ABAQUS在隧道及地下工程中的应用_上册_13355295万水 ABAQUS技术丛书ABAQUS在隧道及地下工程中的应用(上册)陈卫忠伍国军贾善坡著小Q利电实版社www.waterpub.com.cn内容提要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。本书所有实例的命令流及相关文件可以从中国水利水电出版社网站及万水书苑下载,网址Ahttp://www.waterpub.com.cn/softdown/exhttp://www.wsbookshow.com图书在版编目(CIP)数据ABAQUS在隧道及地下工程中的应用:全2册/陈卫忠,伍国军,贾善坡著.一北京:中国水利水电出版社,2013.4(万水 ABAQUS技术从书)ISBN978-7-5170-0570-4I.①A…Ⅱ.①陈…②伍…③贾…Ⅲ.①朦道工程一有限元分析一应用软件②地下工程一有限元分析一应用软件Ⅳ.①U45-39②TU94-39中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第011845号策划编辑:杨元泓责任编辑:宋俊娥封面设计:李佳书名万水 ABAQUS技术丛书ABAQUS在隧道及地下工程中的应用(上册作者陈卫忠伍国军贾善坡著出版发行中国水利水电出版社(北京市海淀区玉渊潭南路1号D座100038)网址:www.waterpub.com.cnEmal: channel@263net(万水)sales(@waterpub.com.cn电话:(010)68367658(发行部)、82562819(万水)经售北京科水图书销售中心(零售)电话:(010)88383994、63202643、68545874全国各地新华书店和相关出版物销售网点排版北京万水电子信息有限公司印刷永清县哗盛亚胶印有限公司规格70mm×240mm16开本总3325印张总813千字版次2013年4月第1版2013年4月第1次印刷印数0001-3000册总定价11200元(上、下册)凡购买我社图书,如有缺页、倒页、脱页的,本社发行部负责调换版权所有·侵权必究前言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、考虑滲流·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、渗流一应力耦合、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章由贾善坡博土执笔;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、许志淸、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作者2009年12月录前言上册第1章隧道工程与 ABAQUS分析………………123本章小结…1.1隧道的基本概念及工程概述…1第3章 ABAQUS在隧道中的应用施工工12隧道的种类及其作用法优化…12.1交通隧道3.1概述…………………122水工隧道32新奥法……1.23市政隧道………3.2.1隧道施工应遵循的基本原则………5412.4矿山隧道·432.2新奥法的分类及施工工序551.3隧道及地下工程的有限元分析………43.2.3开挖方法…………………5514 ABAQUS基础知识简介……………533 ABAQUS的数值模拟方法…14.1 ABAQUS各模块简介……34隧道施工工法优化研究……60142 ABAQUS分析过程34.1V级围岩……61143 ABAQUS/CAE简介………………8342Ⅳ级围岩…………………144 ABAQUS输入文件简介12343Ⅲ级围岩74145 ABAQUS帮助文档…………16344Ⅱ级围岩…81146 ABAQUS模型导入导出功能35本章小结1.5本章小结20第4章隧道盾构施工方法及其应用……………87第2章隧道的围岩分级及其计算模型………214.1盾构施工方法简介………………872.1隧道围岩分级及其应用………………2142盾构隧道施工过程的有限元模拟方法……892.1.1以岩石强度或岩石的物性指标为4.2.1盾构法隧道的施工过程89代表的分级方法………2242.2盾构隧道施工过程的模拟方法……902.1.2以岩体构造、岩性特征为代表的4.3反映施工质量的等代层模型分级方法……………2444盾构法施工的非线性有限元模型2.1.3与地质勘探手段相联系的分级方法…2544.1材料性态的模拟……91214以多种因素进行组合的分级方法…264.4.2有限元控制方程……………9221.5以工程对象为代表的分级法……274.5工程概述及有限元模型的建立2.1.6我国现行铁路隧道围岩分级……274.5.1工程概况……22计算模型…30452计算参数……9722.1常用的设计模型304.53初始条件和边界条件的定义…………982.2.2载荷一结构计算模型……324.6施工过程描述……………………22.3地层一结构计算模型……………334.7计算结果分析…………………10722.4 ABAQUS在隧道计算模型中的应用334.7.1掘进过程中围岩稳定性分析………1134.7.2不同施工质量下围岩稳定性分析……11861.5有限元离散…………………23448本章小结………………………………1246.,2岩土介质渗透性演化模型………………235第5章分岔隧道稳定性分析………………12662.1渗透系数与孔隙度的关系……2355.1分岔式隧道简介…………12662.2渗透系数与应力之间的关系……23552 ABAQUS的模拟方法……………128623渗透系数与应变之间的关系………236521地应力平衡624渗透系数与损伤之间的关系……238522喷锚支护………12963 