超固结粘土地基基础沉降分析
作为第一个PLAXIS 3D岩土工程分析示例，考虑一个典型的岩土工程问题，即粘土地基上基础的沉降。本章将详细介绍从建立几何模型、生成有限元网格到执行有限元计算和评估输出结果的整个过程。读者可借此了解到应用PLAXIS 3D进行岩土有限元计算与分析的基本流程，详情请点击观看
本例模拟弱超固结粘土地基上方形建筑基础的施工和加载。原始地层中上部为粘土层，下部为硬岩层，本例的几何模型中不包括岩层，即模型底部取至粘土层底面在粘土层底部施加了合适的边界条件。
工况B：模拟地下室筏板基础，结构自重采用作用在筏板基础上的等效荷载模拟。
工况C：模拟地下室桩筏基础，在工况B基础上添加Embedded桩，以减小沉降量。
首先考虑建筑物刚度非常大的情况，地下室采用非多孔线弹性实体单元模拟。地下室总重对应整个建筑物的全部永久和可变荷载。该简化模拟方法使得模型非常简单，但同时也存在一些不足，比如不能给出基础的内力。
学习要点：
1）新建一个项目。
2）利用单个钻孔创建土层。
3）创建材料数据组，为模型对象指定材料组。
4）利用“创建面”和“拉伸”工具创建实体。
5）局部网格加密，生成网格。
6）利用“K0过程”生成初始应力。
7）定义塑性计算。
从Windows的“开始”>“所有程序”菜单中点击“Plaxis”>“PLAXIS 3D”>“PLAXIS 3D Input”（见图11-2），启动PLAXIS 3D程序，弹出“快速选择”对话框（见图11-3）。可以选择打开一个已有项目或建立一个新项目。
点击“启动新项目”，弹出“项目属性”窗口，包括“项目”和“模型”两个标签页面。
图11-2 从“开始”菜单启动PLAXIS 3D“输入”程序
图11-3 “快速选择”对话框
1. 项目属性
对于一个新建的PLAXIS 3D项目，第一步要做的是通过“项目属性”窗口进行基本设置，包括对项目的描述，以及绘图区的基本单位和模型边界的设置。
对于本例，可设置如下：
1）在“项目”标签页的“标题”框中输入项目名称，例如“PLAXIS3D示例1A：刚性基础”；在注释框中可输入对本工程项目的一些具体描述，例如“基础的沉降”（见图11-4）。
2）点击“下一步”按钮或点击“模型”标签，进入“模型”标签页（见图11-5）。“单位”组框中的单位设置一般保持默认即可（长度单位“m”，力单位“kN”，时间单位“day”）。
3）在“一般”组框中，显示恒定的重力（1.0G），方向竖直向下（-z）。重力加速度的值可在“地球重力”输入框中指定。本例中应保持默认值9.810m/s2。在γwater输入框中定义水的重度，此处保持默认值10kN/m3。
4）在“模型边界”组框内，定义土层边界为xmin=0m，xmax= 75m，ymin= 0m和ymax= 75m。
5）点击“确认”接受以上设置，自动关闭“项目属性”窗口，显示用于建立几何模型的绘图区。
图11-4 “项目属性”窗口的“项目”标签页面
图11-5 “项目属性”视窗的“模型”标签页面
提示：当需要修改项目属性的设置时，可以在“文件”菜单中选择“项目属性”选项，打开“项目属性”窗口进行修改。
2. 定义土层
关闭“项目属性”窗口后，会默认进入程序的“土”模式。在“土”模式下可通过“钻孔”定义土层信息，包括土层分布及地下水位等信息。如果定义了多个钻孔，PLAXIS 3D将自动在钻孔之间进行插值，并从钻孔信息中得到土层信息。
提示：PLAXIS 3D可以处理土层不连续的情况，例如某土层仅在模型局部范围内出现，将该土层在其他范围内的钻孔中的厚度设为零即可。
本例中只考虑一个水平土层，只需用一个钻孔来定义土层，步骤如下：
1）在“土”模式下的侧边工具栏中点击“创建钻孔”按钮“
”，然后在绘图区中坐标（0,0,0）处单击，就在（x,y）=（0,0）处创建了一个钻孔，并自动弹出“修改土层”窗口。
