ABAQUS在岩土工程中的应用

 ABAQUS是国际上功能最强的大型通用有限元软件之一，拥有能够真实反映土体性状的本构模型，能够进行有效应力和孔压的计算，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象，具备处理填土或开挖等岩土工程中的特定问题的能力，可以灵活、准确地建立初始应力状态，对岩土工程有很强的适用性。

 本书结合一系列应用实例，系统地介绍了ABAQUS软件用于岩土工程数值分析的功能和方法。全书分为两大部分共16章，即入门篇（第1～5章）和应用篇（第6～16章）。入门篇主要介绍软件的功能、岩土工程中常用的单元、本构关系和接触面理论等基本知识，通过阅读这些章节，读者可以达到快速入门的目的。应用篇中首先详细介绍用户子程序的编写注意事项和编写过程，然后通过岩土工程应用实例，对模型建立、问题求解和结果后处理中需考虑的关键问题进行讨论，通过这部分的学习，读者可以掌握用户自定义材料和单元的二次开发、土体固结沉降分析、非饱和渗流与流固耦合分析、基桩低应变检测的数值模拟、桩基承载力分析、岩土开挖问题求解、岩土贯入问题求解、土石坝静力与动力分析和边坡稳定性分析等内容。

本书特色

? 注重岩土工程原理的讲解，更注重对实际问题的ABAQUS求解，使读者能够知其然，更知其所以然。

? 案例丰富，而且都是源自于科研和工程分析一线的实例，通过工程实例的学习，可以快速融入到应用情境，学习效率更高。

? 注重对结果的解读，因为这是能否用好有限元软件来进行分析的精华所在。

? 涵盖了岩土工程分析的各个方面，大部分读者都能在本书中找到问题的参考求解方案。

? 免费提供书中所有章节涉及到的cae文件、inp文件及用户子程序for文件，免去输入代码的烦琐。

适合的读者对象

本书适合岩土工程、水利工程、结构工程等领域高校教师、工程技术人员和研究生阅读，也可作为岩土工程专业土工数值分析课程的参考教材。

本书分工

 全书编写分工如下：全书章节安排及统稿由费康负责，第1、6、7、8、9、11、13、14、15、16章由费康执笔，第2、3、4、5、12章由张建伟执笔，第10章由彭劼执笔。河海大学岩土工程研究所陈育民博士为本书的完成提供了大力支持和帮助，在此深表感谢。参与本书工作的还包括：王斌、万雷、张强林、张赛桥、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、赵会春等。

需要指出，本书力求详尽地解释利用ABAQUS软件进行岩土工程数值分析的步骤及需考虑的关键因素，并提供所有实例的模型文件和用户子程序文件，但由于时间仓促，作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指正。若有问题请发邮件到sharepub@126.com联系。

