CAE分析大系 ABAQUS岩土工程實例詳解

费康，河海大学岩土工程专业博士，扬州大学副教授，江苏省“青蓝工程”杰出青年骨干教师、中青年学术带头人，主要从事地基处理、土动力学及岩土数值分析等方面的研究，精通ABAQUS岩土分析，擅长ABAQUS二次开发。

彭劼，河海大学岩土工程专业博士，河海大学教授，主要从事地基处理、微生物技术在岩土工程中的应用等方面的研究，数值模拟经验丰富，擅长ABAQUS多场耦合分析。

目錄

基　礎 篇

第 1章　ABAQUS快速入門　10

1.1　ABAQUS介紹　10

1.1.1　ABAQUS概述　10

1.1.2　ABAQUS軟件體系　10

1.2　ABAQUS通用約定　11

1.3　ABAQUS/CAE基礎　13

1.3.1　ABAQUS/CAE的啟動方式　14

1.3.2　ABAQUS/CAE主界面構成　14

1.3.3　ABAQUS/CAE中鼠標的使用　16

1.3.4　ABAQUS的常用文件格式　17

1.4　ABAQUS/CAE中的功能模塊　19

1.4.1　Part（部件）模塊　20

1.4.2　Property（性質）模塊　25

1.4.3　Assembly（裝配）模塊　29

1.4.4　Step（分析步）模塊　31

1.4.5　Interaction（相互作用）模塊　33

1.4.6　Load（荷載）模塊　36

1.4.7　Mesh（網格）模塊　38

1.4.8　Job（任務）模塊　44

1.4.9　Visualization（可視化）模塊　45

1.4.10　Sketch（草圖）模塊　50

1.5　算例　50

1.5.1　矩形荷載作用下地基中的附加應力分佈　50

1.5.2　三維大壩建模及分析　61

1.6　本章小結　67

第 2章　ABAQUS中的岩土材料模型　68

2.1　彈性模型　68

2.1.1　線彈性模型　68

2.1.2　多孔介質彈性模型　70

2.1.3　線黏彈性模型　72

2.2　塑性模型　74

2.2.1　Mohr-Coulomb模型　74

2.2.2　擴展的Drucker-Prager模型　77

2.2.3　修正Drucker-Prager帽蓋模型　82

2.2.4　臨界狀態塑性模型（Critical state plasticity model）　85

2.3　算例　87

2.3.1　Mohr-Coulomb材料的三軸固結排水試驗模擬　87

2.3.2　修正劍橋模型材料的三軸固結排水試驗模擬　92

2.3.3　黏彈性材料的循環剪切試驗　94

2.4　本章小結　96

第3章　ABAQUS中的接觸理論　97

3.1　ABAQUS/Standard中的接觸對　97

3.1.1　基本特性　97

3.1.2　接觸對算法　97

3.1.3　定義接觸對　100

3.2　接觸面相互作用力學模型　102

3.2.1　法向行為模型　102

3.2.2　切向行為模型　103

3.2.3　阻尼模型　105

3.2.4　黏結模型（Surface-based cohesive behavior）　107

3.2.5　接觸面的結果輸出變量　107

3.3　ABAQUS/Standard中的通用接觸（General Contact）　108

3.3.1　基本特性　108

3.3.2　定義方法　109

3.4　接觸面模擬中可能遇到的問題　111

3.4.1　接觸計算的診斷信息　111

3.4.2　接觸面的初始相對位置　113

3.4.3　正確定義錶面　115

3.4.4　避免迭代次數過多　115

3.4.5　避免過約束（Overconstraints）　115

3.5　算例　116

3.5.1　庫倫摩擦算例　116

3.5.2　黏結模型算例　120

3.5.3　不排水黏土中圓形樁的水平承載力　122

3.5.4　考慮黏聚力的庫倫摩擦　127

3.6　本章小結　129

第4章　ABAQUS中的用戶子程序　130

4.1　用戶子程序簡介　130

4.1.1　用戶子程序類別　130

4.1.2　用戶子程序編寫規則　130

4.1.3　ABAQUS/CAE中用戶子程序調用方式　131

4.2　用戶自定義位移子程序DISP　131

4.2.1　子程序功能　131

4.2.2　子程序格式和變量說明　131

4.2.3　應用實例　132

4.3　用戶自定義分佈荷載子程序DLOAD　134

4.3.1　子程序功能　134

4.3.2　子程序格式和變量說明　134