2）在“修改土层”窗口中，点击“添加”按钮添加一个土层。将该土层顶部标高设为z=0，底部标高设为z=-40m。窗口左侧钻孔柱状图中“水头”标高设为-2m（见图11-6）。注意，这里设置的标高值都是相对于模型全局坐标z=0的相对标高。
图11-6 “修改土层”窗口
为模拟土体材料的力学行为，必须给几何体指定适当的材料模型及恰当的材料参数。在PLAXIS 3D中，土体材料的属性集中在材料数据组中，各种数据组保存在材料数据库中。通过材料数据库，可将一个材料数据组指定给一个或多个类组。对于结构单元（如梁、板等）也是如此，只是不同结构单元的参数不同，因而材料数据组类型也不同，即每一种结构单元都有其独立的材料数据组。
PLAXIS 3D中的材料数据组分为土和界面、板、土工格栅、梁、Embedded桩和锚杆等六类，在“材料数据组”窗口下的“材料组类型”下拉菜单中可以选择要创建的数据组所属的材料组类型（见图11-7）。在生成网格之前需先给土体单元和结构单元指定相应的材料数据组。根据表11-1所列的材料参数创建土体和建筑物材料数据组。
1. 创建“粘土”材料组（摩尔-库伦）
1）点击“显示材料”按钮“
”，打开“材料数据组”窗口（见图11-7），“材料组类型”设为“土和界面”（默认）。
2）点击“材料数据组”窗口左下角的“新建”按钮，弹出“土和界面”材料设置窗口，包括五个标签页：一般、参数、渗流参数、界面、初始条件。
3）在“一般”标签页下，设置材料组的“名称”为“粘土”，从“材料模型”下拉菜单中选择“摩尔-库伦”，从“排水类型”下拉菜单中选择“排水”，在“一般属性”组框中输入材料的重度。此处不使用高级参数，保持默认设置即可。设置完毕后的“一般”标签页如图11-8所示。
4）点击“下一步”按钮或点击“参数”标签，继续输入模型参数。“参数”标签页中出现哪些参数取决于前面所选的材料模型（此处为摩尔-库伦模型）。摩尔-库伦模型主要使用五个基本参数（
、
、
、
、
），此处根据表11-1设置“粘土”的模型参数（见图11-9）。
关于其他土体模型及其相应参数的详细描述请参看PLAXIS 3D程序的材料模型手册。
图11-7 “材料组类型”的选择
表11-1 材料参数
|
标签 |
参数 |
符号 |
粘土 |
建筑物 |
单位 |
|
一般 |
材料模型 |
- |
摩尔-库伦 |
线弹性 |
- |
|
排水类型 |
- |
排水 |
非多孔 |
- |
|
|
天然重度 |
|
17 |
50 |
kN/m3 |
|
|
饱和重度 |
|
18 |
- |
kN/m3 |
|
|
参数 |
杨氏模量 |
|
1E4 |
3E7 |
kN/m2 |
|
泊松比 |
|
0.3 |
0.15 |
- |
|
|
粘聚力 |
|
10 |
- |
kN/m2 |
|
|
摩擦角 |
|
30 |
- |
° |
|
|
剪胀角 |
|
0 |
- |
° |
|
|
初始条件 |
K0的确定 |
- |
自动 |
自动 |
- |
|
水平地应力系数 |
K0 |
0.5 |
1 |
- |
图11-8 “土和界面”数据组窗口下的“一般”标签页
图11-9 “土和界面”数据组窗口下的“参数”标签页
本例中不考虑固结，土体渗透性不会影响计算结果，所以可略过“渗流参数”标签。由于模型中不包含界面单元，故“界面”标签也可以略过。
5）点击进入“初始条件”标签页，“K0的确定”一栏设为“自动”（默认），此时K0值由程序自动根据Jaky经验公式得到：K0=1-sinφ。点击“确认”，接受当前材料数据组的参数输入并自动关闭该窗口。该新创建的材料数据组显示在“材料数据组”窗口的树状视图中。从材料组窗口中将“粘土”数据组拖动（选中并按住鼠标左键后移动）到“修改土层”窗口左侧的钻孔柱状图中，释放鼠标左键，这样就将“粘土”材料指定给了这个钻孔土层。
提示：注意，鼠标的形状变化能显示能否将材料组指定给该模型类组。给土层指定数据组成功后，土层颜色会发生相应改变。
2. 创建“建筑物”材料组（线弹性）
建筑物采用非多孔线弹性材料模拟，定义步骤如下：
