ABAQUS軟件在土石壩工程中的應(yīng)用

魏汝鋒（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550081）

ABAQUS軟件在土石壩工程中的應(yīng)用

魏汝鋒
（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550081）

摘 要：土石壩的材料均為非線性材料，即材料在受荷后會(huì)發(fā)生屈服，除彈性變形外還有不可恢復(fù)的塑性變形。鄧肯E-B模型是一種非線性彈性模型，理論簡單，可以反映土體變形的主要特點(diǎn)，各種土的鄧肯模型參數(shù)取值也積累了很多經(jīng)驗(yàn)，在土石壩的靜力分析中得到廣泛應(yīng)用。ABAQUS軟件能夠模擬非線性的問題，其計(jì)算可靠性也得到廣泛認(rèn)可。本文利用ABAQUS軟件對理想土石壩進(jìn)行靜力分析，并得到合理可靠的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：土石壩；ABAQUS；鄧肯E-B模型；靜力分析

1 引言

近年來，隨著有限單元法的迅速發(fā)展及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種大型通用的有限元軟件應(yīng)運(yùn)而生，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。現(xiàn)今，有限元在土石壩工程中也已得到廣泛應(yīng)用，我國土石壩規(guī)范已規(guī)定，高土石壩應(yīng)采用靜力非線性有限元數(shù)值方法分析應(yīng)力變形。但是目前的有限元分析軟件種類很多，而在不同軟件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變形分析的方法不盡相同。本文選擇大型有限元軟件ABAQUS，對某一土石壩進(jìn)行簡單的靜力分析。

2 ABAQUS軟件

ABAQUS軟件是由美國HKS公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，該軟件是目前國際上最強(qiáng)大的非線性有限元分析工具之一，具有靈活和功能強(qiáng)大的二次開發(fā)平臺(tái)，能夠模擬非常復(fù)雜的工況和處理高度非線性的問題，其計(jì)算可靠性也得到廣泛認(rèn)可。

ABAQUS為用戶提供了強(qiáng)大而靈活的用戶子程序接口（USER SUBROUTINE）和應(yīng)用程序接口（UTILITY ROUTINE）.用戶可以定義包括邊界條件、荷載條件、接觸條件、材料特性以及利用用戶子程序和其他應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。

用戶自定義材料子程序UMAT是ABAQUS提供給用戶定義自己的材料屬性的二次開發(fā)接口。它的主要任務(wù)是根據(jù)ABAQUS主程序傳入的應(yīng)變增量更新應(yīng)力增量和狀態(tài)變量，并給出材料的雅克比（Jacobian）矩陣Δσ/Δε供ABAQUS求解使用。

還有需要注意的一點(diǎn)，ABAQUS中以拉為正，ABAQUS中的小主應(yīng)力對應(yīng)于巖土工程中的大主應(yīng)力。

3 鄧肯模型

鄧肯模型有E-v模型和E-B模型兩類，本文分析應(yīng)用的是E-B模型。

切線彈性模量Et為：

為考慮土石料材料強(qiáng)度的非線性，內(nèi)摩擦角為：

式中：φ0、φ為試驗(yàn)常數(shù)。

當(dāng)偏應(yīng)力σ1-σ3小于歷史最大偏應(yīng)力（σ1-σ3）0，且應(yīng)力水平S小于歷史最大應(yīng)力水平S0時(shí)，采用卸荷與重復(fù)加荷模量Eur：

式中：Kur、n是試驗(yàn)常數(shù)。

體積模量Bt：

式中：Kb和m為試驗(yàn)常數(shù)。

4 理想土石壩靜力分析實(shí)現(xiàn)

某心墻堆石壩，壩高100m，壩頂寬10m，上下游壩坡坡比1:2，心墻頂寬6m，心墻坡比為1:0.2；正常蓄水位80m。材料的鄧肯模型參數(shù)如表1所示。

表1 鄧肯模型參數(shù)

本文將對大壩進(jìn)行二維分析（厚度方向取5m）。大壩施工分10級，每級填土厚度為10m。對土石壩的施工過程進(jìn)行仿真模擬，并得出最終的應(yīng)力及變位等值線圖。

在建模過程中，在Property模塊中，輸入相應(yīng)材料的模型參數(shù)，并事先按照UMAT子程序規(guī)則編好鄧肯EB材料模型的FORTRAN文件Duncan-eb.for，然后提交Job。最后進(jìn)入Visualization后處理模塊，打開相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件。

圖1 壩體的有限元網(wǎng)格圖

5 結(jié)果分析

圖2 竣工期壩體的小主應(yīng)力等值線圖

圖3 竣工期壩體的大主應(yīng)力等值線圖

5.1

應(yīng)力分析由上面兩應(yīng)力等值線圖可見，壩體的大、小主應(yīng)力均有較好的分布規(guī)律，離開壩面距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越高。由于壩殼和心墻的模量差異，小主應(yīng)力等值線（巖土工程中的大主應(yīng)力）在心墻和壩殼之間出現(xiàn)了“拱效應(yīng)”，符合一般土石壩的應(yīng)力計(jì)算規(guī)律，也驗(yàn)證了土石壩應(yīng)力分析可在ABAQUS中很好的實(shí)現(xiàn)。

5.2 位移分析

圖4 竣工期壩體的水平位移等值線圖

由于壩體左右對稱，且在施工期只受自重作用，因而竣工期壩殼上、下游的水平位移也是對稱分布，各自指向坡外方向。在ABAQUS中分析得出的等值線圖上得到很好的反應(yīng)。

圖5 竣工期壩體的沉降等值線圖

符合心墻壩實(shí)際垂直位移分布規(guī)律。至于圖上等值線明顯的臺(tái)階狀，原因是對于各級填土，載荷是一次增加的，其頂面位移不為零，造成大壩施工完成后累計(jì)位移呈現(xiàn)出臺(tái)階狀。對實(shí)際工程進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)可通過軟件對位移分析進(jìn)行修正，消除等值線臺(tái)階狀，而更好的反應(yīng)實(shí)際情況。

6 結(jié)語

本文通過采用ABAQUS有限元分析軟件對土石壩施工過程進(jìn)行了模擬分析，得出的土石壩應(yīng)力變形分布結(jié)果符合土石壩的一般分布規(guī)律。在分析過程中，利用了ABAQUS軟件的二次開發(fā)功能，即采用軟件的UMAT接口，導(dǎo)入巖土工程中常用的Duncan-Chang EB本構(gòu)模型，更好的模擬了土石壩填筑料的特性；另外，利用ABAQUS軟件強(qiáng)大的后處理功能，將分析得出的應(yīng)力及位移，以場變量形式輸出，并能繪出相應(yīng)的等值線云圖。這說明對土石壩的靜力分析可在ABAQUS軟件中得到很好的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慧遠(yuǎn).土石壩有限元分析[M].南京:河海大學(xué)出版社,1988.

[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

作者簡介：魏汝鋒（1987-），男，山東省陽谷縣人，助理工程師，主要從事:水利水電工程設(shè)計(jì)工作。