ABAQUS软件在土石坝工程中的应用

魏汝锋（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081）

ABAQUS软件在土石坝工程中的应用

魏汝锋
（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081）

摘 要：土石坝的材料均为非线性材料，即材料在受荷后会发生屈服，除弹性变形外还有不可恢复的塑性变形。邓肯E-B模型是一种非线性弹性模型，理论简单，可以反映土体变形的主要特点，各种土的邓肯模型参数取值也积累了很多经验，在土石坝的静力分析中得到广泛应用。ABAQUS软件能够模拟非线性的问题，其计算可靠性也得到广泛认可。本文利用ABAQUS软件对理想土石坝进行静力分析，并得到合理可靠的结果。

关键词：土石坝；ABAQUS；邓肯E-B模型；静力分析

1 引言

近年来，随着有限单元法的迅速发展及电子计算机技术的不断发展，各种大型通用的有限元软件应运而生，并在多个领域得到广泛应用，发挥了巨大的作用。现今，有限元在土石坝工程中也已得到广泛应用，我国土石坝规范已规定，高土石坝应采用静力非线性有限元数值方法分析应力变形。但是目前的有限元分析软件种类很多，而在不同软件中实现应力变形分析的方法不尽相同。本文选择大型有限元软件ABAQUS，对某一土石坝进行简单的静力分析。

2 ABAQUS软件

ABAQUS软件是由美国HKS公司开发的软件产品，该软件是目前国际上最强大的非线性有限元分析工具之一，具有灵活和功能强大的二次开发平台，能够模拟非常复杂的工况和处理高度非线性的问题，其计算可靠性也得到广泛认可。

ABAQUS为用户提供了强大而灵活的用户子程序接口（USER SUBROUTINE）和应用程序接口（UTILITY ROUTINE）.用户可以定义包括边界条件、荷载条件、接触条件、材料特性以及利用用户子程序和其他应用软件进行数据交换等。

用户自定义材料子程序UMAT是ABAQUS提供给用户定义自己的材料属性的二次开发接口。它的主要任务是根据ABAQUS主程序传入的应变增量更新应力增量和状态变量，并给出材料的雅克比（Jacobian）矩阵Δσ/Δε供ABAQUS求解使用。

还有需要注意的一点，ABAQUS中以拉为正，ABAQUS中的小主应力对应于岩土工程中的大主应力。

3 邓肯模型

邓肯模型有E-v模型和E-B模型两类，本文分析应用的是E-B模型。

切线弹性模量Et为：

为考虑土石料材料强度的非线性，内摩擦角为：

式中：φ0、φ为试验常数。

当偏应力σ1-σ3小于历史最大偏应力（σ1-σ3）0，且应力水平S小于历史最大应力水平S0时，采用卸荷与重复加荷模量Eur：

式中：Kur、n是试验常数。

体积模量Bt：

式中：Kb和m为试验常数。

4 理想土石坝静力分析实现

某心墙堆石坝，坝高100m，坝顶宽10m，上下游坝坡坡比1:2，心墙顶宽6m，心墙坡比为1:0.2；正常蓄水位80m。材料的邓肯模型参数如表1所示。

表1 邓肯模型参数

本文将对大坝进行二维分析（厚度方向取5m）。大坝施工分10级，每级填土厚度为10m。对土石坝的施工过程进行仿真模拟，并得出最终的应力及变位等值线图。

在建模过程中，在Property模块中，输入相应材料的模型参数，并事先按照UMAT子程序规则编好邓肯EB材料模型的FORTRAN文件Duncan-eb.for，然后提交Job。最后进入Visualization后处理模块，打开相应的计算结果数据库文件。

图1 坝体的有限元网格图

5 结果分析

图2 竣工期坝体的小主应力等值线图

图3 竣工期坝体的大主应力等值线图

5.1

应力分析由上面两应力等值线图可见，坝体的大、小主应力均有较好的分布规律，离开坝面距离越远，应力值越高。由于坝壳和心墙的模量差异，小主应力等值线（岩土工程中的大主应力）在心墙和坝壳之间出现了“拱效应”，符合一般土石坝的应力计算规律，也验证了土石坝应力分析可在ABAQUS中很好的实现。

5.2 位移分析

图4 竣工期坝体的水平位移等值线图

由于坝体左右对称，且在施工期只受自重作用，因而竣工期坝壳上、下游的水平位移也是对称分布，各自指向坡外方向。在ABAQUS中分析得出的等值线图上得到很好的反应。

图5 竣工期坝体的沉降等值线图

符合心墙坝实际垂直位移分布规律。至于图上等值线明显的台阶状，原因是对于各级填土，载荷是一次增加的，其顶面位移不为零，造成大坝施工完成后累计位移呈现出台阶状。对实际工程进行计算模拟时可通过软件对位移分析进行修正，消除等值线台阶状，而更好的反应实际情况。

6 结语

本文通过采用ABAQUS有限元分析软件对土石坝施工过程进行了模拟分析，得出的土石坝应力变形分布结果符合土石坝的一般分布规律。在分析过程中，利用了ABAQUS软件的二次开发功能，即采用软件的UMAT接口，导入岩土工程中常用的Duncan-Chang EB本构模型，更好的模拟了土石坝填筑料的特性；另外，利用ABAQUS软件强大的后处理功能，将分析得出的应力及位移，以场变量形式输出，并能绘出相应的等值线云图。这说明对土石坝的静力分析可在ABAQUS软件中得到很好的实现。

参考文献：

[1]陈慧远.土石坝有限元分析[M].南京:河海大学出版社,1988.

[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社,2010.

作者简介：魏汝锋（1987-），男，山东省阳谷县人，助理工程师，主要从事:水利水电工程设计工作。