ABAQUS在隧道及地下工程中的应用

本书系统地阐述地下工程数值模拟的基本原理和方法，通过一系列的工程实例，详细介绍ABAQUS在隧道及地下工程设计及施工中的应用，较充分地反映作者及国内外最新研究成果。

本书共分11章，前两章为入门介绍，主要包括ABAQUS基础知识、ABAQUS模块简介、隧道及地下工程的设计施工方法；第3～8章介绍采用有限元法进行隧道及地下工程设计和施工过程力学分析的基本原理，给出采用ABAQUS软件进行隧道及地下工程数值模拟的工程实例，包括隧道施工工法优化、盾构隧道施工过程模拟、分岔隧道围岩稳定性计算、考虑渗流－应力耦合效应的隧道稳定性分析、隧道支护结构可靠性评价及深部岩体围岩稳定性分析；为了帮助二次开发，最后三章介绍ABAQUS软件二次开发的基本原理及使用方法，详细介绍如何使用用户子程序，包括常用用户子程序、用户子程序UMAT接口原理、用户材料子程序UMAT二次开发、岩土参数敏感性分析及岩土工程反演模型的数值实现。

本书主要立足于实际工程应用，将ABAQUS相关模拟功能和隧道及地下工程中的具体研究对象结合起来，背景性较强，属于ABAQUS软件分析的高级篇。

本书体系合理、内容丰富全面，深入浅出，实用性强，可供土木工程、岩土与隧道工程、地质工程、水利工程、石油工程的专业人员使用，还可作为以上专业研究生的教学参考书。

  ABAQUS是国际上最先进的大型非线性有限元计算分析软件之一，具有强健的非线性计算功能，拥有大量材料模型、单元模型和分析过程等。ABAQUS软件在我国的土木工程、地矿、水利、石油、核工业等领域得到了广泛的应用，为各领域的工程设计、安全评价及科学研究做出了很大的贡献。随着计算机硬件和软件的飞速发展，该软件在不断改进，应用范围也在不断扩展。

  本书共分11章，前两章为入门介绍，主要包括ABAQUS基础知识、ABAQUS模块简介、隧道及地下工程的设计施工方法；第3～8章介绍采用有限元法进行隧道及地下工程设计和施工过程力学分析的基本原理，给出采用ABAQUS软件进行隧道及地下工程数值模拟的工程实例，包括隧道施工工法优化、盾构隧道施工过程模拟、分岔隧道围岩稳定性计算、考虑渗流－应力耦合效应的隧道稳定性分析、隧道支护结构可靠性评价及深部岩体围岩稳定性分析；为了使广大用户更好地使用软件的二次开发功能，最后三章介绍ABAQUS软件二次开发的基本原理及使用方法，详细介绍如何使用用户子程序及其二次开发，包括常用用户子程序、用户子程序UMAT接口原理、用户材料子程序UMAT二次开发、岩土参数敏感性分析及岩土工程反演模型的数值实现。

本书特色

? 本书的实例均来自科学研究和工程实践，很多实例读者稍微修改就能解决相关工程中类似的科研和工程问题。

? 针对该软件在具体使用方面的不足，详细介绍如何使用用户子程序及其二次开发，满足工程需要。

? 针对岩土介质损伤、渗流－应力耦合、可靠度计算、参数反演等复杂力学问题进行阐述，涵盖地下工程的众多方面，使读者都能在本书中找到复杂力学问题计算的参考。

? 主要针对ABAQUS在具体工程的数值实现，可学性非常强，有较大的实用价值。本书主要面向ABAQUS的中高级用户。

适合的读者对象

本书适合土木工程、岩土与隧道工程、地质工程、水利工程、石油工程的专业人员使用，还可作为以上专业研究生的教学参考书。

本书分工与致谢

  本书是中国科学院武汉岩土力学研究所施工过程力学组的近几年的集体研究成果。中国科学院武汉岩土力学研究所陈卫忠研究员负责全面工作，并统筹全稿。全书各章分工如下：第1、2、3、5、7、8章由伍国军博士执笔；第4、6、9、10、11章由贾善坡博士执笔；杨建平博士为本书第3章的编写作了奠定性的工作。戴永浩博士、于洪丹博士、谭贤君博士、黄胜博士以及课题组曹俊杰、田洪铭、陈培帅、杨阜东、耿亚梅、王辉、赵武胜以及铁道部第四设计院的陈立保高工和长江科学院的张计高工等为本书的出版做了大量工作。参与本书工作的还包括陈鲲、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳、杜英、王晓、余松、夏慧军、陶林、许志清、赵会春、王斌、万雷、张强林、张赛桥等，在此深表感谢。

  与此同时，本书的出版还要感谢以下基金的支持：“软弱岩体多场耦合与长期强度特性研究国家自然科学基金”（重大国际合作项目）、“地下工程软岩非线性流变机理及长期稳定性研究”（国家自然科学基金）、973项目“能源储备地下库群灾变机理与防护理论研究”。

