本書系統地闡述地下工程數值模擬的基本原理和方法，通過一系列的工程實例，詳細介紹ABAQUS在隧道及地下工程設計及施工中的應用，較充分地反映作者及國內外最新研究成果。

本書共分11章，前兩章為入門介紹，主要包括ABAQUS基礎知識、ABAQUS模塊簡介、隧道及地下工程的設計施工方法；第3～8章介紹采用有限元法進行隧道及地下工程設計和施工過程力學分析的基本原理，給出采用ABAQUS軟件進行隧道及地下工程數值模擬的工程實例，包括隧道施工工法優化、盾構隧道施工過程模擬、分岔隧道圍巖穩定性計算、考慮滲流－應力耦合效應的隧道穩定性分析、隧道支護結構可靠性評價及深部巖體圍巖穩定性分析；為了幫助二次開發，最后三章介紹ABAQUS軟件二次開發的基本原理及使用方法，詳細介紹如何使用用戶子程序，包括常用用戶子程序、用戶子程序UMAT接口原理、用戶材料子程序UMAT二次開發、巖土參數敏感性分析及巖土工程反演模型的數值實現。

本書主要立足于實際工程應用，將ABAQUS相關模擬功能和隧道及地下工程中的具體研究對象結合起來，背景性較強，屬于ABAQUS軟件分析的高級篇。

本書體系合理、內容豐富全面，深入淺出，實用性強，可供土木工程、巖土與隧道工程、地質工程、水利工程、石油工程的專業人員使用，還可作為以上專業研究生的教學參考書。

  ABAQUS是國際上最先進的大型非線性有限元計算分析軟件之一，具有強健的非線性計算功能，擁有大量材料模型、單元模型和分析過程等。ABAQUS軟件在我國的土木工程、地礦、水利、石油、核工業等領域得到了廣泛的應用，為各領域的工程設計、安全評價及科學研究做出了很大的貢獻。隨著計算機硬件和軟件的飛速發展，該軟件在不斷改進，應用范圍也在不斷擴展。

  本書共分11章，前兩章為入門介紹，主要包括ABAQUS基礎知識、ABAQUS模塊簡介、隧道及地下工程的設計施工方法；第3～8章介紹采用有限元法進行隧道及地下工程設計和施工過程力學分析的基本原理，給出采用ABAQUS軟件進行隧道及地下工程數值模擬的工程實例，包括隧道施工工法優化、盾構隧道施工過程模擬、分岔隧道圍巖穩定性計算、考慮滲流－應力耦合效應的隧道穩定性分析、隧道支護結構可靠性評價及深部巖體圍巖穩定性分析；為了使廣大用戶更好地使用軟件的二次開發功能，最后三章介紹ABAQUS軟件二次開發的基本原理及使用方法，詳細介紹如何使用用戶子程序及其二次開發，包括常用用戶子程序、用戶子程序UMAT接口原理、用戶材料子程序UMAT二次開發、巖土參數敏感性分析及巖土工程反演模型的數值實現。

本書特色

? 本書的實例均來自科學研究和工程實踐，很多實例讀者稍微修改就能解決相關工程中類似的科研和工程問題。

? 針對該軟件在具體使用方面的不足，詳細介紹如何使用用戶子程序及其二次開發，滿足工程需要。

? 針對巖土介質損傷、滲流－應力耦合、可靠度計算、參數反演等復雜力學問題進行闡述，涵蓋地下工程的眾多方面，使讀者都能在本書中找到復雜力學問題計算的參考。

? 主要針對ABAQUS在具體工程的數值實現，可學性非常強，有較大的實用價值。本書主要面向ABAQUS的中高級用戶。

適合的讀者對象

本書適合土木工程、巖土與隧道工程、地質工程、水利工程、石油工程的專業人員使用，還可作為以上專業研究生的教學參考書。

本書分工與致謝

  本書是中國科學院武漢巖土力學研究所施工過程力學組的近幾年的集體研究成果。中國科學院武漢巖土力學研究所陳衛忠研究員負責全面工作，并統籌全稿。全書各章分工如下：第1、2、3、5、7、8章由伍國軍博士執筆；第4、6、9、10、11章由賈善坡博士執筆；楊建平博士為本書第3章的編寫作了奠定性的工作。戴永浩博士、于洪丹博士、譚賢君博士、黃勝博士以及課題組曹俊杰、田洪銘、陳培帥、楊阜東、耿亞梅、王輝、趙武勝以及鐵道部第四設計院的陳立保高工和長江科學院的張計高工等為本書的出版做了大量工作。參與本書工作的還包括陳鯤、李曉寧、丁佳、虞志勇、吳艷、杜英、王曉、余松、夏慧軍、陶林、許志清、趙會春、王斌、萬雷、張強林、張賽橋等，在此深表感謝。

  與此同時，本書的出版還要感謝以下基金的支持：“軟弱巖體多場耦合與長期強度特性研究國家自然科學基金”（重大國際合作項目）、“地下工程軟巖非線性流變機理及長期穩定性研究”（國家自然科學基金）、973項目“能源儲備地下庫群災變機理與防護理論研究”。