1）在“材料数据组”窗口下，“材料组类型”保持为“土和界面”，点击“新建”，弹出“土和界面”材料设置窗口。在“一般”标签页下“材料”组框下的“名称”处输入“建筑物”。
2）从“材料模型”下拉菜单中选择“线弹性”，从“排水类型”下拉菜单中选择“非多孔”。
3）在“一般属性”组框中输入重度（50 kN/m3），该重度表示对应建筑物的永久荷载和可变荷载的折算重度。
4）点击“下一步”或点击“参数”标签，继续输入其他模型参数。线弹性模型只包含两个基本参数（
、
）。在“参数”标签页的相应编辑框中输入表11-1中所列的模型参数。
5）点击“确认”，接受当前材料数据组的参数输入。该新创建的数据组将显示在“材料组”窗口的树状视图中，但此时并不使用，要等到定义施工阶段时才用到。点击“确认”，关闭“材料数据组”窗口，再次点击“确认”，关闭“修改土层”窗口。
提示：PLAXIS 3D中材料组可分为项目数据库和全局数据库。通过全局数据库，数据组可在不同项目之间进行数据交流。在“材料组”窗口中点击“显示全局”按钮，可显示全局数据库。
在PLAXIS 3D程序的“结构”模式下创建结构。点击“结构”标签“
”，进入“结构”模式，创建建筑物几何体，步骤如下：
1）点击“创建面”按钮“
”，将鼠标置于绘图区中坐标（0,0,0）处。在绘图区底部的鼠标位置提示框处可查看鼠标当前所在位置。点击鼠标左键，定义生成面的第一个点，继续点击鼠标左键定义生成面的其他三个点，坐标分别为（0,18,0），（18,18,0），（18,0,0）。点击鼠标右键或按<Esc>键完成面的定义。注意，此时新生成的这个面还处于被选中的状态，显示为红色。
2）点击“拉伸对象”按钮“
”，将上一步生成的面拉伸成实体。在“拉伸”窗口中，将z值设为-2（见图11-10），点击“应用”按钮执行拉伸操作并自动关闭窗口。
3）点击“选择”按钮“
”，在上一步生成的面上点击鼠标右键，在弹出菜单中点“删除”，这样将删除面而保留模拟建筑物的实体。至此创建了建筑物实体及其相应的材料数据组。
图11-10 “拉伸”窗口
建立完成几何模型后，点击“网格”标签“
”，进入“网格”模式。PLAXIS 3D提供完全自动的网格生成过程，将几何体划分为实体单元和兼容的结构单元。网格生成时会全面考虑几何模型中几何实体的位置，所以土层、荷载和结构单元的精确位置会影响有限元网格。本例中将对建筑物实体的网格进行局部加密。可按以下步骤生成网格：
1）加密建筑物实体网格。在“网格”模式下的侧边工具栏上点击“优化网格”按钮“
”，然后点击建筑物实体，则该部分实体由灰色变为绿色（见图11-11）。选中该实体后，查看“选择浏览器”可发现其加密系数由1.0变为0.7左右（程序默认）。
图11-11 模型局部网格加密的颜色显示
2）生成网格。在侧边工具条上点击“生成网格”按钮“
”，或者在“网格”菜单中选择“生成网格”，弹出“网格选项”窗口。在“网格选项”窗口中，将“单元分布”改为“粗”（见图11-12），点击“确认”，程序开始自动划分网格。
图11-12 “网格选项”窗口
3）等待片刻后，成功生成网格，在绘图区下方的命令行面板中会提示生成多少个单元和节点（见图11-13）。
图11-13 生成网格完成后提示网格信息
4）网格生成后，点击“查看网格”按钮“
”，将自动打开“输出”窗口，显示生成的网格（见图11-14）。点击“关闭”按钮“
”，回到“输入”程序下的“网格”模式。
图11-14 “输出”窗口中显示的生成的网格
提示：
1）“单元分布”设置默认为“中等”，可在“网格选项”窗口中更改。另外，还可以对模型的局部或整体进行网格加密。
2）如果对几何模型进行了修改，则需重新生成网格。
3）自动生成的网格可能难以完全满足计算需求，因此建议在必要时检查网格并对其进行优化加密。
网格生成后，有限元模型也就建立完成。点击“分步施工”标签“
”，进入“分步施工”模式，进行计算阶段的定义。
1. 初始条件
