吸力桩加载分析
本例中考虑某近海基础（off-shore foundation）中的吸力桩（suction pile）。吸力桩是一种中空钢管桩，直径大、桩顶封闭，通过抽取内部水将桩打入海底。该施工过程的原理就是靠抽水后引起的桩身内外压力差将桩压入海底。
某工程中吸力桩长10 m，直径4.5 m。桩侧连接一根锚索（anchor line），距桩顶7 m。为避免桩身局部破坏，在锚索作用的位置加大桩身壁厚。土层主要由粉砂组成。为模拟不排水行为，进行不排水强度参数下的不排水应力分析。主要研究吸力桩在工作荷载下的位移，考虑几种不同角度的工作荷载，但并不模拟桩身压入过程。吸力桩几何简图见图13-1。
图13-1 吸力桩几何示意图
学习要点：
1）从3DStudio文件中导入实体。
2）采用不排水强度参数进行不排水应力分析。
3）定义土体的强度、刚度参数随深度增大，复制材料数据组。
4）更改“输出”窗口的设置，计算结束后选择节点，生成结构内力曲线。
13.1 几何模型
建模范围包括吸力桩之外长60 m、宽60 m的区域，这样的模型尺寸已足够大，可避免来自模型边界的影响。
13.1.1 项目属性
几何模型定义步骤如下：
1）启动“输入”程序，在“创建/打开项目”对话框中选择“新建项目”，输入一个名称。
2）保持默认单位系统，将模型边界设置为xmin= -30m，xmax= 30m，ymin= -30m，ymax= 30m，点击“确认”。
13.1.2 定义土层
本例中只包含一个水平土层，故只需定义一个钻孔。在几何模型中添加一个钻孔，然后在“修改土层”窗口中添加一个土层，土层顶面边界z = 0 m，底面边界z = -30 m。“水头”值设为50.0 m，表示土层上方水深50 m。
打开“材料组”窗口，按表13-1创建材料数据组。在“参数”标签页下的高级强度参数中取消勾选“拉伸截断”选项，忽略“渗流参数”标签页。本例中使用粘聚力参数模拟不排水抗剪强度，而不使用有效强度属性。在“参数”标签页下展开“高级”参数目录，可输入高级参数以考虑刚度、强度随模型深度的增长。将“砂土”材料数据组指定给土层然后关闭“材料组”窗口。
提示：“界面”数据组可通过复制“砂（Sand）”数据组并更改“Rinter”值快速创建。
表13-1 砂层及其界面材料属性
|
标签 |
参数 |
符号 |
砂土 |
界面 |
单位 |
|
一般 |
材料模型 |
- |
摩尔-库伦 |
摩尔-库伦 |
- |
|
行为类型 |
- |
不排水（B） |
不排水（B） |
- |
|
|
天然重度 |
|
20 |
20 |
kN/m3 |
|
|
饱和重度 |
|
20 |
20 |
kN/m3 |
|
|
参数 |
杨氏模量 |
|
1000 |
1000 |
kN/m2 |
|
泊松比 |
|
0.35 |
0.35 |
- |
|
|
抗剪强度 |
|
1 |
1 |
kN/m2 |
|
|
|
摩擦角 |
|
0 |
0 |
° |
|
剪胀角 |
|
0 |
0 |
° |
|
|
刚度增量 |
|
1000 |
1000 |
kN/m2/m |
|
|
参考高程 |
|
0 |
0 |
m |
|
|
强度增量 |
|
4 |
4 |
kN/m2/m |
|
|
参考高程 |
|
0 |
0 |
m |
|
|
界面 |
界面折减系数 |
Rinter |
0.7 |
1 |
- |
|
初始条件 |
K0确定 |
- |
手动 |
手动 |
|
|
初始水平应力系数 |
K0,x，K0,y |
0.5 |
0.5 |
- |
13.1.3 定义结构单元
在“结构”模式下导入预定义的实体来建立吸力桩模型。步骤如下：
1）使用按钮“
”导入圆柱体。要导入的圆柱体保存在PLAXIS 3D安装目录下的“Importables”文件夹中的“example_cylinder_vertical_D1h1_centered.3ds”文件里。
2）在“导入结构”窗口中调整比例使得导入圆柱体直径4.5 m，高10 m。定义插入点坐标，使得吸力桩顶部处于海底标高（z = 0），桩底位于z = -10 m（见图13-2）。
3）导入该实体后在其上右击，从弹出菜单中选择“分解为面”，将其分解为面。
提示：除了导入圆柱体外，还可以使用“cylinder”命令创建吸力桩。关于本程序可使用的命令，可在“帮助”菜单下点击“命令参考”选项进行查看。
4）在该导入实体上右击，从弹出菜单中选择相应选项，基于其外表面分别创建板、正向界面和负向界面。
5）打开材料数据库，材料组组类型选择“板”，根据表13-2创建吸力桩相关的三个材料数据组。