  最后，需要特别指出的是：本书在编写过程中学习和借鉴了中国仿真论坛ABAQUS版的诸多网友的研究成果，这些成果丰富了本书的内容，本书的附录部分即是学习和借鉴上述成果的结晶，在此对不知实名的各位网友表示诚挚的谢意。

  由于时间有限，作者水平有限以及伴随计算机的飞速发展，书中疏漏和不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

前言
 
第1章  隧道工程与ABAQUS分析 1
1.1  隧道的基本概念及工程概述 1
1.2  隧道的种类及其作用 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  矿山隧道 4
1.3  隧道及地下工程的有限元分析 4
1.4  ABAQUS基础知识简介 5
1.4.1  ABAQUS各模块简介 6
1.4.2  ABAQUS分析过程 7
1.4.3  ABAQUS/CAE简介 8
1.4.4  ABAQUS输入文件简介 12
1.4.5  ABAQUS帮助文档 16
1.4.6  ABAQUS模型导入导出功能 17
1.5  本章小结 20
第2章  隧道的围岩分级及其计算模型 21
2.1  隧道围岩分级及其应用 21
2.1.1  以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 22
2.1.2  以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 24
2.1.3  与地质勘探手段相联系的分级方法 25
2.1.4  以多种因素进行组合的分级方法 26
2.1.5  以工程对象为代表的分级法 27
2.1.6  我国现行铁路隧道围岩分级 27
2.2  计算模型 30
2.2.1  常用的设计模型 30
2.2.2  载荷－结构计算模型 32
2.2.3  地层－结构计算模型 33
2.2.4  ABAQUS在隧道计算模型中的应用 33
2.3  本章小结 52
第3章  ABAQUS在隧道中的应用——施工工法优化 53
3.1  概述 53
3.2  新奥法 54
3.2.1  隧道施工应遵循的基本原则 54
3.2.2  新奥法的分类及施工工序 55
3.2.3  开挖方法 55
3.3  ABAQUS的数值模拟方法 60
3.4  隧道施工工法优化研究 60
3.4.1  Ⅴ级围岩 61
3.4.2  Ⅳ级围岩 68
3.4.3  Ⅲ级围岩 74
3.4.4  Ⅱ级围岩 81
3.5  本章小结 86
第4章  隧道盾构施工方法及其应用 87
4.1  盾构施工方法简介 87
4.2  盾构隧道施工过程的有限元模拟方法 89
4.2.1  盾构法隧道的施工过程 89
4.2.2  盾构隧道施工过程的模拟方法 90
4.3  反映施工质量的等代层模型 90
4.4  盾构法施工的非线性有限元模型 91
4.4.1  材料性态的模拟 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  工程概况 94
4.5.2  计算参数 97
4.5.3  初始条件和边界条件的定义 98
4.6  施工过程描述 99
4.7  计算结果分析 107
4.7.1  掘进过程中围岩稳定性分析 113
4.7.2  不同施工质量下围岩稳定性分析 118
4.8  本章小结 124
第5章  分岔隧道稳定性分析 126
5.1  分岔式隧道简介 126
5.2  ABAQUS的模拟方法 128
5.2.1  地应力平衡 128
5.2.2  喷锚支护 129
5.2.3  多步骤开挖 132
5.3  大拱段稳定性计算 133
5.3.1  大拱段平面计算 133
5.3.2  大拱段三维计算 151
5.3.3  大拱段结果分析 159
5.4  连拱段 159
5.4.1  连拱段平面计算 160
5.4.2  连拱段三维计算 175
5.4.3  连拱段小结 196
5.5  小间距拱段 197
5.5.1  小间距拱段平面计算 197
5.5.2  小间距拱段三维计算 209
5.5.3  小间距段小结 226
5.6  本章小结 227
第6章  地下工程渗流场和应力场耦合分析 228
6.1  岩土介质渗流－应力耦合理论 228
6.1.1  渗流－应力相互耦合的力学机理 228
6.1.2  多孔介质中流体渗流规律 229
6.1.3  孔隙介质的有效应力原理 232
6.1.4  应力平衡方程和渗流连续方程 232
6.1.5  有限元离散 234
6.2  岩土介质渗透性演化模型 235
6.2.1  渗透系数与孔隙度的关系 235
6.2.2  渗透系数与应力之间的关系 235
6.2.3  渗透系数与应变之间的关系 236
6.2.4  渗透系数与损伤之间的关系 238
6.3  ABAQUS渗流－应力耦合相关命令介绍 240
6.3.1  ABAQUS渗流和变形的耦合分析 240
6.3.2  相关命令介绍 242
6.4  低渗透介质非排水卸载数值仿真分析 247
6.4.1  模型描述 247
6.4.2  总应力分析法 249
6.4.3  有效应力分析法 254
6.5  地下洞室开挖过程模拟 261
