板桩墙(Sheet Pile Wall)模拟---FEM中的界面元

1 引言

在地质工程中，界面元(Interface Element)通常用来模拟断层或节理的分离或滑动，在岩土工程中，界面元用来模拟支护结构与岩土体之间的分离与滑动，典型的场景是桩土之间的相互作用，地下连续墙(地下连续墙(Diaphragm Wall)小结)以及板桩墙。墙体的模拟可以使用结构元，也可以使用实体单元。FLAC使用zone interface create命令创建界面元(界面元的创建(Creation of Interface Geometry); FLAC3D 5.0 中创建界面Interface), 使用zone interface node命令设置界面的物理和力学性质。后续的计算程序能够自动识别界面和单元，无需特别处理。

有限元方法模拟板桩墙的方法与FLAC模拟的基本思想类似，但操作稍微麻烦一些。首先用墙体将左右两侧的土体分离，然后把墙体夹在两个界面元之间，使得土体能够与墙体分离。RS2使用了这种模拟技术，而ADONIS部分地模仿了RS2中使用的方法。ADONIS的应用例子参看：

边坡剪切强度折减分析(Shear Strength Reduction Analysis)

2 问题陈述

该问题有两层土，sand层4m，clay层14m, 首先安装板桩墙，然后进行分步开挖，第一步开挖sand层4m，接着安装第一层锚杆，第二步开挖clay层4m，接着安装第二层锚杆。

ADONIS目前提供了以下材料模型：Isoelastic，Mohr-Coulomb，Hoek-Brown, Modified Hoek-Brown, Cam-Clay, Strain-Softening，P-Hardening和Ubiquitous-joint。使用Mohr-Coulomb本构模型，材料参数如下所示。

界面元的材料参数包括法向刚度和切向刚度，粘结力和内摩擦角，如下所示。

3 建立模型

建立模型的主要步骤包括：创建几何形状[rect,line]，产生网格[triangle,discretize]，给每层土设置材料参数[material]，设置边界条件[applybc], 原岩应力[initial,set]。当创建几何形状时，最重要的是产生界面[crack]。

crack("startPoint",10,-10,"endPoint",10,0)

4 安装板桩

这个整个模拟过程最重要的一个环节。首先把拟开挖的区域隐藏[excavate]，然后安装板桩墙[structure,imaterial]，板桩墙使用beam结构元，最后再把开挖区域回填[backfill]。

5 分步开挖

首先在原岩应力下求解[solve]，然后把位移设置为0[initial]，第一步开挖后安装锚杆[excavate,structure]，求解达到平衡[solve]，接着进行第二步开挖，安装锚杆[excavate,structure]，再求解达到平衡状态[solve]。

水平方向位移和锚杆轴向力

总的位移和板桩墙力矩