“初始阶段”通常涉及到初始条件的建立。一般来说，初始条件包括初始几何形态和初始应力状态，即有效应力、孔压和状态参数。本例中初始水位已在“修改土层”窗口中定义钻孔土层时输入，程序在计算初始有效应力状态时会考虑水位的影响，因此这里无需进入“水位”模式。
对于一个新建项目，进入“分步施工”模式后在“阶段浏览器”中会自动创建一个名为“初始阶段（Initial phase）”的计算阶段，并处于选中状态（见图11-15）。几何模型中包含的结构单元和荷载在初始阶段中会默认处于冻结状态，默认只有土体单元处于激活状态。
图11-15 阶段浏览器
这里对“初始阶段”涉及到的选项作一简单介绍，以便读者了解阶段定义的内容和方法。
1）点击“编辑阶段”按钮“
”或在“阶段浏览器”中双击“初始阶段（Initial phase）”，打开“阶段”窗口（见图11-16）。
图11-16 “初始阶段”的“阶段”窗口
2）PLAXIS 3D中提供两种生成初始应力的方法：“重力加载”和“K0过程”。“初始阶段”的默认计算类型为“K0过程”（图标为“
”），本例中便是使用“K0过程”生成初始应力。
3）“荷载类型”选为“分步施工”（图标为“
”），对于“K0过程”这是唯一可用的选项。注意：“阶段浏览器”中的荷载类型图标“
”为灰色，表明此时默认荷载类型不可更改。
4）“孔压计算类型”默认选为“潜水位”（图标为“
”），对于“K0过程”这是唯一可用的选项。
5）“阶段”窗口中的其他选项在这里也是采用默认设置，点击“确认”，关闭“阶段”窗口。
6）在“模型浏览器”中展开“模型条件（Model conditions）”目录下的“水位（Water）”子目录，可以看到根据前面在“修改土层”窗口中为钻孔指定的水头生成的水位（BoreholeWaterLevel_1）已自动设为了“全局水位（GlobalWaterLevel）”。
7）检查模型及其各项设置，确保所有土体单元已被激活且已经被指定为“粘土”材料。
提示：“K0过程”只能用于地表水平、土层水平且潜水位水平的情况。
2. 施工阶段
定义好初始条件后，即可添加新计算阶段进行施工过程模拟，方法如下：
1）在“阶段浏览器”中点击“添加”按钮“
”，添加一个名为“阶段_1（Phase_1）”的新阶段。
2）双击“阶段_1”，打开“阶段”窗口。在“一般”目录下的“ID”框中输入自定义阶段名称（例如此阶段可命名为“施工建筑物”）。“起始阶段”选择“初始阶段”（表示本阶段计算开始时继承上一阶段计算得到的初始应力状态）。其他选项采用程序默认设置（见图11-17）,点击“确认”，关闭“阶段”窗口。
3）在前面11.1.3中创建的“建筑物”实体上单击鼠标右键，从弹出菜单中的“设置材料”选项下选择“建筑物”材料组（见前面11.1.2中依据表11-1所创建的“建筑物”材料组）。这样就将“建筑物”数据组指定给了建筑物实体，模拟建筑物施工（注意，这里没有模拟建筑物的开挖与建造过程，而是采用折算等效荷载后的线弹性体进行简化模拟）。
提示：对于某一个计算阶段，可以使用“阶段浏览器”或“阶段”窗口中的相应按钮进行添加、插入、删除等操作。
图11-17 “施工建筑物”阶段（阶段1）的“阶段”窗口
3. 执行计算
将所有计算阶段（本工况只有两个阶段）都标记为计算（“阶段浏览器”中阶段名称左侧标识为“
”）。计算阶段的执行顺序由“起始阶段”参数来控制。点击“计算”按钮“
”，弹出提示“未选择节点和应力点”用于生成曲线，本例中不生成曲线，可点击“忽略提示继续计算”，开始进行计算。在计算执行过程中，会弹出一个“激活任务”窗口，显示当前计算阶段的计算过程相关信息（见图11-18）。这些信息在计算过程中不断更新显示计算过程、当前步数、当前迭代步的全局误差、当前计算步中的塑性点数等内容。本工况执行计算只需要十几秒钟的时间（计算时间依用户计算机硬件配置的不同会有所差异）。计算结束后，该窗口自动关闭，重新回到程序主窗口。
此时，“阶段浏览器”中计算成功的阶段左侧的状态标识会由计算状态“
