基于ABAQUS強(qiáng)度折減法的某海堤工程穩(wěn)定性分析

殷 鑫，高 偉，高華喜

（1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市水運(yùn)工程檢測(cè)中心有限公司，浙江舟山 316000）

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，城市綜合用地需求上升，眾多圍墾工程陸續(xù)建設(shè)。其中，海堤在整個(gè)圍墾工程中起著至關(guān)重要的作用。我國(guó)東南沿海的海堤工程易受風(fēng)暴潮影響[1]，而海堤的穩(wěn)定性直接關(guān)系到后方陸域是否安全，因此開展海堤工程的穩(wěn)定性研究分析具有重大意義。

關(guān)于海堤穩(wěn)定性研究的方法較多，研究成果也十分豐富。毛昶熙等[2]對(duì)斜坡式海堤、直立式海堤和帶平臺(tái)復(fù)式斷面海堤分別進(jìn)行了非穩(wěn)定滲流有限元法計(jì)算及在潮位和波浪作用下的抗滑整體穩(wěn)定性計(jì)算，比較其優(yōu)劣性；林奇等[3]利用有限元法和通用條分法GLE分析了潮位漲落對(duì)海堤穩(wěn)定性的影響；郭翔等[4]采用極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法分析了高潮位作用下施工期內(nèi)海堤的抗滑穩(wěn)定性；蔡汝銘等[5]利用極限平衡法研究了采用單排樁加固方案的海堤工程的穩(wěn)定性。

本文根據(jù)某海堤工程的設(shè)計(jì)資料，采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)受重力和波浪力作用的海堤工程建立了二維有限元模型，根據(jù)應(yīng)力云圖和位移云圖對(duì)其進(jìn)行了分析，并采用強(qiáng)度折減法分析了地基土強(qiáng)度變化對(duì)于海堤工程整體穩(wěn)定性的影響。

1 計(jì)算原理

在建模計(jì)算時(shí)，將土體的強(qiáng)度指標(biāo)C和φ的值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Fr，得到一組折減后新的參數(shù)值Cm和φm，然后再代入模型進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)計(jì)算過程中，假定不同的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，根據(jù)折減后的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行有限元分析，觀察計(jì)算是否收斂。判斷土體失穩(wěn)的依據(jù)大致有三種[6-8]：①折減后的土體強(qiáng)度參數(shù)使得計(jì)算不能收斂；②邊坡坡體的塑性區(qū)呈從坡腳到坡頂貫通的形式；③坡體中的特征點(diǎn)位移或應(yīng)變發(fā)生突變且無限發(fā)展。強(qiáng)度參數(shù)折減的計(jì)算公式[9]為：

2 工程概況

某海堤工程如圖1所示，堤高5 m，堤頂寬5 m，迎水側(cè)的坡度為1：3，迎水側(cè)最不利計(jì)算水深為3.5 m，背水側(cè)坡度為1：2。地基表層存在較厚的淤泥層，強(qiáng)度較差，對(duì)于堤身下方的淤泥層采用塑料排水板進(jìn)行預(yù)處理，排水板打設(shè)深度為15 m，間距為1.2 m。堤身施工分三個(gè)階段進(jìn)行填筑，每次填筑的高度分別為2 m，2 m，1 m。地基土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 海堤工程斷面示意圖Fig.1 Seawater engineering section schematic

表1 海堤工程地基土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of seafloor foundation soil

3 ABAQUS有限元模型

3.1 模型建立

整個(gè)海堤工程的計(jì)算分析假定為平面應(yīng)變問題，堤身和地基土體均采用四節(jié)點(diǎn)四邊形的實(shí)體單元CPE4R來模擬，網(wǎng)格劃分如圖2所示。地基土體的左右邊界限制水平位移，底部限制水平和豎向位移。為簡(jiǎn)化計(jì)算，進(jìn)行如下假定：波浪對(duì)海堤結(jié)構(gòu)的作用按靜水壓力考慮；不考慮塑料排水板對(duì)地基土形成的加筋作用；不考慮滲流的耦合作用。

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model meshing

該工程的ABAQUS有限元模擬共分為三個(gè)分析步[10]：Step-1，在只有地基土的情況下，施加重力，進(jìn)行地應(yīng)力平衡，消除土體歷史沉降產(chǎn)生的誤差；Step-2，利用生死單元功能，“復(fù)活”堤身結(jié)構(gòu)，同時(shí)施加堤身重力，使土體在其作用下發(fā)生的沉降；Step-3，施加靜水壓力。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

如圖3所示，應(yīng)力從上到下層層累加，分布較均勻，不同土層的交界面處應(yīng)力發(fā)生突變；淤泥區(qū)的土體強(qiáng)度較差，抗剪能力弱，與其他土體應(yīng)力云圖分界明顯；應(yīng)力等值線呈上凸型分布，說明由于堤身加載使得海堤正下方的土體承受了較大的附加應(yīng)力，長(zhǎng)此以往，地基土體從表層到深層不斷被壓縮，堤身會(huì)不斷發(fā)生沉降直至沉降終止。地基土的承載力越大，沉降越小，對(duì)海堤穩(wěn)定越有利。