6.5.1  模型描述 262
6.5.2  施工过程描述 270
6.5.3  计算结果分析 271
6.6  油气储层注采过程模拟 275
6.6.1  模型描述 276
6.6.2  计算过程描述 279
6.6.3  计算结果分析 282
6.7  隧道围岩开挖扰动区数值模拟 285
6.7.1  岩体渗透系数与塑性损伤之间的
关系 285
6.7.2  模型描述 287
6.7.3  计算结果分析 293
6.8  本章小结 300
第7章  隧道支护结构可靠性研究 301
7.1  结构可靠性基本原理 301
7.2  可靠指标的计算方法 304
7.2.1  哈－林（H-L）法 305
7.2.2  非正态变量的等效正态化（JC法）及修正JC法 305
7.2.3  分位值法 308
7.2.4  蒙特卡罗法（Monte-Carlomethod） 310
7.2.5  响应面法 310
7.2.6  程序的编制 311
7.3  ABAQUS可靠性分析 312
7.4  公路隧道衬砌结构可靠性计算 314
7.4.1  Ⅴ级围岩 319
7.4.2  Ⅳ级围岩 328
7.4.3  Ⅲ级围岩 334
7.5  本章小结 340
第8章  深部岩体工程分析 341
8.1  深部岩体工程简介 341
8.2  ABAQUS数值模拟功能 342
8.2.1  损伤 342
8.2.2  非线性蠕变岩体本构关系 343
8.2.3  考虑渗流的岩体本构关系 346
8.3  储气库的计算分析 348
8.3.1  流变本构模型 348
8.3.2  储气库的长期稳定性分析 348
8.4  深埋引水隧洞的稳定性分析 363
8.4.1  裂隙岩体应力渗流耦合本构模型 364
8.4.2  锦屏二级引水隧洞稳定性分析 366
8.5  本章小结 378
第9章  ABAQUS二次开发基础 379
9.1  ABAQUS二次开发概述 379
9.2  ABAQUS用户子程序接口 380
9.3  ABAQUS用户子程序 381
9.3.1  用户子程序分类 381
9.3.2  常用用户子程序简介 382
9.4  应用举例 394
9.4.1  初始地应力场的定义 394
9.4.2  围岩蠕变分析 400
9.5  本章小结 405
第10章  ABAQUS用户材料子程序二次开发及应用 406
10.1  ABAQUS材料模型库和单元库简介 406
10.1.1  ABAQUS材料库 406
10.1.2  ABAQUS单元库 407
10.2  用户子程序UMAT接口原理 407
10.3  本构积分算法 410
10.4  ABAQUS对于材料非线性问题的处理 412
10.5  UMAT材料子程序实现及应用 414
10.5.1  修正Mohr-Coulomb模型 415
10.5.2  屈服函数和势函数的求导 418
10.5.3  UMAT的FORTRAN程序 420
10.6  D-P模型与M-C模型参数之间的关系 436
10.7  算例分析 439
10.7.1  模型描述 439
10.7.2  常规三轴压缩试验 443
10.7.3  拉伸试验 445
10.8  本章小结 446
第11章  岩土工程反演理论及其在ABAQUS中的实现 447
11.1  岩土工程反分析方法简介 447
11.1.1  反分析的概念与原理 447
11.1.2  反分析的发展现状 449
11.2  岩土介质参数敏感性分析方法 451
11.2.1  岩土力学参数反演中的灵敏度理论 452
11.2.2  基于灰色关联法的岩土参数识别及灵敏度计算 455
11.2.3  基于非参数统计的参数敏感性分析法 456
11.3  岩土工程常用反演模型 457
11.3.1  地应力场反演模型 458
11.3.2  位移反演模型 461
11.3.3  渗流场反演模型 462
11.4  工程优化算法介绍 463
11.4.1  回归分析方法 463
11.4.2  正交设计方法 466
11.4.3  遗传算法 467
11.5  考虑渗流－应力耦合效应的岩土参数敏感性分析 470
11.5.1  工程概况 470
11.5.2  有限元模型 471
11.5.3  计算参数 474
11.5.4  计算条件 476
11.5.5  计算结果分析 477
11.6  基于遗传算法的岩土力学参数反演分析 481
11.6.1  工程概况 481
11.6.2  反演方法的实现 481
11.6.3  反演分析条件 483
11.6.4  反演结果分析 483
11.7  构造应力场反演算例验证 484
11.7.1  模型描述 484
11.7.2  反演条件 487
11.7.3  反演结果分析 488
11.8  本章小结 489
附录A  地下工程常用指令小结 490
附录B  ABAQUS的相关约定 503
附录C  ABAQUS中对应力应变的部分理解 512
参考文献 514

1. 隧道及地下工程FLAC解析方法 [李围 编著]
2. ABAQUS在岩土工程中的应用 [费康 张建伟 编著]
3. 隧道及地下工程ANSYS实例分析 [李围 等编著]
4. ABAQUS 6.6基础教程与实例详解 [刘展 主编]