”自动更新为计算成功状态“
”。点击按钮“
”，在查看结果前保存项目。
图11-18 “激活任务”窗口显示计算过程信息
4. 查看计算结果
计算结束后，可在“输出”程序中查看计算结果。在“输出”程序中，可以查看整个三维模型以及剖面或结构单元的位移和应力。计算结果还可以表格形式输出。查看当前计算结果，可操作如下：
1）在“阶段浏览器”目录树下选中最后一个计算阶段（左键单击“施工建筑物”阶段）。
2）在侧边工具条中点击“查看结果”按钮“
”，自动打开“输出”程序。默认情况下，“输出”程序将显示所选计算阶段最终的三维变形网格。程序会自动缩放该变形网格以获得最佳显示效果。
3）从“输出”程序主菜单中选择“位移”>“总位移”>“|u|”，显示总位移彩色云图，如图11-19所示。图中右侧着色条为图例，可查看云图中不同彩色区域对应的位移值。如果没有显示图例，可在“查看”主菜单下选择“图例”选项来显示。在“输出”窗口中点击“等值面”按钮“
”，可查看具有相同位移值的范围。
图11-19 最后计算阶段的最终“总位移”云图
提示：
1）除了“总位移”之外，“变形”菜单还可输出“增量位移”和“阶段位移”。
2）“增量位移”是指在一个计算步中发生的位移（本例中指最后一步）。增量位移可能有助于观察破坏机制。
3）“阶段位移”是指在一个计算阶段中发生的位移（本例中指最后一个计算阶段）。阶段位移可用于查看单个施工阶段的影响，而不必在开始该阶段时将位移清零。
第二次计算考虑另一种工况，建筑物地下室采用结构单元来模拟，这样计算后可得到基础的结构内力。筏板基础由50cm厚的混凝土板和混凝土梁组成，地下室墙为30cm厚的混凝土。上部楼层的荷载通过柱子和地下室墙传到筏板上。柱子承担11650kN的荷载，地下室墙承担385kN/m的线荷载，示意见图11-20。
图11-20 地下室几何形状
另外，地下室底板上分布有5.3kN/m2的均布荷载。为了更好地考虑实际情况，粘土层的属性也要修改为其刚度随深度增加而增大。
学习要点：
1）更名另存项目、修改已有数据组、定义土体刚度随深度增加。
2）创建“板”并为其定义材料数据组、创建“梁”并为其定义材料数据组。
3）创建并指定点荷载、线荷载和面上均布荷载。
4）删除阶段、激活和冻结土体、激活和冻结结构单元、激活荷载。
5）在“输出”程序中缩放视图、绘制剖面、观察结构单元计算结果。
本工况中用到的几何模型与工况A相同，只是改用其他单元来模拟基础，所以无需新建项目，将上一节中为工况A创建的项目更名另存然后作相应修改即可，步骤如下：启动PLAXIS 3D“输入”程序，在“快速选择”对话框下部的“近期项目”中选择上一个项目“PLAXIS3D示例1A：刚性基础”。进入“输入”程序后在“文件”菜单下选择“项目另存为”，输入项目名称“PLAXIS3D示例1B：筏板基础”后保存。
该项目中已经定义了粘土层的材料数据组，此处要将其修改为考虑刚度随深度变化，步骤如下：
1）点击“
”标签，进入“土”模式。点击“显示材料”按钮“
”，打开“材料数据组”窗口。“材料组类型”选为“土和界面”，选中“粘土”材料组，点击“编辑”按钮，弹出“粘土”材料组的属性设置对话框。
2）点击进入“参数”标签页，将粘土的刚度
改为5000kN/m2。
3）展开“高级”参数，将
设为500，
保持默认的0。这样土体刚度定义为在z= 0 m处为5000kN/m2，随着深度每增加一米刚度增大500kN/m2。点击“确认”，关闭“土和界面”材料组设置窗口，再次点击“确认”，关闭“材料数据组”窗口。
进入“结构”模式，定义组成地下室的结构单元。
1. 创建板
点击“选择”按钮“
”，在表示建筑物的实体上右击，从弹出菜单中选择“分解为面”。选中顶面，按<Delete>键删掉。在表示建筑物的实体上右击，从弹出菜单中选择“隐藏”，隐藏这部分实体，这样便于对上一步分解成的面进行操作。在分解生成的底部面上右击，从弹出菜单中选“创建板”。同样操作将位于模型内部的两个竖直面也创建为板，然后可将位于模型边界上的其余两个竖直面删掉。创建的板如图11-21所示。
