GTS NX在遇“新项目临近桩基础时的影响性分析”时的功能悖论

前几天写了盾构隧道下穿城市桥梁的分析，最终呈现出的结果，基本也符合预期，但是从软件的应用上看，在建模分析的过程中，对于桩基的处理，其实是存在一些问题的。这个问题是，当我们关心新项目的实施对既有结构的附加位移影响时，桩基做为既有结构存在，历史应力造成的位移问题很难妥善处理。

 一般来说，GTS NX中模拟桩基有三种方式：1）植入式梁单元。2）梁单元。3）梁单元 桩（界面）单元。

从建模角度来看，“植入式梁单元”不需要考虑桩基和周围土体单元的耦合，所以建模最省力。“梁单元”需要考虑耦合，所以建模需首先执行“自动印刻”命令，然后在划分实体时，做为内部线一并划分，以达到耦合的目的。而“梁单元 桩（界面）单元”在建模时梁单元也无需与土体单元耦合，但在划分好的梁单元上，需附加界面单元。

从适用条件来看，“植入式梁单元”适合一些埋入式杆件结构，例如管棚，隔离桩，或不做为主要分析对象的杆件结构的简化建模。“梁单元”则可以模拟通常意义上符合梁的受力特性的杆件结构，而对是否出露于土体没有要求。只要受力特性符合，皆可以用梁单元，除常用于模拟桩基之外，其它形式的杆件结构也无限制。比如隧道荷载结构法对二衬的受力分析，通常就选择梁单元。建筑物桩基，边坡抗滑桩，通常也是用梁单元模拟。“梁单元 桩（界面）单元”适用对象比较单一，通常只用于桩基的模拟，属于考虑桩土摩擦的完整建模方式，例如摩擦桩、端承桩，完整的模拟方式一般都要借助桩界面单元来实现。

从模拟效果上来看，“植入式梁单元”和“梁单元”在模拟桩基时，得到的桩身内力通常不连续，在节点位置存在突变，也不能查看桩土摩擦力。“梁单元 桩（界面）单元”的模拟方式得到的内力结果更加符合实际情况，且可以查看桩土摩擦力。

在以上背景下，回到最初的问题：“桩基做为既有结构存在时，历史应力造成的位移问题很难妥善处理”。当桩基做为既有结构存在于模型中时，往往自身已经发生的既有位移不考虑，也即历史遗留问题，在新项目实施时不纳入考虑范围，分析所考虑的位移只有新项目施工产生的新增位移。此时需要用到软件提供的“位移清零”功能。

但是该功能的设定是，只能对“弹性范围内的位移实现清零”，当模型中存在非线性变形或单元时，例如边坡工程中由于地层中的偏应力产生的位移，或我们在前文所述的盾构隧道下穿既有结构桩基使用了桩“界面”单元时，位移清零是无法实现的。

所以这就产生了一个悖论。

从“仅考虑新增的附加位移”的角度，需要实现“位移清零”，此时需要用“植入式单元”或“梁单元”来模拟。但忽略掉桩基内力的问题，“植入式单元”和“梁单元”的位移结果差别不大，但通常在此类模型中得到的桥梁墩顶的结果是隆起的，这个结果在很多实际项目中都被认为是不合理的结果。此时可以实现位移清零，但是对于我们关心的既有桥梁的墩顶位移，得到的分析结果不合理。

而如果使用“梁 （界面）单元”来进行分析，得到的结果趋势是合理的。但是明显可见，在开挖伊始，开挖距离桥墩尚远的时候，墩顶就已经产生了5.230mm的沉降。这显然是不合理的。

这个突然发生的沉降，就是未被“清零”掉的既有结构的位移。从下图可见，位移清零后的空阶段，墩顶依旧产生了6.405mm的沉降。

所以，从结果趋势的合理性上考虑，我们分析时，应该考虑使用“梁 桩（界面）单元”来模拟，但是从功能实现上来看，存在桩（界面）时，“位移清零”无法消除历史应力产生的位移影响，这又为我们的分析带来不便。

综上，其实没有既轻巧又简便的模拟方式。但综合分析效果来看，遇到类似项目时，我们优先考虑的，仍旧应该是“梁 桩（界面）单元”来模拟桥梁或建筑物的桩基。只是在分析工况设定和最终的数据处理时，需要一些技巧。

首先，分析工况设定时，需要设置“无干扰的初始阶段”，即我们通常所说的空阶段，以此获得开挖前既有应力场造成的已经存在的位移。我的处理方式通常如下：

按照此施工阶段进行设置，程序输出0阶段的结果，最后的数据处理时，各施工阶段结果-0阶段结果，即为新项目实施的附加位移结果了。从数据结果上可见，桥墩经历了先隆起后沉降的过程，即盾构未到达时，呈现隆起的效果，但是盾构逐步靠近并穿越时，体现了持续的沉降结果。

不过要注意的是，数据处理我们虽然可以用此方式来进行。但是获得云图结果，仍旧是带有初始位移的，也即，云图结果其实是桥梁存在的累积位移，如果需要得到新增位移结果，需要使用软件中的结果处理命令进行云图结果的计算。这个功能就留给各位去探索了。

看到的结尾的都是真爱，所以附赠一个建模时的小秘密：使用“梁 桩（界面）单元”来模拟桩基时，用于模拟桩基的几何线，是不能做“自动印刻”的。否则虽然可以正常建模，但是得到的模型，在梁单元和桩（界面）单元激活时，模型通常是不收敛的~（想不到吧~遇界面时的不收敛，不一定是因为界面参数~~）