  最后，需要特別指出的是：本書在編寫過程中學習和借鑒了中國仿真論壇ABAQUS版的諸多網友的研究成果，這些成果豐富了本書的內容，本書的附錄部分即是學習和借鑒上述成果的結晶，在此對不知實名的各位網友表示誠摯的謝意。

  由于時間有限，作者水平有限以及伴隨計算機的飛速發展，書中疏漏和不妥之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

前言
 
第1章  隧道工程與ABAQUS分析 1
1.1  隧道的基本概念及工程概述 1
1.2  隧道的種類及其作用 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  礦山隧道 4
1.3  隧道及地下工程的有限元分析 4
1.4  ABAQUS基礎知識簡介 5
1.4.1  ABAQUS各模塊簡介 6
1.4.2  ABAQUS分析過程 7
1.4.3  ABAQUS/CAE簡介 8
1.4.4  ABAQUS輸入文件簡介 12
1.4.5  ABAQUS幫助文檔 16
1.4.6  ABAQUS模型導入導出功能 17
1.5  本章小結 20
第2章  隧道的圍巖分級及其計算模型 21
2.1  隧道圍巖分級及其應用 21
2.1.1  以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分級方法 22
2.1.2  以巖體構造、巖性特征為代表的分級方法 24
2.1.3  與地質勘探手段相聯系的分級方法 25
2.1.4  以多種因素進行組合的分級方法 26
2.1.5  以工程對象為代表的分級法 27
2.1.6  我國現行鐵路隧道圍巖分級 27
2.2  計算模型 30
2.2.1  常用的設計模型 30
2.2.2  載荷－結構計算模型 32
2.2.3  地層－結構計算模型 33
2.2.4  ABAQUS在隧道計算模型中的應用 33
2.3  本章小結 52
第3章  ABAQUS在隧道中的應用——施工工法優化 53
3.1  概述 53
3.2  新奧法 54
3.2.1  隧道施工應遵循的基本原則 54
3.2.2  新奧法的分類及施工工序 55
3.2.3  開挖方法 55
3.3  ABAQUS的數值模擬方法 60
3.4  隧道施工工法優化研究 60
3.4.1  Ⅴ級圍巖 61
3.4.2  Ⅳ級圍巖 68
3.4.3  Ⅲ級圍巖 74
3.4.4  Ⅱ級圍巖 81
3.5  本章小結 86
第4章  隧道盾構施工方法及其應用 87
4.1  盾構施工方法簡介 87
4.2  盾構隧道施工過程的有限元模擬方法 89
4.2.1  盾構法隧道的施工過程 89
4.2.2  盾構隧道施工過程的模擬方法 90
4.3  反映施工質量的等代層模型 90
4.4  盾構法施工的非線性有限元模型 91
4.4.1  材料性態的模擬 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  工程概況 94
4.5.2  計算參數 97
4.5.3  初始條件和邊界條件的定義 98
4.6  施工過程描述 99
4.7  計算結果分析 107
4.7.1  掘進過程中圍巖穩定性分析 113
4.7.2  不同施工質量下圍巖穩定性分析 118
4.8  本章小結 124
第5章  分岔隧道穩定性分析 126
5.1  分岔式隧道簡介 126
5.2  ABAQUS的模擬方法 128
5.2.1  地應力平衡 128
5.2.2  噴錨支護 129
5.2.3  多步驟開挖 132
5.3  大拱段穩定性計算 133
5.3.1  大拱段平面計算 133
5.3.2  大拱段三維計算 151
5.3.3  大拱段結果分析 159
5.4  連拱段 159
5.4.1  連拱段平面計算 160
5.4.2  連拱段三維計算 175
5.4.3  連拱段小結 196
5.5  小間距拱段 197
5.5.1  小間距拱段平面計算 197
5.5.2  小間距拱段三維計算 209
5.5.3  小間距段小結 226
5.6  本章小結 227
第6章  地下工程滲流場和應力場耦合分析 228
6.1  巖土介質滲流－應力耦合理論 228
6.1.1  滲流－應力相互耦合的力學機理 228
6.1.2  多孔介質中流體滲流規律 229
6.1.3  孔隙介質的有效應力原理 232
6.1.4  應力平衡方程和滲流連續方程 232
6.1.5  有限元離散 234
6.2  巖土介質滲透性演化模型 235
6.2.1  滲透系數與孔隙度的關系 235
6.2.2  滲透系數與應力之間的關系 235
6.2.3  滲透系數與應變之間的關系 236
6.2.4  滲透系數與損傷之間的關系 238
6.3  ABAQUS滲流－應力耦合相關命令介紹 240
6.3.1  ABAQUS滲流和變形的耦合分析 240
6.3.2  相關命令介紹 242
6.4  低滲透介質非排水卸載數值仿真分析 247
6.4.1  模型描述 247
6.4.2  總應力分析法 249
6.4.3  有效應力分析法 254
6.5  地下洞室開挖過程模擬 261