提示：按住<Ctrl>键，可选择多个对象。对多个对象指定属性与对单个对象的操作相同。
图11-21模型中的板单元
2. 创建板材料组并指定给板单元
点击按钮“
”打开“材料数据组”窗口，将“材料组类型”设为“板”。根据表11-2为地下室底板和侧墙创建相应的材料组，然后将对应的材料组拖放到底板和侧墙上去。此时可能需要移动“材料组”窗口，可点击窗口顶部并拖动。材料指定完成后，点击“确认”，关闭“材料数据组”窗口。
表11-2 地下室地面及墙体的材料属性
|
参数 |
符号 |
底板 |
侧墙 |
单位 |
|
厚度 |
d |
0.5 |
0.3 |
m |
|
重度 |
γ |
15 |
15.5 |
kN/m3 |
|
材料模型 |
- |
线性各向同性 |
线性各向同性 |
- |
|
杨氏模量 |
E1 |
3E7 |
3E7 |
kN/m2 |
|
泊松比 |
ν12 |
0.15 |
0.15 |
- |
提示：指定重度时，要考虑到结构单元本身不占体积，与土体单元重叠。因此，可从板、梁或Embedded桩的实际重度中减去土体的重度，以考虑重叠部分的影响。对于部分重叠的板、梁或Embedded桩，可按比例折减重度。
3. 创建面荷载
在分解生成的底部面上右击，从弹出菜单中选择“创建面荷载”，程序会默认赋予其一个单位值和方向。我们可以在当前的“结构”模式下指定荷载的实际值，也可以在定义计算阶段时再为其指定实际值。本例中，将在“分步施工”模式下定义计算阶段时再指定荷载的实际值。
4. 创建线荷载
在侧边工具条中点击“创建线”按钮“
”，从展开菜单中点击“创建线荷载”按钮“
”。然后在程序界面底部的命令行中“_lineload ”命令后输入“0 18 0 18 18 0 18 0 0”（注意，输入时不要带引号，数字间以空格隔开），按<Enter>键执行命令，会沿地下室侧墙顶部建立线荷载，点击鼠标右键结束线荷载的创建。
5. 创建梁并为其指定材料组
在侧边工具条中点击“创建线”按钮“
”，从展开菜单中点击“创建梁”按钮“
”。然后在绘图区中（6,6,0）处单击，创建竖向梁的第一个点，按住<Shift>键，将光标移动到（6,6,-2）。注意，当按住<Shift>键时绘图区中的光标将只能沿竖向移动，在绘图区下部的鼠标位置提示框中可看到z坐标改变，x、y坐标不变。在（6,6,-2）处单击，定义梁的第二个点，右击结束绘制。创建水平的梁单元时则无需按住<Shift>键，在当前的z = -2平面内移动光标，在梁的两端点坐标处分别单击即可。创建两根水平梁，其端点坐标分别为（0,6,-2）、（18,6,-2）和（6,0,-2）、（6,18,-2）。
提示：
1）默认情况下，光标位于z=0平面内，若想沿竖直方向移动，在移动鼠标时需按住<shift>键。
2）创建梁时当然也可以像创建线荷载那样通过命令行输入梁的端点坐标来创建。
打开“材料数据组”窗口，“材料组类型”设为“梁”，根据表11-3为水平梁和竖直梁（模拟柱子）创建数据组并将其拖放到相应的梁单元上。
表11-3 地下室柱和梁的材料属性
|
参数 |
符号 |
柱 |
梁 |
单位 |
|
截面面积 |
A |
0.49 |
0.7 |
m2 |
|
容重 |
γ |
24 |
6 |
kN/m3 |
|
材料模型 |
- |
线弹性 |
线弹性 |
- |
|
杨氏模量 |
E |
3E7 |
3E7 |
kN/m2 |
|
惯性矩 |
I3 |
0.02 |
0.058 |
m4 |
|
I2 |
0.02 |
0.029 |
m4 |
6. 创建点荷载
在侧边工具条上点击“创建荷载”按钮“
”，从右键菜单中点击“创建点荷载”按钮“
”，然后在绘图区中（6,6,0）处单击，在竖直梁的顶部添加点荷载（等到定义施工阶段时再指定点荷载的实际值）。
点击“
