
11.7.1  模型描述 484
11.7.2  反演條件 487
11.7.3  反演結(jié)果分析 488
11.8  本章小結(jié) 489
附錄A  地下工程常用指令小結(jié) 490
附錄B  ABAQUS的相關(guān)約定 503
附錄C  ABAQUS中對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的部分理解 512
參考文獻(xiàn) 514

1. 隧道及地下工程FLAC解析方法 [李圍 編著]
2. ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用 [費(fèi)康 張建偉 編著]
3. 隧道及地下工程ANSYS實(shí)例分析 [李圍 等編著]
4. ABAQUS 6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解 [劉展 主編]