软土地层开挖和支护模拟---Part 1

1 引言

软土通常指的是正常固结或稍微固结的粘土、粉质粘土、粘土淤泥和泥炭，软土最大的工程特征是含水量大，压缩性高。下面的题目讨论在软土中的开挖以及支护模拟，主要的模拟内容包括：

(1) 软土(Soft Soil)模型和硬化土(Hardening Soil)模型;

(2) 水压力(water pressures)的产生以及不排干Undrained (A)排水类型;

(3) 界面元模拟土-结构相互作用；

(4) 锚固元(anchor elements)以及固定端锚(Fixed-end-anchor)的设置;

(5) 多计算阶段(multiple calculation phases)模拟开挖过程(cluster de-activation)。

这个题目的模拟过程比较复杂，计划分成3至4部分分别讨论，今天介绍第一部分Part 1, 主要讨论几何模型和材料模型的建立以及地下连续墙的模拟设置方法。

2 几何模型

这个例子的工程背景是在靠近河流的地方进行明挖，开挖到一定深度后安装预制的隧道管道，这种施工方法类似于沉井基础的施工【沉井基础(Caisson Foundation)---形状和尺寸(Shape and Size) (3】。

为了安全开挖到设计深度，需要对开挖周围的软土使用地下连续墙和横向支杆进行支护，如下图所示。

整个模型由两层土组成。上层为20米厚的均匀软土层，下层是30m厚的均匀砂层。拟建的预制隧道坐落在砂层上，因此开挖深度为20米，开挖宽度为30米。开挖两侧使用30米长的地下连续墙支护，连续墙由水平支杆支撑，支杆垂直间隔为5米。

由于开挖在纵向上延伸了很远的距离，所以使用平面应变模型。此外，在开挖两侧的地表附近考虑了地表荷载，这部分静态载荷通常是由施工设备引起的。荷载范围从距地下连续墙2米到7米之间，线性载荷大小为5kPa/m。

由于开挖几何形状是对称的，因此在模型中只分析左边一半即可。地下连续墙使用板单元【柔性地基(Flexible footing)板内的结构力】，地下连续墙和土之间的相互作用使用界面元【贯入桩/沉桩(Driven Piles)的有限元模拟；Plaxis 3D/2D中桩的模拟---Embedded Beam(Pile) Modeling】，支杆使用弹簧元(spring element)。

3 材料模型

按照上面的几何模型建立材料模型。使用“Create borehole”工具产生两层土，粘土层采用软土模型(Soft-Soil)，排水类型按不排干Undrained (A)；砂层采用硬化土模型(HS-Small)，排水类型按排干。材料模型的选择以后作详细讨论，在此略过。

使用鼠标拖拉可以把材料模型赋值到几何模型上，这种方法类似于Slide的做法【双层土边坡稳定性分析出现的问题】，还有一种更方便的方法是在“修改土层”窗口内拖拉，在早期的程序中(V21以前)，从材料集中把材料拖拉至修改土层中的名称中即可完成这个操作。最新版本的程序(从V21开始)去掉了这个功能，而需要把材料拖拉至左边的钻孔中，对于多层土来说，可以实时监测赋值是否出错，因此强烈推荐使用这种方法。

4 结构元模型

本题存在两种类型的结构元，一种是模拟地下连续墙，另一种是模拟横向支杆。地下连续墙的模拟包括墙体模型建立以及使用界面元模拟墙与土体的相互作用。首先使用“Create structure”工具创建板单元，然后输入板的材料参数，最后把材料模型赋值到几何模型。赋值材料值的另一种方法是在“模型浏览器”中设置，这种方法对于几何线性材料的设置更适合。无论使用哪一种方法，在下一步进行之前，总是使用“模型浏览器”检查模型设置是否正确。

在【柔性地基(Flexible footing)板内的结构力】中，虽然也使用了板单元，但由于板用作基础，因此不需要考虑板与土体之间的摩擦。不过，本题的板单元用来模拟地下连续墙，因而需要设置界面元来考虑板与土之间的相互作用。选择地下连续墙的几何体，为其两侧创建正界面和负界面，正负仅用来识别界面的两侧，本质上没有任何物理意义，对计算结果没有影响。在【贯入桩/沉桩(Driven Piles)的有限元模拟】中曾经使用过单侧的界面元模拟桩与土的相互作用，由于使用的是轴对称，因此仅设置了一侧的界面元，本题必须在两侧设置界面元。另一个需要注意的是当模拟桩时，桩按实体单元处理有一定的宽度(桩直径的一半)，但在本题中的板单元没有厚度，为了考虑板厚度的影响，引入了"虚拟厚度系数"的概念。这是一个纯粹的数值，用来优化界面元的数值性能。这个数值可以在“模型浏览器”的界面中改变，默认值式0.1，如下图所示。不过建议没有经验的用户不要改变默认值。