Abaqus岩土常见问题 原创

1、 冲击频率

（1） 两种常见设置方式

在 Abaqus 中设置冲击频率，主要通过 Amplitude（幅值曲线） 控制载荷的时间历程来实现。如果是周期性冲击，可以用正弦函数定义载荷，例如：

冲击的关键参数：（冲击峰值）、f（冲击频率）、t（时间）。

在软件的 “Step” 模块中，选择Dynamic, Explicit或Dynamic, Implicit：

若冲击频率高、过程极快（或有大变形），优先选Dynamic, Explicit（显式算法在这种场景下更稳定）；

若冲击相对平缓，也可尝试Dynamic, Implicit（隐式算法）。

“幅值曲线” 用来描述 “不同时间点，冲击载荷的大小”。根据冲击类型，有两种常见设置方式：

（1）正弦循环冲击（如 50Hz 正弦冲击）

在 “Amplitude” 表格中，输入关键时间点与对应载荷值，例如：

时间0s，载荷0（对应点（0，0）；

时间0.005s，载荷到峰值1（对应点（0.005，1））以此类推

还可将这条曲线设置为 “循环” 或 “延长时间范围”，让冲击持续进行。

（2）单次 / 周期性脉冲冲击（如 10Hz 脉冲冲击）

10Hz 意味着 “每0.1秒一个脉冲”。可设置 “短时脉冲”：

前0~ 0.005 秒，载荷从0升到峰值1,

0.01 秒时，载荷回0;

间隔到0.1 秒后，重复脉冲(如0.105 秒到峰值1，0.11 秒回0)。在“Amplitude“表格中，输入点如(0,0)、(0.005,1)、(0.01,0)、(0.1,0)、(0.105,1)、(0.11,0)等，即可实现周期性脉冲。

（2） 匹配 “分析时间” 与 “时间步长”

总分析时间：若要模拟N次冲击，总时间需满足 T=N/f（比如模拟 10 次 10Hz 的冲击，总时间就是10/10=1s）。

时间步长：为让结果稳定、平滑，建议每个冲击周期至少划分 20 个时间步，因此步长需满足

2、 什么是地应力，为什么在开挖之前要设置地应力分析步

地应力是指在没有外部扰动时，地下岩土体内部由于自重、构造应力、孔隙水压力等原因形成的初始应力场。常见的地应力包括：

自重应力（竖向应力）：由上覆土或岩层重量产生，计算公式为:

其中 ​ 为竖向应力，为岩土体重度，H 为埋深。

水平原始应力：由于地壳构造或侧向约束产生，常按侧压力系数K0估算：

孔隙水压力：若地下有水，按静水压力公式：

在进行开挖、隧道、基坑、地下结构分析前，需要先建立合理的初始地应力场，原因有三：

恢复真实受力状态

地下岩土体在未开挖时本身处于平衡状态，若不先施加地应力，模型默认初始应力为零，开挖后会高估位移与塑性区，结果不真实。

保证开挖稳定性计算

开挖会打破原始平衡，真实情况下围岩应力会重新分布形成拱效应；若不考虑地应力，计算出的支护内力、衬砌受力会显著低估或高估。

确保分析收敛性

复杂开挖模拟中，若直接加载开挖荷载，模型初始状态与实际应力状态偏离过大，非线性求解容易不收敛；通过地应力分析步先“预加载”，可使初始状态更接近真实。

在 Abaqus 中通常单独设置一个地应力分析步（一般为 Geostatic Step 或 Initial Stress Step），主要过程是：

定义重力载荷和边界条件，使土体自重引起的应力场达到平衡；

或者直接在“Predefined Field”里指定初始应力；然后以该应力场作为后续开挖或支护分析的初始条件。

需定义的参数包括：第一个点的深度坐标及其对应的垂直应力；第二个点的深度坐标及其对应的垂直应力；以及两个方向的侧向土压力系数。

同时，深度方向需固定为 Y 轴方向。对于深度 h 处的应力，垂直压力按 ρgh 计算，侧向应力则需乘以对应的土压力系数。需要留意的是，在 Abaqus/CAE 中，地应力的设置仅适用于实体单元。

3、 钻孔仿真需要什么材料属性

在 Abaqus 中做钻孔仿真时，所需的材料属性取决于你的模拟目标和建模精度，一般可以分为三类：

基本弹性参数（必需）:

弹性模量 E：反映岩土或结构的刚度

泊松比 ν：影响横向变形

密度 ρ：如果是显式动力钻孔或冲击钻进必填→ 适用于简单钻孔去除材料、不考虑塑性与渗流。

塑性与破坏参数（推荐）:

如果需要模拟钻孔过程中的材料切削、塑性破坏、应力释放，还需定义：

屈服准则（如 Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、von Mises）

内摩擦角、黏聚力、扩容角等（岩土）

应变硬化/软化曲线或损伤模型（如 Johnson-Cook、Hashin 等，适合金属和复合材料）

附加属性（可选）

热-力耦合：若钻孔过程考虑摩擦发热 → 导热系数、比热、热膨胀系数

渗流耦合：若钻孔过程中考虑地下水或泥浆压力 → 渗透系数、孔隙率、饱和度。

接触摩擦：钻头与岩体间摩擦系数、磨损参数。

4、 Abaqus中静水压力

静水压力在Pressure下定义，分布形式选择Hydrostatic。根据压力的计算公式：p=ρgh，得知最深出的水压为980000Pa。还需要定义零水位高度坐标值（Zero pressure height）和水位最深高度坐标值（Reference pressure height），这里分别输入100和0。

