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基于abaqus的海底滑坡稳定性分析研究
祁磊
1,2，刘振纹1,2，许浩1,2，邓海峰1,2，李春1,2，赵开龙1,2，徐爽
1,2
（1.中国石油集团工程技术研究院，2．中国石油天然气集团海洋工程重点实验室）
摘要：本文主要探讨了采用数值分析手段分析海底滑坡稳定性的方法，并基于强度折减法分析了不同坡面角度、
不同下卧软土层厚度对海底滑坡稳定性的影响，发现稳定性随着坡角的增大而降低，软土层对稳定性有着很
大影响，并随着软土层厚度的增大而降低，并影响破裂面的形状，这可为在不同坡角，不同地质条件下海工
结构物基础选址提供参考。
关键词：海底滑坡稳定性；下卧软土；坡角
1引言
伴随着海洋油气勘探开发的逐渐深入，危及其作业安全的海洋工程地质灾害问题也日益
突出。可能引起的工程地质灾害因素包括海底滑坡、浅部断层、浅层气、天然气水合物、浅
层高压水流、古河谷、泥穿刺与泥火山、异常高压、埋藏古河道和潮流沙脊等。
图1Camerlenghi世界深水区主要地质灾害类型
而其中海底滑坡是常见的一种海洋工程地质灾害，可能引起钻井平台的倾覆、海底管道
的扭曲甚至被切断等，因此应当对海底滑坡的机理、影响因素等引起足够的重视。海底滑坡
直接影响着海洋构筑物的稳定，导致石油平台倾覆或输油管道的破坏等一系列灾难性事故，
造成人力和财力损失，因此研究海底滑坡稳定性具有非常重要的价值。
2滑坡稳定性计算方法
海底滑坡实际上也是一种边坡稳定性问题，其问题的关键在于如何寻求滑裂面，以及如何寻
求滑裂面上的平均抗剪强度τf和平均剪应力τ。目前边坡工程的稳定性评价方法有极限平衡法、数
值分析法以及概率法。边坡稳定性的大小，习惯采用边坡安全系数来衡量。1955年，毕肖普
(A．W．Bishop)明确了土坡稳定安全系数的定义：
Fs=τf/τ
其中：τf为沿整个滑裂面上的平均抗剪强度；τ为沿整个滑裂面上的平均剪应力；Fs为边坡稳定
安全系数。Fs1边坡失稳。
极限平衡法是工程实践中最早普遍应用的一种定量分析方法，其是通过搜索多个可能的滑动
面试算出一系列稳定安全系数，比较各安全系数最小值所对应的滑动面即为最危险滑裂面，有条分
法、圆弧滑动法等方法，但该方法要假定多个滑裂面计算较为繁琐，尤其是对于三维坡面结构计算
尤其复杂。
概率法主要是把可靠度理论运用到边坡稳定性分析中，以概率统计法为思想基础，将边坡稳定
问题看做一个随机过程，不仅考虑岩土体抗剪强度参数粘聚力C与内摩擦角?的取值对计算结果的
影响，同时关注材料的离散性及相关性。
随着计算机性能的不断提高，采用数值模拟技术开展斜坡稳定性分析得到了更广泛的应用。其
中应用较多的是有限元方法。而强度折减有限元法可用于分析边坡的稳定性。该方法是通过降低岩
土体强度参数取值的方法来进行土坡稳定分析和安全系数计算。参数设置简单，计算结果与传统条
分法等极限平衡理论方法一致，尤其是其能直接给出破裂面位置，因此本文在模拟海底滑坡稳定性
中主要采用该方法。
3基于强度折减的海底滑坡稳定性计算分析方法
强度折减有限元法的核心是抗剪强度折减系数，抗剪强度折减系数(SSRF：ShearStrength
ReductionFactor)定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷
载在边坡内所产生的实际剪应力之比。这与极限平衡分析中所定义的土坡稳定安全系数在本质上是
一致的。具体是将土体的抗剪强度指标C和?，用一个折减系数
F
s
，如式(1)和(2)所示的形式进
行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标CF和
?
F
，取代原来的抗剪强度指标C和?，如式（3）
所示。
CF?C/F
s
（式1）
??tan?1
F((tan?)/F
s
)
（式2）
?fF?C??tan?
FF
（式3）
式中：CF是折减后土体虚拟的粘聚力；
?
F
是折减后土体虚拟的内摩擦角；?fF是折减后的抗
剪强度。
Abaqus作为通用有限元软件，具备抗剪强度折减法计算边坡稳定性的能力。主要是采用定义场
变量实现的。具体步骤是在定义材料参数时定义场变量，在分析开始时给定场变量的大小，并对模
型施加重力（体力）载荷，在后续分析中线性增加场变量，计算终止后对结果进行处理，按照失稳
评价标准确定安全系数。失稳评价标准主要有位移-场变量曲线法（如图2）、不收敛点判断法等方
法。材料参数可采用Mohr-Coulomb准则等。
折减系数曲线计算所得滑裂面
图2折减系数曲线及滑裂面
4海底滑坡影响因素分析
以某海上平台场址土体参数为例，土体饱和容重为18kN/m3，粘聚力8kPa，忽略土体摩
擦角，土体粘聚力折减参数如下表所示。
表1土体折减参数