序
前言
 
第1章  ABAQUS的功能与特点 1
1.1  认识ABAQUS 1
1.1.1  ABAQUS软件产品 1
1.1.2  ABAQUS产品的主要功能 2
1.1.3  ABAQUS在岩土工程中的适用性 4
1.2  ABAQUS基础 4
1.2.1  ABAQUS的文件格式 4
1.2.2  ABAQUS的一些基本约定 6
1.2.3  ABAQUS的运行命令 7
1.2.4  ABAQUS/CAE基础 9
1.2.5  ABAQUS的任务inp输入文件构成 13
1.3  本章小结 15
第2章  ABAQUS快速入门 16
2.1  ABAQUS/CAE的功能模块 16
2.1.1  Part（部件）模块 16
2.1.2  Property（性质）模块 18
2.1.3  Assembly（装配）模块 20
2.1.4  Step（分析步）模块 21
2.1.5  Interaction（相互作用）模块 23
2.1.6  Load（载荷）模块 24
2.1.7  Mesh（网格）模块 25
2.1.8  Job（任务）模块 29
2.1.9  Visualization（可视化或后处理）模块 30
2.1.10  Sketch（草图）模块 31
2.2  ABAQUS/CAE应用实例 32
2.2.1  问题的描述 32
2.2.2  创建部件 33
2.2.3  设置创建材料和截面特性 34
2.2.4  装配部件 36
2.2.5  定义分析步 37
2.2.6  定义载荷和边界条件 37
2.2.7  划分网格 39
2.2.8  提交任务 39
2.2.9  后处理 39
2.2.10  退出ABAQUS/CAE 41
2.3  本章小结 41
第3章  岩土工程中常用的单元 42
3.1  单元的特征 42
3.1.1  单元族 42
3.1.2  自由度 43
3.1.3  节点数目 43
3.1.4  数学公式 44
3.1.5  积分 44
3.2  岩土工程常用的单元 44
3.2.1  实体（连续体）单元 44
3.2.2  梁单元 49
3.2.3  杆单元 52
3.2.4  孔压单元 53
3.2.5  无限元 53
3.2.6  管土相互作用单元 57
本章小结 60
第4章  岩土工程中常用的本构模型 61
4.1  应力状态的描述 61
4.1.1  应力张量 61
4.1.2  应力张量的分解 61
4.1.3  应力张量不变量和偏应力不变量 62
4.1.4  应力空间 62
4.2  弹性模型 62
4.2.1  线弹性模型 62
4.2.2  多孔介质弹性模型 65
4.3  塑性模型 67
4.3.1  Mohr-Coulomb（摩尔库仑）模型 67
4.3.2  扩展的Drucker-Prager模型 70
4.3.3  修正Drucker-Prager帽盖模型 77
4.3.4  临界状态塑性模型（Critical state plasticity model） 81
4.4  算例分析 83
4.4.1  采用不考虑剪胀的Mohr-Coulomb模型 83
4.4.2  考虑剪胀的分析 87
4.4.3  考虑初始应力的分析 87
4.5  本章小结 88
第5章  接触面理论及应用 89
5.1  接触对 89
5.1.1  基本特性 89
5.1.2  接触对定义中的关键问题 89
5.1.3  接触对的定义方法 92
5.2  接触面相互作用力学模型 94
5.2.1  接触面的法向模型 94
5.2.2  接触面的摩擦模型 95
5.2.3  接触面的计算输出结果 96
5.2.4  接触面力学模型定义方法 97
5.3  接触面模拟中可能遇到的问题 100
5.3.1  接触面的初始相对位置 100
5.3.2  正确定义表面 101
5.3.3  避免迭代次数过多 102
5.3.4  避免过约束（Overconstraints） 103
5.4  算例分析 103
5.4.1  问题的描述 103
5.4.2  创建部件 103
5.4.3  设置材料和截面属性 104
5.4.4  装配部件 105
5.4.5  定义分析步 105
5.4.6  定义接触 105
5.4.7  定义载荷、边界条件 106
5.4.8  划分网格 106
5.4.9  提交任务 107
5.4.10  结果处理 107
5.5  本章小结 110
第6章  用户子程序 111
6.1  用户子程序总体介绍 111
6.1.1  用户子程序的基本知识 111
6.1.2  用户子程序编写注意事项 111
6.2  用户自定义材料子程序UMAT 112
6.2.1  UMAT子程序格式和变量说明 113
6.2.2  如何在分析中使用自定义材料 114
6.2.3  Mises弹塑性模型的UMAT子程序编写实例 116
6.3  用户自定义接触面摩擦模型子程序FRIC 126
6.3.1  FRIC子程序格式和变量说明 126
6.3.2  如何在分析中使用自定义接触面摩擦模型 127
6.3.3  非线性弹性摩擦模型 128
6.4  用户自定义单元子程序UEL 135
6.4.1  UEL子程序格式和变量说明 135
6.4.2  如何在分析中使用自定义单元 137
6.4.3  平面三节点线弹性梁单元UEL子程序编写实例 139
6.5  其他几个常用的用户子程序 143
6.5.1  自定义边界条件子程序DISP 144
6.5.2  自定义载荷子程序DLOAD 144
6.5.3  自定义初始孔隙比分布的子程序VOIDRI 144
6.6  本章小结 145
第7章  用户自定义材料二次开发 146
7.1  邓肯模型的二次开发 146
7.1.1  邓肯模型介绍 146
7.1.2  邓肯模型的UMAT子程序编写 147
7.1.3  三种不同的应力积分算法 147
7.1.4  算例验证 152
7.2  边界面模型的二次开发 158
7.2.1  边界面模型介绍 159
7.2.2  边界面模型的应力积分算法 161
7.2.3  编程要点 164
7.2.4  算例验证 165
7.3  本章小结 167
第8章  土体固结沉降分析 168
8.1  ABAQUS/Standard中的固结计算功能 168
