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-Carlo method） 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