ABAQUS渗流一应力耦合相关命令介绍24052.3多步骤开挖63 ABAQUS滲流和变形的耦合分析…24053大拱段稳定性计算………………133632相关命令介绍…………………242531大拱段平面计算13364低渗透介质非排水卸载数值仿真分析…247532大拱段三维计算15164.1模型描述…………247533大拱段结果分析159642总应力分析法…………24954连拱段……………159643有效应力分析法……541连拱段平面计算65地下洞室开挖过程模拟61542连拱段三维计算………………………17565.1模型描述……262543连拱段小结…196652施工过程描述………705小间距拱段………65.3计算结果分析……271551小间距拱段平面计算……1976.6油气储层注采过程模拟………………275552小间距拱段三维计算……………2096.6.1模型描述27655.3小间距段小结……226662计算过程描述27956本章小结……………………………2276.6.3计算结果分析…282第6章地下工程渗流场和应力场耦合分析……2286.7隧道围岩开挖扰动区数值模拟…2856.1岩土介质渗流一应力耦合理论…22867.1岩体渗透系数与塑性损伤之间的6.1.1渗流一应力相互耦合的力学机理…228关系……………28561.2多孔介质中流体渗流规律……22967.2模型描述613孔隙介质的有效应力原理…………232673计算结果分析29361.4应力平衡方程和渗流连续方程……23268本章小结……………………300下册第7章隧道支护结构可靠性研究……301method)…………3107.1结构可靠性基本原理………………………3017.25响应面法……3107.2可靠指标的计算方法………3047.2.6程序的编制………………………3117.21哈一林(HL)法,,,,,,,,……30573 ABAQUS可靠性分析312722非正态变量的等效正态化(JC法)7.4公路隧道衬砌结构可靠性计算……314及修正JC法…74.lV级围岩………3197.2.3分位值法……………308742Ⅳ级围岩………………………328724蒙特卡罗法( Monte- Carlo743Ⅲ级围岩…33475本章小结………34010.7.2常规三轴压缩试验…………………443第8章深部岩体工程分析……10.7.3拉伸试验……44581深部岩体工程简介………10.8本章小结………………44682 ABAQUS数值模拟功能…342第11章岩土工程反演理论及其在 ABAQUS8.2.1损伤………………342中的实现……………………447822非线性蠕变岩体本构关系…343111岩土工程反分析方法简介………447823考虑渗流的岩体本构关系346111.1反分析的概念与原理…………4478.3储气库的计算分析…………348111.2反分析的发展现状………44983.1流变本构模型……………34811.2岩土介质参数敏感性分析方法51832储气库的长期稳定性分析…34811.2.1岩土力学参数反演中的灵敏度84深埋引水隧洞的稳定性分析·……363理论……………45284.1裂隙岩体应力渗流耦合本构模型……3641122基于灰色关联法的岩土参数识别842锦屏二级引水隧洞稳定性分析……366及灵敏度计算………………4558.5本章小结………3781123基于非参数统计的参数敏感性分第9章 ABAQUS二次开发基础……379析法……45691 ABAQUS二次开发概述……37911.3岩土工程常用反演模型45792 ABAQUS用户子程序接口………38011.3.1地应力场反演模型…93 ABAQUS用户子程序381113.2位移反演模型……46193.1用户子程序分类………38111.3.3渗流场反演模型……462932常用用户子程序简介…38211.4工程优化算法介绍…………46394应用举例…………394114.1回归分析方法……………463941初始地应力场的定义…………39411.42正交设计方法……………46694.2围岩蠕变分析………40011.4.3遗传算法…………………46795本章小结………40511.5考虑渗流一应力耦合效应的岩土参数第10章 ABAQUS用户材料子程序二次开发敏感性分析470及应用…………………………40611.5.1工程概况…………………47010.1 ABAQUS材料模型库和单元库简介…40611.52有限元模型……47110.11 ABAQUS材料库………………4061153计算参数…………47410.12 ABAQUS单元库………………40711.54计算条件……………………47610.2用户子程序UMAT接口原理……………40711.5.5计算结果分析47710.3本构积分算法…410116基于遗传算法的岩土力学参数反演104 ABAQUS对于材料非线性问题的处理…412分析…48110.5UMAT材料子程序实现及应用……41411.6.1工程概况……………48110.5.1修正 Mohr-Coulomb模型…41511.6.2反演方法的实现……48110.52屈服函数和势函数的求导…………41811.6.3反演分析条件48310.53UMAT的 FORTRAN程序…………42011.6.4反演结果分析…48310.6DP模型与MC模型参数之间的关系…43611.7构造应力场反演算例验证……48410.7算例分析……43911.7.1模型描述………48410.7.1模型描述……43911.7.2反演条件………………48711.7.3反演结果分析……附录 B ABAQUS的相关约定……………50311.8本章小结…489附录 C ABAQUS中对应力应变的部分理解……512附录A地下工程常用指令小结…490参考文献……514