8.2  ABAQUS/Standard中与固结计算相关的基本概念 168
8.2.1  孔隙介质中的流体流动 168
8.2.2  有效应力原理 169
8.2.3  固结计算中的孔压 169
8.3  使用流体渗透/应力耦合分析步进行固结计算 169
8.3.1  分析类型 169
8.3.2  增量步时间步长的选择 171
8.3.3  单元选择 173
8.3.4  材料模型 173
8.3.5  载荷和边界条件 174
8.3.6  设置初始条件 174
8.3.7  固结计算中的输出变量 176
8.3.8  固结计算中的单位 177
8.4  算例 177
8.4.1  太沙基（Terzaghi）一维固结 177
8.4.2  剑桥粘土地基固结分析 183
8.4.3  堆载预压模拟 198
8.5  本章小结 204
第9章  非饱和渗流与流固耦合分析 205
9.1  非饱和渗流问题中的边界条件 205
9.1.1  土坝渗流的典型边界条件 205
9.1.2  ABAQUS/Standard提供的特殊渗流边界条件功能 206
9.2  非饱和渗流问题中的材料模型 209
9.2.1  饱和度对渗透性能的影响 209
9.2.2  饱和度与基质吸力之间的关系 209
9.3  算例 211
9.3.1  二维均质土坝的稳定渗流分析 211
9.3.2  三维混合坝的稳定渗流分析 217
9.3.3  边坡降雨入渗分析 222
9.4  本章小结 233
第10章  自定义排水板单元的二次开发 234
10.1  排水板地基固结的常规处理方法 234
10.2  自定义排水板单元的开发 235
10.2.1  排水板单元的构造 235
10.2.2  排水板单元的理论推导 236
10.2.3  排水板UEL子程序的编写 239
10.3  自定义排水板单元的算例验证 241
10.3.1  采用实体单元划分排水板的算例 241
10.3.2  采用自定义实体单元划分排水板的算例 246
10.3.3  Hansbo理论解答 248
10.4  本章小结 249
第11章  基桩低应变检测的数值模拟 250
11.1  动力求解方法的简单介绍 250
11.1.1  模态分析方法 250
11.1.2  直接积分法 251
11.1.3  动力分析中的阻尼 251
11.2  ABAQUS/Standard中的隐式积分算法 252
11.2.1  隐式积分方法的特点 252
11.2.2  隐式积分算法中的时间步长控制 252
11.2.3  使用隐式积分算法求解动力问题 253
11.3  ABAQUS/Explicit中的显式积分算法 255
11.3.1  显式方法适用的问题类型 255
11.3.2  显式算法的条件稳定性 256
11.3.3  隐式积分算法中的时间步长控制 257
11.3.4  使用显式积分算法求解动力问题 258
11.4  隐式与显式求解方法的比较 259
11.4.1  一般比较 259
11.4.2  节点自由度增加对计算资源耗费的影响 260
11.5  算例分析 260
11.5.1  低应变动力检测方法原理简介 260
11.5.2  一维杆件内应力波的传递分析 261
11.5.3  PCC桩低应变检测中的三维效应 267
11.6  本章小结 280
第12章  桩基承载力分析 281
12.1  桩基承载力理论 281
12.1.1  a方法 281
12.1.2  b方法 281
12.2  桩的加载速度 282
12.3  算例分析 283
12.3.1  不排水条件下的竖直受载桩 283
12.3.2  排水条件下的竖直受载桩 290
12.3.3  管桩竖向载荷作用下的工作性状 292
12.3.4  桩在水平载荷作用下的工作性状 294
12.4  本章小结 297
第13章  岩土开挖问题求解 298
13.1  ABAQUS中的单元生死功能 298
13.1.1  单元的移除 298
13.1.2  单元的激活 298
13.1.3  接触对的移除和激活 299
13.1.4  单元生死操作中的注意事项 299
13.2  算例分析 300
13.2.1  隧道开挖分析 300
13.2.2  内撑式基坑开挖模拟 308
13.3  本章小结 314
第14章  岩土贯入问题求解 315
14.1  岩土贯入问题的有限元处理思路 315
14.2  ABAQUS中的ALE方法 316
14.2.1  在ABAQUS/Explicit中激活ALE功能 317
14.2.2  ALE方法的网格划分方法及控制参数 318
14.2.3  ALE方法的解答传输方法 322
14.2.4  ALE分析中的结果分析 323
14.3  岩土贯入问题算例 323
14.3.1  静压桩挤土效应数值模拟 323
14.3.2  粘土地基中的CPT圆锥静力贯入试验模拟 334
14.4  本章小结 342
第15章  土石坝的静力与动力分析 343
15.1  基于ABAQUS的土石坝静力分析 343
15.1.1  邓肯模型的开发 343
15.1.2  填方分层施工模拟及新填土层的位移修正 344
15.1.3  浸水湿化变形的处理 344
15.2  基于ABAQUS的土石坝动力分析 345
15.2.1  等效线性模型的开发 345
15.2.2  坝体材料的液化判别 347
15.2.3  永久变形分析 347
15.3  算例分析 348
15.3.1  理想均质土石坝的施工及蓄水过程模拟 348
15.3.2  一维场地地震反应模拟 363
15.3.3  三维心墙土石坝静、动力分析 373
15.4  本章小结 392
第16章  边坡稳定性分析 393
16.1  强度折减法的基本原理 393
16.2  强度折减法在ABAQUS中的实现 394
16.3  算例分析 394
16.3.1  二维均质土坡稳定性分析 394
16.3.2  抗滑桩加固土坡稳定性分析 404
16.4  本章小结 411
参考资料 412

1. FLAC3D在岩土工程中的应用 [孙书伟 林杭 任连伟 编著]
2. ABAQUS在隧道及地下工程中的应用 [陈卫忠 伍国军 贾善坡 著]
3. ABAQUS 6.6基础教程与实例详解 [刘展 主编]