”标签，进入“网格”模式。点击“生成网格”按钮“
”，弹出“网格选项”窗口，“单元分布”设为“粗”，点击“确认”，生成网格。一旦几何模型发生改变，所有计算阶段都需重新定义。
点击“
”标签，进入“分步施工”模式。
1. 初始条件
与上一工况一样，本工况仍然使用“K0过程”来建立初始条件。“初始阶段”中应冻结所有结构单元，也不进行开挖，且要激活代表地下室的实体并为其指定“粘土”材料组。
2. 施工阶段
本工况中建筑物施工并不在一个计算阶段中完成，而是分多个计算阶段完成。在阶段1中，模拟地下室开挖和墙体施工；阶段2，模拟底板和梁的施工。阶段3，激活荷载。
1）将“阶段1”重命名为“开挖”，“计算类型”设为默认的“塑性”。在地下室底板上方的土体上右击，从右键菜单中选择“冻结”。在“模型浏览器”中点击对应地下室墙体的板单元前面的复选框“
”，将其激活。
2）在“阶段浏览器”中点击“添加阶段”按钮“
”，添加一个新阶段（阶段2）。双击阶段2，弹出“阶段”窗口，将阶段2重命名为“地下室施工”，保持阶段参数的默认设置，关闭“阶段”窗口。在“模型浏览器”中点击对应地下室底板的板单元前的复选框“
”，将其激活。在“模型浏览器“中点击梁单元前面的复选框“
”，将所有梁单元激活。
3）在“地下室施工”阶段后添加一个新阶段（阶段3），重命名为“加载”。在“模型浏览器”中点击“面荷载”前面的复选框“
”，激活地下室底板上的面荷载，将荷载的z方向分量设为“-5.3”，表示作用在z轴负方向的大小为5.3kN/m2的荷载。在“模型浏览器”中点击“线荷载”前面的复选框“
”，激活作用在地下室墙体上的线荷载，将荷载的z方向分量设为“-385”，表示作用在z轴负方向上的大小为385kN/m的线荷载。在“模型浏览器”中点击“点荷载”前面的复选框“
”，激活作用在地下室柱子上的点荷载，将荷载的z方向分量设为“-11650”，表示作用在z轴负方向上的大小为11650kN的点荷载。
上述阶段定义完毕后，点击“预览阶段”按钮“
”，检查每个阶段的设置。检查无误之后，点击“计算”按钮“
”，开始计算。此处仍可忽略“未选择节点和应力点”的提示。计算完成后保存项目。
3. 查看计算结果
在“阶段浏览器”中选择“地下室施工”，点击“查看计算结果”按钮“
”，打开“输出”程序，显示本阶段最终的变形网格。在“输出”程序常用工具栏中部的阶段及计算步下拉菜单中选择最后一个计算阶段，切换显示最后阶段的最终结果。
为评估模型内部的应力和变形，点击程序界面最左侧工具栏中的“竖向剖面”工具“
”，弹出“剖面点”窗口并显示模型俯视图。由于最大位移出现在柱子下方，对在此处作剖面。在“剖面点”窗口输入（0.0,6.0）和（75.0,6.0）分别作为第一点（A）和第二点（A*）的坐标。显示出一个竖向剖面，该剖面可以像几何体的一个常规3D视图那样进行旋转。在“变形”菜单下选择“总位移”>“uz”，显示竖向位移的最大最小值（图11-22）。如果没有显示图形的标题，可从“查看”菜单下勾选相应选项来显示。按下<Ctrl> + <+>和<Ctrl> + <->，可以移动剖面的位置。
图11-22 “总竖向位移”剖面图
在“窗口”菜单下选择相应窗口返回到三维视图。双击地下室底板，自动打开另一个窗口，显示底板的位移。从“内力”菜单下选择“M11”，点击“云图”按钮“
”，显示底板的弯矩云图，如图11-23所示。
在“工具”菜单下点击“表”选项“
”，会自动打开一个新窗口，以表格形式显示板内每个节点处的弯矩值。
图11-23 地下室底板弯矩
鉴于工况B中筏板基础的沉降仍然比较大，本工况中改用桩筏基础来减小沉降。这里用Embedded桩模拟钻孔桩，桩长20m，直径1.5m。
学习要点：创建Embedded桩、定义Embedded桩材料数据组、为实体创建多个副本。