6.5.1  模型描述 262
6.5.2  施工過程描述 270
6.5.3  計算結果分析 271
6.6  油氣儲層注采過程模擬 275
6.6.1  模型描述 276
6.6.2  計算過程描述 279
6.6.3  計算結果分析 282
6.7  隧道圍巖開挖擾動區數值模擬 285
6.7.1  巖體滲透系數與塑性損傷之間的
關系 285
6.7.2  模型描述 287
6.7.3  計算結果分析 293
6.8  本章小結 300
第7章  隧道支護結構可靠性研究 301
7.1  結構可靠性基本原理 301
7.2  可靠指標的計算方法 304
7.2.1  哈－林（H-L）法 305
7.2.2  非正態變量的等效正態化（JC法）及修正JC法 305
7.2.3  分位值法 308
7.2.4  蒙特卡羅法（Monte-Carlomethod） 310
7.2.5  響應面法 310
7.2.6  程序的編制 311
7.3  ABAQUS可靠性分析 312
7.4  公路隧道襯砌結構可靠性計算 314
7.4.1  Ⅴ級圍巖 319
7.4.2  Ⅳ級圍巖 328
7.4.3  Ⅲ級圍巖 334
7.5  本章小結 340
第8章  深部巖體工程分析 341
8.1  深部巖體工程簡介 341
8.2  ABAQUS數值模擬功能 342
8.2.1  損傷 342
8.2.2  非線性蠕變巖體本構關系 343
8.2.3  考慮滲流的巖體本構關系 346
8.3  儲氣庫的計算分析 348
8.3.1  流變本構模型 348
8.3.2  儲氣庫的長期穩定性分析 348
8.4  深埋引水隧洞的穩定性分析 363
8.4.1  裂隙巖體應力滲流耦合本構模型 364
8.4.2  錦屏二級引水隧洞穩定性分析 366
8.5  本章小結 378
第9章  ABAQUS二次開發基礎 379
9.1  ABAQUS二次開發概述 379
9.2  ABAQUS用戶子程序接口 380
9.3  ABAQUS用戶子程序 381
9.3.1  用戶子程序分類 381
9.3.2  常用用戶子程序簡介 382
9.4  應用舉例 394
9.4.1  初始地應力場的定義 394
9.4.2  圍巖蠕變分析 400
9.5  本章小結 405
第10章  ABAQUS用戶材料子程序二次開發及應用 406
10.1  ABAQUS材料模型庫和單元庫簡介 406
10.1.1  ABAQUS材料庫 406
10.1.2  ABAQUS單元庫 407
10.2  用戶子程序UMAT接口原理 407
10.3  本構積分算法 410
10.4  ABAQUS對于材料非線性問題的處理 412
10.5  UMAT材料子程序實現及應用 414
10.5.1  修正Mohr-Coulomb模型 415
10.5.2  屈服函數和勢函數的求導 418
10.5.3  UMAT的FORTRAN程序 420
10.6  D-P模型與M-C模型參數之間的關系 436
10.7  算例分析 439
10.7.1  模型描述 439
10.7.2  常規三軸壓縮試驗 443
10.7.3  拉伸試驗 445
10.8  本章小結 446
第11章  巖土工程反演理論及其在ABAQUS中的實現 447
11.1  巖土工程反分析方法簡介 447
11.1.1  反分析的概念與原理 447
11.1.2  反分析的發展現狀 449
11.2  巖土介質參數敏感性分析方法 451
11.2.1  巖土力學參數反演中的靈敏度理論 452
11.2.2  基于灰色關聯法的巖土參數識別及靈敏度計算 455
11.2.3  基于非參數統計的參數敏感性分析法 456
11.3  巖土工程常用反演模型 457
11.3.1  地應力場反演模型 458
11.3.2  位移反演模型 461
11.3.3  滲流場反演模型 462
11.4  工程優化算法介紹 463
11.4.1  回歸分析方法 463
11.4.2  正交設計方法 466
11.4.3  遺傳算法 467
11.5  考慮滲流－應力耦合效應的巖土參數敏感性分析 470
11.5.1  工程概況 470
11.5.2  有限元模型 471
11.5.3  計算參數 474
11.5.4  計算條件 476
11.5.5  計算結果分析 477
11.6  基于遺傳算法的巖土力學參數反演分析 481
11.6.1  工程概況 481
11.6.2  反演方法的實現 481
11.6.3  反演分析條件 483
11.6.4  反演結果分析 483
11.7  構造應力場反演算例驗證 484
11.7.1  模型描述 484
11.7.2  反演條件 487
11.7.3  反演結果分析 488
11.8  本章小結 489
附錄A  地下工程常用指令小結 490
附錄B  ABAQUS的相關約定 503
附錄C  ABAQUS中對應力應變的部分理解 512
參考文獻 514

1. 隧道及地下工程FLAC解析方法 [李圍 編著]
2. ABAQUS在巖土工程中的應用 [費康 張建偉 編著]
3. 隧道及地下工程ANSYS實例分析 [李圍 等編著]
4. ABAQUS 6.6基礎教程與實例詳解 [劉展 主編]