基于ABAQUS强度折减法的某海堤工程稳定性分析

殷 鑫，高 伟，高华喜

（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山市水运工程检测中心有限公司，浙江舟山 316000）

随着沿海地区经济建设的发展，城市综合用地需求上升，众多围垦工程陆续建设。其中，海堤在整个围垦工程中起着至关重要的作用。我国东南沿海的海堤工程易受风暴潮影响[1]，而海堤的稳定性直接关系到后方陆域是否安全，因此开展海堤工程的稳定性研究分析具有重大意义。

关于海堤稳定性研究的方法较多，研究成果也十分丰富。毛昶熙等[2]对斜坡式海堤、直立式海堤和带平台复式断面海堤分别进行了非稳定渗流有限元法计算及在潮位和波浪作用下的抗滑整体稳定性计算，比较其优劣性；林奇等[3]利用有限元法和通用条分法GLE分析了潮位涨落对海堤稳定性的影响；郭翔等[4]采用极限平衡法与有限元强度折减法分析了高潮位作用下施工期内海堤的抗滑稳定性；蔡汝铭等[5]利用极限平衡法研究了采用单排桩加固方案的海堤工程的稳定性。

本文根据某海堤工程的设计资料，采用大型有限元软件ABAQUS对受重力和波浪力作用的海堤工程建立了二维有限元模型，根据应力云图和位移云图对其进行了分析，并采用强度折减法分析了地基土强度变化对于海堤工程整体稳定性的影响。

1 计算原理

在建模计算时，将土体的强度指标C和φ的值同时除以一个折减系数Fr，得到一组折减后新的参数值Cm和φm，然后再代入模型进行计算。整个计算过程中，假定不同的强度折减系数Fr，根据折减后的强度参数进行有限元分析，观察计算是否收敛。判断土体失稳的依据大致有三种[6-8]：①折减后的土体强度参数使得计算不能收敛；②边坡坡体的塑性区呈从坡脚到坡顶贯通的形式；③坡体中的特征点位移或应变发生突变且无限发展。强度参数折减的计算公式[9]为：

2 工程概况

某海堤工程如图1所示，堤高5 m，堤顶宽5 m，迎水侧的坡度为1：3，迎水侧最不利计算水深为3.5 m，背水侧坡度为1：2。地基表层存在较厚的淤泥层，强度较差，对于堤身下方的淤泥层采用塑料排水板进行预处理，排水板打设深度为15 m，间距为1.2 m。堤身施工分三个阶段进行填筑，每次填筑的高度分别为2 m，2 m，1 m。地基土的物理力学参数见表1。

图1 海堤工程断面示意图Fig.1 Seawater engineering section schematic

表1 海堤工程地基土体的物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of seafloor foundation soil

3 ABAQUS有限元模型

3.1 模型建立

整个海堤工程的计算分析假定为平面应变问题，堤身和地基土体均采用四节点四边形的实体单元CPE4R来模拟，网格划分如图2所示。地基土体的左右边界限制水平位移，底部限制水平和竖向位移。为简化计算，进行如下假定：波浪对海堤结构的作用按静水压力考虑；不考虑塑料排水板对地基土形成的加筋作用；不考虑渗流的耦合作用。

图2 模型网格划分Fig.2 Model meshing

该工程的ABAQUS有限元模拟共分为三个分析步[10]：Step-1，在只有地基土的情况下，施加重力，进行地应力平衡，消除土体历史沉降产生的误差；Step-2，利用生死单元功能，“复活”堤身结构，同时施加堤身重力，使土体在其作用下发生的沉降；Step-3，施加静水压力。

3.2 计算结果分析

如图3所示，应力从上到下层层累加，分布较均匀，不同土层的交界面处应力发生突变；淤泥区的土体强度较差，抗剪能力弱，与其他土体应力云图分界明显；应力等值线呈上凸型分布，说明由于堤身加载使得海堤正下方的土体承受了较大的附加应力，长此以往，地基土体从表层到深层不断被压缩，堤身会不断发生沉降直至沉降终止。地基土的承载力越大，沉降越小，对海堤稳定越有利。

