基于有限元强度折减法的南海某典型峡谷区斜坡稳定性评价

发布时间：2020-09-17 15:55

　　随着海洋油气资源的开发，各种海底工程的不断建设，由海底滑坡导致的海底构筑物损坏、钻井平台倾覆或油气输送管道破坏等一系列灾害日益增多，造成的经济损失也日益增大，因此，海底斜坡的稳定性研究具有非常重要的工程意义。目前斜坡稳定性的研究多是针对陆地斜坡，而对海底斜坡的稳定性研究相对较少，并且对滑坡的分析研究多是以定性描述为主，定量分析较少。鉴于此，本文基于数值模拟平台和有限元强度折减法进行南海某典型峡谷区海底斜坡稳定性评价，可以给出海底斜坡稳定性安全系数等定量数据，并对影响海底斜坡稳定性的各种因素进行深入讨论。本文开展的主要工作包括：（1）论述和分析了国内外关于海底斜坡稳定性的研究现状；系统介绍了海底斜坡稳定性评价的研究方法。（2）将基于数值模拟软件ABAQUS的有限元强度折减法应用到海底斜坡稳定性评价中，阐述了有限元强度折减法的基本理论及其优点；根据不同的海底斜坡稳定性失稳判据评价了自重荷载和地震荷载作用下的海底斜坡稳定性；介绍了海底斜坡稳定性评价时采用的本构模型、强度屈服准则和流动法则等；并系统介绍了有限元分析软件ABAQUS解决工程问题时的相关理论。（3）基于ABAQUS软件，采用有限元强度折减法评价了自重荷载作用下的南海某典型峡谷区海底斜坡稳定性，定性分析了均质斜坡与含软弱夹层斜坡在失稳过程中塑性应变区的发展，研究结果表明二者的塑性应变区发展过程及最终形成的潜在滑裂面形状存有差异：均质斜坡随着荷载施加首先由坡脚处产生塑性屈服，然后逐渐延伸至坡顶，最终形成圆弧状潜在滑裂面；而含软弱层层的海底斜坡随着荷载施加首先在软弱层出现塑性应变区，并逐渐扩展，随后与坡脚处延伸的塑性应变区贯通，形成折线式潜在滑裂带，且滑裂带大致由坡脚到软弱夹层底部的弧形段、软弱夹层中的直线段和软弱夹层到坡顶的圆弧段三段组成。对比分析了相同条件下均质斜坡和含软弱夹层斜坡的稳定安全系数，表明软弱夹层的存在降低了斜坡的抗失稳能力；讨论了海底斜坡坡度、土体抗剪强度（粘聚力和内摩擦角）等斜坡土体参数对海底斜坡稳定性的影响，结果表明了：海底斜坡坡度越大，海底斜坡越容易失稳；粘聚力越大、内摩擦角越大，海底斜坡抗失稳能力越强，越稳定。（4）基于ABAQUS软件，采用有限元强度折减法评价了地震荷载作用下的南海某典型峡谷区斜坡稳定性，定性分析了斜坡失稳过程中塑性应变区的发展，与自重荷载作用下的斜坡塑性应变区发展相类似，但施加地震荷载之后塑性应变区贯通带的剪出位置相对远离坡脚、滑裂面后沿相对远离坡肩、滑裂面位置更深、滑坡体体积更大；将地震力分解成水平和竖直两个方向的分量，分别讨论水平地震分量和竖向地震分量对海底斜坡稳定性的影响，对比分析了地震荷载作用和自重荷载作用下斜坡抗失稳能力，结果表明：水平向外的地震分量降低了海底斜坡的抗失稳能力，不利于海底斜坡的稳定；竖向地震分量对海底斜坡稳定性的影响并不单一，竖直向上的地震分量有利于海底斜坡的稳定性，而竖直向下的地震分量不利于海底斜坡的稳定性。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P736.12
【部分图文】：

流程图,数值计算,流程,段长度

图 2.1 数值计算流程中定义简化的坡面几何形状如图 2.2 所示，为了避免边界效应的影响H、CD 段长度不得低于 2.5H、CB 段长度不得低于 2H。图 2.2 斜坡几何模型模块中定义土体的材料属性，如图 2.3 所示，选用莫尔库仑强度屈服，定义材料的弹性模量、泊松比、材料的不排水强度等；Assemble成整体，形成有限元模型。

几何模型,斜坡,不排水强度

14图 2.2 斜坡几何模型operty 模块中定义土体的材料属性，如图 2.3 所示，选用莫尔库仑强度屈服准则及构模型，定义材料的弹性模量、泊松比、材料的不排水强度等；Assemble 模块将型组合成整体，形成有限元模型。

材料参数,土体,海底斜坡

图 2.3 土体的材料参数中创建分析步，设定输出数据等，其中创建分析步时需要选择分析分析，本文采用静力分析（Static，General），设定计算所需的输出。中定义荷载、位移及其他边界条件，图 2.2 中的底边 AB 为完全约移，两侧边界 AF、CB 设为水平位移约束，如图 2.4 所示；施加荷载来实现重力荷载的施加，另外考虑到所研究的海底斜坡在深灰环故采用浮重度来代替。

【参考文献】