4.3.3　應用實例　135

4.4　用戶自定義接觸面摩擦模型子程序FRIC　136

4.4.1　子程序功能　136

4.4.2　FRIC子程序格式和變量說明　137

4.4.3　應用實例　138

4.5　用戶自定義初始應力子程序SIGINI　143

4.5.1　子程序功能　143

4.5.2　SIGINI子程序格式和變量說明　143

4.6　用戶自定義初始孔隙比VOIDRI　144

4.6.1　子程序功能　144

4.6.2　VOIDRI子程序格式和變量說明　144

4.7　常用應用程序　144

4.7.1　SINV計算應力不變量　144

4.7.2　SPRINC計算主應力/主應變　145

4.7.3　SPRIND計算主應力/主應變及方向　145

4.8　本章小結　145

應　用 篇

第5章　淺基礎的地基承載力　147

5.1　地基破壞模式及極限承載力　147

5.1.1　地基破壞模式　147

5.1.2　承載力理論　148

5.2　算例　149

5.2.1　條形基礎承載力　149

5.2.2　方形基礎極限承載力　154

5.2.3　傾斜荷載作用下的條形基礎　157

5.2.4　邊坡上的條形基礎　159

5.3　本章小結　162

第6章　擋土結構的土壓力　163

6.1　土壓力理論　163

6.1.1　靜止土壓力　163

6.1.2　主動土壓力　163

6.1.3　被動土壓力　164

6.2　算例　164

6.2.1　重力式擋土牆　164

6.2.2　加筋土擋牆　169

6.3　本章小結　172

第7章　飽和土的滲流固結　173

7.1　流固耦合分析步簡介　173

7.1.1　適用範圍　173

7.1.2　相關土力學概念　173

7.1.3　流體滲透/應力耦合分析步的使用方式　174

7.1.4　計算註意事項　176

7.1.5　固結計算中的輸出變量　179

7.2　算例　180

7.2.1　太沙基（Terzaghi）一維固結　180

7.2.2　蓄水問題　183

7.2.3　修正劍橋模型的固結不排水三軸試驗　185

7.2.4　一維劍橋黏土地基固結分析　189

7.2.5　土體固結問題中的曼德爾效應　196

7.3　本章小結　197

第8章　非飽和土滲流問題　198

8.1　滲流分析中的邊界條件　198

8.1.1　典型邊界條件　198

8.1.2　ABAQUS/Standard中滲流邊界條件的模擬功能　199

8.2　非飽和滲流問題中的材料模型　200

8.2.1　飽和度對滲透性能的影響　200

8.2.2　飽和度與基質吸力之間的關系　200

8.3　算例　202

8.3.1　懸掛式防滲牆防滲效果分析　202

8.3.2　二維均質土壩的穩定滲流分析　205

8.3.3　邊坡降雨入滲分析　211

8.4　本章小結　218

第9章　樁基工作性狀分析　219

9.1　樁基承載力理論　219

9.1.1　a 方法　219

9.1.2　b 方法　220

9.2　樁的加荷速度　220

9.3　算例　221

9.3.1　不排水黏土地基中豎向受荷樁——不設置接觸面　221

9.3.2　不排水黏土地基中豎向受荷樁——設置接觸面　224

9.3.3　乾砂地基中的豎向受荷樁——不設置接觸面　226

9.3.4　乾砂地基中的豎向受荷樁——設置接觸面　227

9.3.5　不排水強度非均勻分佈條件下的豎向受荷樁　228

9.3.6　劍橋黏土地基中的豎向受荷樁　231

9.3.7　水平受荷樁　235

9.3.8　鋼筋混凝土樁的模擬　239

9.4　本章小結　241

第 10章　岩土開挖和堆載問題　242

10.1　ABAQUS中的單元生死功能　242

10.1.1　單元的移除　242

10.1.2　單元的激活　243

10.1.3　接觸對的移除和激活　243

10.1.4　單元生死操作中的註意事項　244

10.2　開挖算例　244

10.2.1　隧道開挖分析（軟化模量法）　244

10.2.2　隧道開挖分析（收斂約束法）　250

10.2.3　懸臂式基坑開挖模擬　253

10.2.4　內撐式基坑開挖模擬　259

10.2.5　堆載預壓模擬　264

10.3　本章小結　267

第 11章　邊坡穩定性分析　268

11.1　強度折減法的基本原理　268

11.2　強度折減法在ABAQUS中的實現　269

11.3　算例　269

11.3.1　二維均質土坡穩定性分析　269