注意：Abaqus默认深度在Z轴方向上！

参数	符号	典型值（中砂饱和土）	单位	说明
密度	ρ	2000 ~ 2100	kg/m³	取饱和密度，显式动力必需
弹性模量	E	50 ~ 150	MPa	三轴试验或规范估计
泊松比	ν	0.30 ~ 0.35	—	取中等可压缩性土
黏聚力	c	5 ~ 15	kPa	饱和中砂取低值，粘土可高一些
内摩擦角	φ	28° ~ 35°	°	三轴试验反算
胀缩角	ψ	0° ~ 5°	°	饱和砂通常取 0°，保守
钻头摩擦系数	μ	0.2 ~ 0.4	—	含泥浆润滑取下限
水密度	ρ	1000	kg/m³	地下水压力计算用
重力加速度	g	9.81	m/s²	用于水压力计算
地下水位标高	h0	根据工况	m	孔壁静水压力 p=ρwg(h0−z)

5、 Abaqus中土体本构

（1） Mohr-Coulomb

1． 概念

Mohr-Coulomb理论是土力学和岩石力学中描述材料抗剪强度的经典理论，它基于库仑剪切破坏准则和摩尔应力圆的结合，用于预测土体或岩体在外部载荷作用下的破坏条件。

2． Mohr-Coulomb准则的基本公式

其中，为剪应力；为内聚力；为有效应力；φ为内摩擦角。

该公式表明材料在破坏时的剪应力由两个部分决定：内聚力 c摩擦项 。

3． 注意事项（来自：《ABAQUS与岩土工程分析》朱以文-蔡元奇）

由于该模型的塑性流动法则为非关联流动，因此必须采用非对称求解器开展计算。

模型使用前需进行标定（Calibrated）：典型方法是从若干组不同的三维试验中获取极限应力状态，将这些状态定位于子午线平面，进而估算摩擦角φ与粘聚力c。此外，需慎重确定膨胀角Ψ，以保证塑性变形时的体积变化与标定过程一致；若塑性变形呈现硬化特性，标定时至少要有一组三维试验为硬化参数提供支持。

模型采用光滑的塑性流动势面，这与经典 Mohr - Coulomb 准则中 “由若干平面组成折面型流动势面” 的情况不同，因此 ABAQUS 中 Mohr - Coulomb 模型的塑性行为与经典模型存在差异。

另外，ABAQUS 中偏心率e的默认值，在三向受拉或受压的情形下，与经典 Mohr - Coulomb 准则并不一致。

6、 盾构隧道施工过程的有限元模拟方法

%3． 盾构法隧道的施工过程

盾构推进引起的围岩稳定性有明显的三维特性，与盾构自身的特性属性(刚度、自重推力等)、施工进程以及具体操作密切相关。

盾构掘进引起的围岩压力变化情况

盾构法施工引起的围岩性质变化主要分为四个阶段：

（1）盾构开挖阶段：施加推进载荷后，刀盘切割土体，伴随应力释放，盾构开挖面的土压力与后方支护压力、盾构机和土层之间的摩擦力保持平衡；沿盾构机长度方向，周围土体的地应力因盾构机的刚性支护不会释放。盾构向前推进时，盾构机与周围土体发生错动，周围土体对盾构产生摩擦力，且土体受到盾构机的剪切与挤压作用。为减小盾构机的摩阻力以保障其顺利前行，通常将盾构刀盘的外径设计得大于盾构机外径，从而在盾构机外围形成一定厚度的间隙。

（2）盾尾注浆阶段：为减少因上述间隙引发的围岩变形，在盾尾脱离前，盾构推进的同时会向盾尾空隙压注混凝土浆体。注浆压力与土体性质、隧道埋深、盾构机型、管片性质以及浆液材料等因素相关。

（3）盾尾脱开阶段：随着盾尾脱开，衬砌与土层之间的空隙逐渐闭合，土体向盾构空隙的位移量大小受土体性质、浆体力学性质、土体受扰动程度及浆体充填程度等影响。

（4）土体固结沉降阶段：注浆体随时间凝固，土体发生固结，这会引发管片与地层的相互作用。在浆体凝固过程中，地层的变形逐渐受到约束，进而将载荷传递给衬砌；同时，围岩的变形会因土体的固结而随时间不断增大。

%3． 盾构隧道施工过程的模拟方法

盾构隧道施工过程的模拟方法可通俗理解为：

盾构向前推进，本质是其刚度与载荷的 “迁移”。施工模拟时，先在盾首（盾构前端）和盾尾（盾构后端）预先设置单元，通过 “单元激活或杀死” 的方式，来体现单元刚度的变化。

当开挖面向前推进，盾首逐渐深入土体，盾尾逐渐从原位置脱出；同时，盾构附带的其他结构及载荷也得同步前移。

把盾构推进视为 “非连续过程”，每次推进的长度等于1 个管片单元的宽度，且推进时要更换单元材料：每推进 1 环（“1 环” 即 1 圈管片的长度），盾首前方的开挖面土体单元、预设单元会变成 “盾构单元” 和 “超开挖间隙单元”；盾构壳尾部的单元会变成 “盾尾空隙单元”；原本盾尾的空隙单元会变成 “浆液单元”，同时沿着开挖方向，新激活 1 环管片单元。

盾构施工单元材料示意图

（来自：《ABAQUS与岩土工程分析》朱以文-蔡元奇）