ABAQUS岩土工程实例详解 PDF

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作者简介

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。

目录

基础篇
第1章 ABAQUS快速入门 10
1.1 ABAQUS介绍 10
1.1.1 ABAQUS概述 10
1.1.2 ABAQUS软件体系 10
1.2 ABAQUS通用约定 11
1.3 ABAQUS／CAE基础 13
1.3.1 ABAQUS／CAE的启动方式 14
1.3.2 ABAQUS／CAE主界面构成 14
1.3.3 ABAQUS／CAE中鼠标的使用 16
1.3.4 ABAQUS的常用文件格式 17
1.4 ABAQUS／CAE中的功能模块 19
1.4.1 Part（部件）模块 20
1.4.2 Property（性质）模块 25
1.4.3 Assembly（装配）模块 29
1.4.4 Step（分析步）模块 31
1.4.5 Interaction（相互作用）模块 33
1.4.6 Load（荷载）模块 36
1.4.7 Mesh（网格）模块 38
1.4.8 Job（任务）模块 44
1.4.9 Visualization（可视化）模块 45
1.4.10 Sketch（草图）模块 50
1.5 算例 50
1.5.1 矩形荷载作用下地基中的附加应力分布 50
1.5.2 三维大坝建模及分析 61
1.6 本章小结 67
第2章 ABAQUS中的岩土材料模型 68
2.1 弹性模型 68
2.1.1 线弹性模型 68
2.1.2 多孔介质弹性模型 70
2.1.3 线黏弹性模型 72
2.2 塑性模型 74
2.2.1 Mohr—Coulomb模型 74
2.2.2 扩展的Drucker—Prager模型 77
2.2.3 修正Drucker—Prager帽盖模型 82
2.2.4 临界状态塑性模型（Critical state plasticity model） 85
2.3 算例 87
2.3.1 Mohr—Coulomb材料的三轴固结排水试验模拟 87
2.3.2 修正剑桥模型材料的三轴固结排水试验模拟 92
2.3.3 黏弹性材料的循环剪切试验 94
2.4 本章小结 96
第3章 ABAQUS中的接触理论 97
3.1 ABAQUS／Standard中的接触对 97
3.1.1 基本特性 97
3.1.2 接触对算法 97
3.1.3 定义接触对 100
3.2 接触面相互作用力学模型 102
3.2.1 法向行为模型 102
3.2.2 切向行为模型 103
3.2.3 阻尼模型 105
3.2.4 黏结模型（Surface—based cohesive behavior） 107
3.2.5 接触面的结果输出变量 107
3.3 ABAQUS／Standard中的通用接触（General Contact） 108
3.3.1 基本特性 108
3.3.2 定义方法 109
3.4 接触面模拟中可能遇到的问题 111
3.4.1 接触计算的诊断信息 111
3.4.2 接触面的初始相对位置 113
3.4.3 正确定义表面 115
3.4.4 避免迭代次数过多 115
3.4.5 避免过约束（Overconstraints） 115
3.5 算例 116
3.5.1 库伦摩擦算例 116
3.5.2 黏结模型算例 120
3.5.3 不排水黏土中圆形桩的水平承载力 122
3.5.4 考虑黏聚力的库伦摩擦 127
3.6 本章小结 129
第4章 ABAQUS中的用户子程序 130
4.1 用户子程序简介 130
4.1.1 用户子程序类别 130
4.1.2 用户子程序编写规则 130
4.1.3 ABAQUS／CAE中用户子程序调用方式 131
4.2 用户自定义位移子程序DISP 131
4.2.1 子程序功能 131
4.2.2 子程序格式和变量说明 131
4.2.3 应用实例 132
4.3 用户自定义分布荷载子程序DLOAD 134
4.3.1 子程序功能 134
4.3.2 子程序格式和变量说明 134
4.3.3 应用实例 135
4.4 用户自定义接触面摩擦模型子程序FRIC 136