11.3.2　含軟弱下卧層的邊坡穩定分析　274

11.3.3　抗滑樁加固土坡穩定性分析　276

11.3.4　三維心牆堆石壩邊坡穩定性分析　282

11.4　本章小結　285

提　高 篇

第 12章　用戶自定義材料　287

12.1　ABAQUS中的非線性問題求解方法　287

12.1.1　Newton（牛頓）迭代方法　287

12.1.2　非線性問題的收斂控制標準　288

12.2　UMAT子程序簡介　288

12.2.1　子程序功能　288

12.2.2　子程序格式和變量說明　288

12.2.3　CAE中自定義材料的設置方法　290

12.3　鄧肯模型的二次開發　291

12.3.1　基本理論　291

12.3.2　鄧肯模型UMAT子程序編寫　291

12.4　鄧肯模型算例　296

12.4.1　三軸壓縮試驗　296

12.4.2　土石壩施工過程模擬　301

12.5　等效線性黏彈性模型的二次開發　305

12.5.1　基本理論　305

12.5.2　等效線性黏彈性模型UMAT子程序編寫　306

12.6　黏彈性模型算例　311

12.7　邊界面模型的二次開發　313

12.7.1　基本理論　313

12.7.2　應力積分算法的選擇　315

12.7.3　邊界面模型UMAT子程序編寫　316

12.8　邊界面模型算例　321

12.8.1　等向壓縮試驗　321

12.8.2　三軸排水壓縮算例　324

12.8.3　不排水動三軸模擬　325

12.9　本章小結　327

第 13章　用戶自定義單元　328

13.1　UEL子程序簡介　328

13.1.1　子程序功能　328

13.1.2　UEL工作原理　328

13.1.3　子程序格式和變量說明　329

13.2　UELMAT子程序簡介　330

13.2.1　子程序功能　330

13.2.2　適用範圍　331

13.2.3　子程序格式和變量說明　331

13.2.4　配套使用子程序MATERIAL_LIB_MECH　332

13.3　自定義單元的使用方法　332

13.4　平面三節點線彈性梁單元UEL子程序　335

13.4.1　單元基本理論　335

13.4.2　程序代碼及說明　336

13.5　平面四節點無厚度接觸面單元的UEL子程序　338

13.5.1　單元基本理論　338

13.5.2　程序代碼及說明　340

13.5.3　程序驗證　343

13.6　平面應變四節點單元的UELMAT子程序　344

13.7　本章小結　349

第 14章　岩土動力分析　350

14.1　ABAQUS中的動力求解方法　350

14.1.1　模態分析方法　350

14.1.2　直接積分法　351

14.1.3　動力分析中的阻尼　352

14.2　ABAQUS/Standard中的隱式積分算法　353

14.2.1　隱式積分方法的特點　353

14.2.2　隱式積分算法中的時間步長控制　353

14.2.3　使用隱式積分算法求解動力問題　354

14.3　ABAQUS/Explicit中的顯式積分算法　354

14.3.1　顯式積分方法的特點　354

14.3.2　顯式方法適用的問題類型　355

14.3.3　顯式算法的條件穩定性　355

14.3.4　顯式積分算法中的時間步長控制　356

14.3.5　使用顯式積分算法求解動力問題　357

14.4　隱式與顯式求解方法的比較　358

14.4.1　一般比較　358

14.4.2　節點自由度增加對計算資源耗費的影響　358

14.5　算例分析　359

14.5.1　水平地基的自振頻率與振型　359

14.5.2　二維理想土壩的自振頻率和振型　360

14.5.3　線性水平地基地震反應的振型疊加法分析　363

14.5.4　線性水平地基地震反應的隱式分析　368

14.5.5　線性水平地基地震反應的顯式分析　369

14.5.6　水平地基地震反應的等效線性分析——隱式法　371

14.5.7　水平地基地震反應的等效線性分析——顯式法　378

14.5.8　地基中波的傳播特性　381

14.5.9　動力分析中無限邊界條件的模擬　383

14.6　本章小結　387

第 15章　ABAQUS中的離散元　388

15.1　基本介紹　388

15.2　分析設置　388

15.3　算例　390

15.3.1　顆粒坍塌模擬　390

15.3.2　直剪試驗模擬　396

15.4　本章小結　399

參考文獻　400