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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