图13-2“导入结构”窗口
表13-2 吸力桩材料属性
|
参数 |
符号 |
薄壁 |
厚壁 |
顶板 |
单位 |
|
厚度 |
d |
0.05 |
0.15 |
0.05 |
m |
|
重度 |
γ |
58.5 |
58.5 |
68.5 |
kN/m3 |
|
材料模型 |
- |
线性，各向同性 |
线性，各向同性 |
线性，各向同性 |
- |
|
杨氏模量 |
E1 |
2.1E8 |
2.1E8 |
2.1E8 |
kN/m2 |
|
泊松比 |
ν12 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
- |
|
剪切模量 |
G |
9.545E7 |
9.545E7 |
9.545E7 |
kN/m2 |
6）将“薄壁”材料组指定给前面创建的板（桩壁），然后关闭“材料数据组”窗口。
使用右键菜单中的“隐藏”选项，将桩壁和原始实体对象隐藏。注意，顶面和底面仍保持可见。
7）选中顶面，点击侧边工具栏中的“创建阵列”按钮，“形状”下拉菜单中选择“1D，在z方向(1D, in z direction)”。保持列数为“2”，“列距z”定义为“-6.5”，点击“确认”。重复上一步操作，创建处于z = -7.0和z = -7.5的面。最后基于顶面创建板，将“顶板（Top）”材料数据组指定给它。
8）为底面（z = -10 m）指定正向界面，并为其指定“界面”材料数据组。在位于z = -7.0 m处的面上右击，从弹出菜单中选择“分解为轮廓线”。在（2.25 0.0 -7.0）附近的点上右击，从弹出菜单选择“创建点荷载”，等到定义施工阶段时再为其指定实际荷载值。
13.2 生成网格
生成网格时，在板单元和荷载作用的位置会自动加密网格。在“网格”模式下点击点荷载将其选中，在“选择浏览器”中可看到其加密系数为0.5，在模型中显示为浅绿色。点击生成网格按钮“
”，单元分布设为“粗”，生成网格。
13.3 执行计算
计算共分6个阶段，包括初始条件定义、吸力桩施工及四个不同的荷载条件。分析荷载大小保持不变的情况下改变荷载方向对桩壁受力的影响。点击“
”进入“分步施工”模式，进行施工阶段定义。
1）初始阶段。计算类型设为“K0过程”，确保所有结构和界面都处于冻结状态。
2）阶段1。添加一个新计算阶段，命名为“吸力桩施工”，“阶段”窗口下其余选项采用默认设置。激活所有板和界面，将“厚壁”材料组指定给点荷载上下各0.5 m范围内（z = -6.5 m~z = -7.5 m）的板单元。注意，此时可能需要将桩体外侧的正向界面隐藏（而不是冻结）才能看到板单元。该阶段中不激活点荷载。
3）阶段2。添加一个新计算阶段，打开“阶段”窗口，将本阶段命名为“30°加载”。在“变形控制参数”子目录下勾选“重置位移为零”。激活点荷载，并设置Fx= 3897 kN，Fz= 2250 kN。
4）阶段3至阶段5。根据表13-3所列内容定义其他三个施工阶段。注意，每个阶段都应勾选“重置位移为零”选项。
表13-3 加载信息
|
阶段 |
起始阶段 |
Fx |
Fz |
|
30°加载（阶段2） |
吸力桩施工（阶段1） |
3897 |
2250 |
|
40°加载（阶段3） |
吸力桩施工（阶段1） |
3447 |
2893 |
|
50°加载（阶段4） |
吸力桩施工（阶段1） |
2893 |
3447 |
|
60°加载（阶段5） |
吸力桩施工（阶段1） |
2250 |
3897 |
阶段定义完成后，可在“阶段浏览器”中查看计算阶段的顺序（见图13-3）。检查无误后，点击“
”执行计算，计算结束后保存项目。
图13-3 阶段浏览器（阶段定义完成后）
13.4 查看结果
查看最后计算阶段的结果，默认先显示整个几何模型的变形网格。本例中主要关注的是吸力桩本身的位移，可在“模型浏览器”中关闭“土体”和“界面”左侧的“眼睛”，将其隐藏，这样就可看到吸力桩。
点击“选择结构”按钮，选择桩壁，这样只能选中桩壁的一部分。按下<Ctrl> + <A>，选中吸力桩桩壁所有单元。按住<Ctrl>键，双击吸力桩桩壁，弹出一个新窗口显示吸力桩桩壁的计算结果。
选择“云图”显示，旋转模型，使得x-轴垂直于电脑屏幕。如果坐标轴不可见，可从“查看”菜单中选择该项使其可见。很明显，点荷载作用的部位局部位移场并未被打断，表明此处桩壁足够厚。
可以同样方式查看吸力桩在不同方向荷载作用下的总位移。其中，以阶段2中的荷载水平分量最大，此时桩壁总位移如图13-4所示。
图13-4 “阶段2”吸力桩总位移