4.4.1 子程序功能 136
4.4.2 FRIC子程序格式和变量说明 137
4.4.3 应用实例 138
4.5 用户自定义初始应力子程序SIGINI 143
4.5.1 子程序功能 143
4.5.2 SIGINI子程序格式和变量说明 143
4.6 用户自定义初始孔隙比VOIDRI 144
4.6.1 子程序功能 144
4.6.2 VOIDRI子程序格式和变量说明 144
4.7 常用应用程序 144
4.7.1 SINV计算应力不变量 144
4.7.2 SPRINC计算主应力／主应变 145
4.7.3 SPRIND计算主应力／主应变及方向 145
4.8 本章小结 145
应 用篇
第5章 浅基础的地基承载力 147
5.1 地基破坏模式及极限承载力 147
5.1.1 地基破坏模式 147
5.1.2 承载力理论 148
5.2 算例 149
5.2.1 条形基础承载力 149
5.2.2 方形基础极限承载力 154
5.2.3 倾斜荷载作用下的条形基础 157
5.2.4 边坡上的条形基础 159
5.3 本章小结 162
第6章 挡土结构的土压力 163
6.1 土压力理论 163
6.1.1 静止土压力 163
6.1.2 主动土压力 163
6.1.3 被动土压力 164
6.2 算例 164
6.2.1 重力式挡土墙 164
6.2.2 加筋土挡墙 169
6.3 本章小结 172
第7章 饱和土的渗流固结 173
7.1 流固耦合分析步简介 173
7.1.1 适用范围 173
7.1.2 相关土力学概念 173
7.1.3 流体渗透／应力耦合分析步的使用方式 174
7.1.4 计算注意事项 176
7.1.5 固结计算中的输出变量 179
7.2 算例 180
7.2.1 太沙基（Terzaghi）一维固结 180
7.2.2 蓄水问题 183
7.2.3 修正剑桥模型的固结不排水三轴试验 185
7.2.4 一维剑桥黏土地基固结分析 189
7.2.5 土体固结问题中的曼德尔效应 196
7.3 本章小结 197
第8章 非饱和土渗流问题 198
8.1 渗流分析中的边界条件 198
8.1.1 典型边界条件 198
8.1.2 ABAQUS／Standard中渗流边界条件的模拟功能 199
8.2 非饱和渗流问题中的材料模型 200
8.2.1 饱和度对渗透性能的影响 200
8.2.2 饱和度与基质吸力之间的关系 200
8.3 算例 202
8.3.1 悬挂式防渗墙防渗效果分析 202
8.3.2 二维均质土坝的稳定渗流分析 205
8.3.3 边坡降雨入渗分析 211
8.4 本章小结 218
第9章 桩基工作性状分析 219
9.1 桩基承载力理论 219
9.1.1 α方法 219
9.1.2 β方法 220
9.2 桩的加荷速度 220
9.3 算例 221
9.3.1 不排水黏土地基中竖向受荷桩——不设置接触面 221
9.3.2 不排水黏土地基中竖向受荷桩——设置接触面 224
9.3.3 干砂地基中的竖向受荷桩——不设置接触面 226
9.3.4 干砂地基中的竖向受荷桩——设置接触面 227
9.3.5 不排水强度非均匀分布条件下的竖向受荷桩 228
9.3.6 剑桥黏土地基中的竖向受荷桩 231
9.3.7 水平受荷桩 235
9.3.8 钢筋混凝土桩的模拟 239
9.4 本章小结 241
第10章 岩土开挖和堆载问题 242
10.1 ABAQUS中的单元生死功能 242
10.1.1 单元的移除 242
10.1.2 单元的激活 243
10.1.3 接触对的移除和激活 243
10.1.4 单元生死操作中的注意事项 244
10.2 开挖算例 244
10.2.1 隧道开挖分析（软化模量法） 244
10.2.2 隧道开挖分析（收敛约束法） 250
10.2.3 悬臂式基坑开挖模拟 253
10.2.4 内撑式基坑开挖模拟 259
10.2.5 堆载预压模拟 264
10.3 本章小结 267
第11章 边坡稳定性分析 268
11.1 强度折减法的基本原理 268
11.2 强度折减法在ABAQUS中的实现 269
11.3 算例 269
11.3.1 二维均质土坡稳定性分析 269
11.3.2 含软弱下卧层的边坡稳定分析 274
