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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