如圖4所示，在上層的堤身和土體發(fā)生較大位移，堤身的最大位移為51.41 cm；從位移等值線的分布可以看出海堤工程堤身加載區(qū)的位移較大，等值線密集，位移發(fā)展速度較快，由中心區(qū)域向兩邊及更深處位移逐漸減小，等值線變稀疏，位移發(fā)展速度變慢。在海堤對(duì)土體的擾動(dòng)范圍內(nèi)，土體強(qiáng)度越大，承載力越高，受海堤加載影響產(chǎn)生的位移越小。因此，海堤基礎(chǔ)的加固對(duì)限制海堤工程位移的發(fā)展尤為重要。

如圖5所示，海堤工程地基土體水平位移較大區(qū)出現(xiàn)在堤身兩側(cè)，這是由于堤身加載使得海堤下方的土體固結(jié)而產(chǎn)生壓縮變形，擠壓兩側(cè)土體從而使得堤身兩側(cè)區(qū)域土體水平位移較大。由于堤身兩側(cè)土體向相反方向滑移，當(dāng)表層的土體強(qiáng)度不足，受壓變形較大時(shí)，極易使得海堤發(fā)生坍塌破壞。因此上部結(jié)構(gòu)施工前，需對(duì)承載力不良塑性較大的土體進(jìn)行預(yù)處理，提高其強(qiáng)度。圖中發(fā)生滑移土體的最大相對(duì)位移為14.069 cm，數(shù)值較小，不影響海堤的穩(wěn)定性，說明采用塑料排水板排水固結(jié)的效果理想。

如圖6所示，豎向位移云圖與整體位移云圖基本一致，說明從長(zhǎng)期變形角度來看，海堤的位移以豎向位移為主；豎向位移最大值為51.40 cm，海堤堤身兩側(cè)均出現(xiàn)較小的隆起；與圖4比較得，在同一深度的土層中，豎向位移雖然大于水平位移，但豎向位移由于土體受壓固結(jié)引起，分布均勻，歷時(shí)長(zhǎng)，具有一定的整體性，破壞效果不明顯。故海堤工程地基土體的水平位移對(duì)整個(gè)海堤工程影響較大，須作為工程加固的重點(diǎn)。

4 海堤整體穩(wěn)定性分析

海堤結(jié)構(gòu)的整體位移和失穩(wěn)破壞主要取決于地基土的變形和承載能力，地基處理的范圍和深度對(duì)海堤的穩(wěn)定性影響較大，故對(duì)塑料排水板處理區(qū)土體的強(qiáng)度指標(biāo)和進(jìn)行強(qiáng)度折減來研究海堤工程的穩(wěn)定性。在ABAQUS定義一個(gè)場(chǎng)變量Field1作為折減系數(shù)，初始值取0.5，終值取2。計(jì)算得出各折減系數(shù)下的塑性區(qū)云圖，如圖7所示。

如圖7所示，塑性變形最大區(qū)出現(xiàn)在排水板處理區(qū)和淤泥區(qū)交界面的底部，此處的處理區(qū)土體受壓最大，擠壓作用于淤泥區(qū)土體使其產(chǎn)生了較大的塑性變形，排水板處理區(qū)土體強(qiáng)度的變化，對(duì)淤泥區(qū)的塑性變形影響很小。隨著折減系數(shù)逐漸增大，塑料排水板處理區(qū)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小，抗剪性能減弱，塑性區(qū)范圍逐漸變大。當(dāng)F=1.6時(shí)，排水板處理區(qū)土體的塑性范圍已經(jīng)與海堤堤身貫通；隨著折減系數(shù)繼續(xù)增大，塑性區(qū)也進(jìn)一步擴(kuò)大，土體承載力減弱，地基土體向兩側(cè)滑移，極易造成海堤堤身結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。所以，該海堤工程的安全系數(shù)在1.6左右。

圖3 Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises Stress cloud

圖4 Magnitude位移云圖Fig.4 Displacement cloud image

圖5 水平位移云圖Fig.5 Horizontal displacement cloud image

圖6 豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement cloud image

圖7 塑性應(yīng)變分布隨折減系數(shù)的變化Fig.7 Changes in plastic strain distribution with reduction factor

5 結(jié)語

（1）在堤身下方土體未作固結(jié)排水處理的情況下，也進(jìn)行了海堤工程的建模，發(fā)現(xiàn)由于土體塑性變形過大而無法計(jì)算。說明在建造上部結(jié)構(gòu)之前先進(jìn)行軟弱土體排水固結(jié)的預(yù)處理是必要且有效的。

（2）海堤工程上層土體的水平位移對(duì)于海堤的整體穩(wěn)定性有重要影響，必須對(duì)地基土體的水平位移進(jìn)行加固；在地基土體強(qiáng)度較大時(shí)，海堤工程的豎向位移對(duì)于穩(wěn)定性影響較小，為長(zhǎng)期的不可避免的固結(jié)沉降。

（3）采用折減系數(shù)法，可以直觀地反映出海堤工程地基土體的塑性變化，采用這種方法研究海堤工程的穩(wěn)定性，是可取且實(shí)用的。

（4）本工程只考慮了自重及波浪力的作用，且模型大小有限，這在實(shí)際中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。若將滲透力考慮其中，將波浪力、自重應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)進(jìn)行耦合，計(jì)算結(jié)果將更加精確。后期繼續(xù)從事該方向的研究。