11.3.3 抗滑桩加固土坡稳定性分析 276
11.3.4 三维心墙堆石坝边坡稳定性分析 282
11.4 本章小结 285
提高篇
第12章 用户自定义材料 287
12.1 ABAQUS中的非线性问题求解方法 287
12.1.1 Newton（牛顿）迭代方法 287
12.1.2 非线性问题的收敛控制标准 288
12.2 UMAT子程序简介 288
12.2.1 子程序功能 288
12.2.2 子程序格式和变量说明 288
12.2.3 CAE中自定义材料的设置方法 290
12.3 邓肯模型的二次开发 291
12.3.1 基本理论 291
12.3.2 邓肯模型UMAT子程序编写 291
12.4 邓肯模型算例 296
12.4.1 三轴压缩试验 296
12.4.2 土石坝施工过程模拟 301
12.5 等效线性黏弹性模型的二次开发 305
12.5.1 基本理论 305
12.5.2 等效线性黏弹性模型UMAT子程序编写 306
12.6 黏弹性模型算例 311
12.7 边界面模型的二次开发 313
12.7.1 基本理论 313
12.7.2 应力积分算法的选择 315
12.7.3 边界面模型UMAT子程序编写 316
12.8 边界面模型算例 321
12.8.1 等向压缩试验 321
12.8.2 三轴排水压缩算例 324
12.8.3 不排水动三轴模拟 325
12.9 本章小结 327
第13章 用户自定义单元 328
13.1 UEL子程序简介 328
13.1.1 子程序功能 328
13.1.2 UEL工作原理 328
13.1.3 子程序格式和变量说明 329
13.2 UELMAT子程序简介 330
13.2.1 子程序功能 330
13.2.2 适用范围 331
13.2.3 子程序格式和变量说明 331
13.2.4 配套使用子程序MATERIAL_LIB_MECH 332
13.3 自定义单元的使用方法 332
13.4 平面三节点线弹性梁单元UEL子程序 335
13.4.1 单元基本理论 335
13.4.2 程序代码及说明 336
13.5 平面四节点无厚度接触面单元的UEL子程序 338
13.5.1 单元基本理论 338
13.5.2 程序代码及说明 340
13.5.3 程序验证 343
13.6 平面应变四节点单元的UELMAT子程序 344
13.7 本章小结 349
第14章 岩土动力分析 350
14.1 ABAQUS中的动力求解方法 350
14.1.1 模态分析方法 350
14.1.2 直接积分法 351
14.1.3 动力分析中的阻尼 352
14.2 ABAQUS／Standard中的隐式积分算法 353
14.2.1 隐式积分方法的特点 353
14.2.2 隐式积分算法中的时间步长控制 353
14.2.3 使用隐式积分算法求解动力问题 354
14.3 ABAQUS／Explicit中的显式积分算法 354
14.3.1 显式积分方法的特点 354
14.3.2 显式方法适用的问题类型 355
14.3.3 显式算法的条件稳定性 355
14.3.4 显式积分算法中的时间步长控制 356
14.3.5 使用显式积分算法求解动力问题 357
14.4 隐式与显式求解方法的比较 358
14.4.1 一般比较 358
14.4.2 节点自由度增加对计算资源耗费的影响 358
14.5 算例分析 359
14.5.1 水平地基的自振频率与振型 359
14.5.2 二维理想土坝的自振频率和振型 360
14.5.3 线性水平地基地震反应的振型叠加法分析 363
14.5.4 线性水平地基地震反应的隐式分析 368
14.5.5 线性水平地基地震反应的显式分析 369
14.5.6 水平地基地震反应的等效线性分析——隐式法 371
14.5.7 水平地基地震反应的等效线性分析——显式法 378
14.5.8 地基中波的传播特性 381
14.5.9 动力分析中无限边界条件的模拟 383
14.6 本章小结 387
第15章 ABAQUS中的离散元 388
15.1 基本介绍 388
15.2 分析设置 388
15.3 算例 390
15.3.1 颗粒坍塌模拟 390
15.3.2 直剪试验模拟 396
15.4 本章小结 399
参考文献 400