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作为国际上最先进的大型通用有限元软件之一,ABAQUS已广泛应用于各个行业领域,但其现有功能并不能完全满足各行业高级用户的某些要求,如该程序现有岩土材料模型很有限或存在某些缺陷,特别对于岩体材料并没有合适的本构模型,以反映其非线性破坏规律。为此,本文依托其二次开发平台,采用Fortran语言和向后欧拉隐式积分算法开发了若干用户材料子程序(UMAT),并应用于实际工程数值模拟和分析,本文主要研究内容如下:(1)介绍并梳理Hoek-Brown强度准则在各时期的不同形式。当将其应用于有限元数值分析时,Hoek-Brown屈服准则在一般应力空间表现为弯曲六棱锥形状,存在尖角,会导致数值奇异。本文提出在屈服面夹角处采用圆弧代替原屈服面,即“圆化”,推导了该圆弧屈服函数表达式。同时,为了反映岩体抗拉强度较低的特征,引入拉伸截断面,与圆化后Hoek-Brown屈服面一同作为修正后的Hoek-Brown准则屈服面。(2)本文应力更新算法采用完全隐式向后欧拉积分,考虑相关联流动法则,对屈服函数和塑形势函数求一阶和二阶导数,得到一致性刚度矩阵,确保结果更精确,程序收敛性更好。为了实现修正Hoek-Brown准则的应用,借助ABAQUS平台编写了相应的UMAT。用室内常规三轴压缩试验、单轴拉伸试验、圆形隧道力学响应、群桩-岩体相互作用模型和隧道开挖模型验证程序的正确性,说明其对真三维问题的适用性。探讨了用线性等效Mohr-Coulomb准则近似非线性Hoek-Brown准则的原理及应用方法,对比不同准则下研究对象的力学行为,并简要阐述剪胀角的影响。探讨隧道开挖空间效应,研究了不同开挖进尺、不同初始应力条件下的隧洞纵向变形规律曲线(LDP曲线)及围岩力学行为,介绍了收敛-约束法的基本原理和应用条件。(3)介绍Hoek-Brown材料参数值获取的定性和定量方法,提出用非参数统计方法研究Hoek-Brown参数敏感度。用Matlab编制了拉丁抽样程序,借助一巷道模型,研究了参数对其围岩变形的敏感性,得到各参数的敏感度大小顺序。(4)详细介绍了等效Mohr-Coulomb强度折减技术,说明其优劣。提出并推导了基于Hoek-Brown强度准则的强度折减技术,应用于边坡稳定性分析,与等效Mohr-Coulomb模型对比表明前者获得的潜在滑动面位置较浅、形状较陡,更符合岩质边坡滑动面的特征。最后,尝试将Hoek-Brown强度折减技术应用于地下洞室的稳定分析中,可得到整体安全系数,准确预测破坏位置和潜在破坏面。