如图4所示，在上层的堤身和土体发生较大位移，堤身的最大位移为51.41 cm；从位移等值线的分布可以看出海堤工程堤身加载区的位移较大，等值线密集，位移发展速度较快，由中心区域向两边及更深处位移逐渐减小，等值线变稀疏，位移发展速度变慢。在海堤对土体的扰动范围内，土体强度越大，承载力越高，受海堤加载影响产生的位移越小。因此，海堤基础的加固对限制海堤工程位移的发展尤为重要。

如图5所示，海堤工程地基土体水平位移较大区出现在堤身两侧，这是由于堤身加载使得海堤下方的土体固结而产生压缩变形，挤压两侧土体从而使得堤身两侧区域土体水平位移较大。由于堤身两侧土体向相反方向滑移，当表层的土体强度不足，受压变形较大时，极易使得海堤发生坍塌破坏。因此上部结构施工前，需对承载力不良塑性较大的土体进行预处理，提高其强度。图中发生滑移土体的最大相对位移为14.069 cm，数值较小，不影响海堤的稳定性，说明采用塑料排水板排水固结的效果理想。

如图6所示，竖向位移云图与整体位移云图基本一致，说明从长期变形角度来看，海堤的位移以竖向位移为主；竖向位移最大值为51.40 cm，海堤堤身两侧均出现较小的隆起；与图4比较得，在同一深度的土层中，竖向位移虽然大于水平位移，但竖向位移由于土体受压固结引起，分布均匀，历时长，具有一定的整体性，破坏效果不明显。故海堤工程地基土体的水平位移对整个海堤工程影响较大，须作为工程加固的重点。

4 海堤整体稳定性分析

海堤结构的整体位移和失稳破坏主要取决于地基土的变形和承载能力，地基处理的范围和深度对海堤的稳定性影响较大，故对塑料排水板处理区土体的强度指标和进行强度折减来研究海堤工程的稳定性。在ABAQUS定义一个场变量Field1作为折减系数，初始值取0.5，终值取2。计算得出各折减系数下的塑性区云图，如图7所示。

如图7所示，塑性变形最大区出现在排水板处理区和淤泥区交界面的底部，此处的处理区土体受压最大，挤压作用于淤泥区土体使其产生了较大的塑性变形，排水板处理区土体强度的变化，对淤泥区的塑性变形影响很小。随着折减系数逐渐增大，塑料排水板处理区土体的粘聚力和内摩擦角逐渐减小，抗剪性能减弱，塑性区范围逐渐变大。当F=1.6时，排水板处理区土体的塑性范围已经与海堤堤身贯通；随着折减系数继续增大，塑性区也进一步扩大，土体承载力减弱，地基土体向两侧滑移，极易造成海堤堤身结构的失稳。所以，该海堤工程的安全系数在1.6左右。

图3 Mises应力云图Fig.3 Mises Stress cloud

图4 Magnitude位移云图Fig.4 Displacement cloud image

图5 水平位移云图Fig.5 Horizontal displacement cloud image

图6 竖向位移云图Fig.6 Vertical displacement cloud image

图7 塑性应变分布随折减系数的变化Fig.7 Changes in plastic strain distribution with reduction factor

5 结语

（1）在堤身下方土体未作固结排水处理的情况下，也进行了海堤工程的建模，发现由于土体塑性变形过大而无法计算。说明在建造上部结构之前先进行软弱土体排水固结的预处理是必要且有效的。

（2）海堤工程上层土体的水平位移对于海堤的整体稳定性有重要影响，必须对地基土体的水平位移进行加固；在地基土体强度较大时，海堤工程的竖向位移对于稳定性影响较小，为长期的不可避免的固结沉降。

（3）采用折减系数法，可以直观地反映出海堤工程地基土体的塑性变化，采用这种方法研究海堤工程的稳定性，是可取且实用的。

（4）本工程只考虑了自重及波浪力的作用，且模型大小有限，这在实际中是远远不够的。若将渗透力考虑其中，将波浪力、自重应力场和渗流场进行耦合，计算结果将更加精确。后期继续从事该方向的研究。