本工况的几何模型与上一工况相同，只是改用桩筏基础，所以不必重新建立模型，可以打开上一项目，更名另存，然后对其进行修改。打开PLAXIS 3D“输入”程序，在“快速选择”对话框下部的“近期项目”中选择上一个项目“PLAXIS3D示例1B：筏板基础”。进入“输入”程序后，在“文件”菜单下选择“项目另存为”，输入项目名称“PLAXIS3D示例1C：桩筏基础”后保存。
进入“结构”模式。在侧边工具条上点击“创建线”按钮“
”，从展开菜单中点击“创建Embedded桩”按钮“
”，桩顶、桩底两端点坐标分别定义为（6,6,-2）和（6,6,-22）。打开“材料数据库”窗口，将“材料组类型”设为“Embedded桩”，根据表11-4创建Embedded桩的数据组。桩的截面积A和惯性矩I2、I3、I23会由程序根据圆形桩的直径自动计算，点击“确认”关闭窗口。将Embedded桩的数据组拖放到绘图区中的桩单元上，桩单元改变颜色，表明材料组指定成功。点击“确认”，关闭“材料数据组”窗口。
表11-4 Embedded桩材料属性
|
参数 |
符号 |
桩 |
单位 |
|
杨氏模量 |
E |
3E7 |
kN/m2 |
|
容重 |
γ |
6 |
kN/m3 |
|
桩类型 |
- |
预定义 |
|
|
预定力桩类型 |
- |
大直径圆桩 |
- |
|
半径 |
- |
1.5 |
m |
|
侧摩阻力 |
- |
线弹性 |
-- |
|
桩顶极限侧摩阻 |
Ttop,max |
200 |
kN/m |
|
桩底极限侧摩阻 |
Tbot,max |
500 |
kN/m |
|
桩底极限反力 |
Fmax |
1E 4 |
kN |
提示：给Embedded桩指定材料组还有另一种方法，即在绘图区或“选择浏览器”或“模型浏览器”中右击Embedded桩，通过右键菜单中的“设置材料”选项指定桩的材料组。
点击“选择”按钮“
”，选中Embedded桩，然后点击“创建阵列”按钮“
”。在“创建阵列”窗口中，选择“2D，在xy平面”。列数设为2，列距设为x=12，y=0。排数设为2，行距设为x=0，y=12（见图11-24）。点击“确认”，创建阵列，总共创建2×2=4根桩。
图11-24 “创建阵列”窗口
几何模型建立完成后，点击“生成网格”按钮“
”，弹出“网格选项”窗口，保持“单元分布”为“粗”，点击“确认”，生成网格。生成网格后，点击“
”按钮查看网格。要查看Embedded桩，可关闭“模型浏览器”中“土”目录左侧的眼睛“
”，隐藏土体（见图11-25）。观察完毕后关闭网格预览回到输入程序。
图11-25 在输出程序中查看部分模型
生成网格后，需要重新定义所有施工阶段。虽然在实际工程中，桩与墙体在不同的阶段施工，但此处为了简化，桩与墙体在同一施工阶段中激活。定义各计算阶段的步骤如下：
1）切换到“分步施工”模式，初始阶段的“计算类型”设为“K0过程”。冻结所有结构单元，激活所有土体单元，确定所有土体都被指定了“粘土”材料组。
2）在“阶段浏览器”下选中“开挖”阶段，确保地下室土体被挖掉，墙体被激活，另外要激活所有Embedded桩。选中“地下室施工”阶段，激活所有结构单元。选中“加载”阶段，激活所有结构单元和荷载。
3）点击“
”，执行计算。计算完成后保存项目。
计算完毕后，可在“阶段浏览器”中选择“加载”阶段，然后点击“
”按钮，自动打开“输出”程序并显示变形网格。双击地下室底板，自动打开新窗口显示板的位移，从“内力”主菜单下选择“M11”选项，显示结果如图11-26所示。
在“窗口”菜单下选择对应变形网格的视图，从侧边工具栏中点击“隐藏土体”按钮“
”，然后按下<Shift>键，同时点击土体网格，将其隐藏，这样就可看到Embedded桩单元。点击“选择结构”按钮“
”，同时按下<Ctrl>+<Shift>键，在某根桩上双击，会自动打开新窗口显示全部Embedded桩单元。在“内力”主菜单下选择“N”，显示Embedded桩的轴力，如图11-27所示，桩底所示数值为桩端反力。
图11-26 地下室底板中的弯矩
图11-27 Embedded桩的轴力N
