PLAXIS注意点

Plaxis注意点汕头大学王艳峰整理一．输入前说明1.在平面应变分析里，由指定位移计算所得的力，是平面外单位长度上的力（z方向，见图）。轴对称分析计算所得的力（力-X，力-Y），是作用于对角弧度为1的圆弧边界上的力。因而，要得到与整个问题对应的力，这些分力应当乘以因子2π。轴对称分析问题的其他计算结果，是按单位宽度而不是按单位弧度给出的。在所有输出数据里，压应力（包括孔隙压力）和压力设为负值，而拉应力和拉力设为正值。二．输入前处理1.平面应变模型，适用于断面(大致)均匀的几何形状，其中垂直于断面（z-方向）一定长度上的应力状态和加载机制是相同的。z轴方向上的位移和应变设为零。但是，完全考虑了z轴正应力。轴对称模型，适用于径向断面（大致）均匀的圆形结构，加载机制围绕中心轴，设沿任意径向的变形和应力状态一致。注意：轴对称问题的x坐标表示半径，y坐标对应于对称轴线。不能使用负x坐标值。选择平面应变或轴对称，意味着二维有限元模型的每个节点，只具备2个平移自由度（即x-和y-方向）。2.板用来模拟地层中的细长形结构对象，具有相当的抗弯刚度（或弯曲刚度）和轴向刚度。板可以模拟沿z方向延伸的挡土墙、板、壳体或衬砌的影响。最重要的参数是抗弯刚度（弯曲刚度）EI和轴向刚度EA。由以上两个参数可以用下式计算出板的等效厚度deq：3.土工格栅是具有轴向刚度而无弯曲刚度的细长形结构。土工格栅只能承受拉力，不能承受压力。该类对象一般用来模拟土体的加固作用。和点对点锚杆相组合的土工格栅，可以用来模拟地层锚杆。在这种组合情况下，土工格栅用来模拟锚杆的锚固段，而点对点锚杆用来模拟锚杆的自由段。4.用界面单元可以研究结构对象（挡土墙、板、土工格栅等）和周围土体之间充分的相互作用。可以使用一个加号（+）或减号（-），来标注沿同一条几何线上可能出现的两个界面。这里的加减号仅仅是为了区别不同界面，并没有什么物理意义，对计算结果也无影响。5.点对点锚杆：点对点锚杆是用两点之间的一根弹簧来模拟的。一个点对点锚杆，是用一个常轴向刚度的弹簧来模拟的，它具有两个节点。该单元既可受拉也可受压。最大拉力和压力受破坏荷载的限制。这些属性可以在锚杆的材料数据库里输入。在计算阶段把分步施工作为荷载输入，可以激活或关闭点对点锚杆，或施加预应力。6.锚锭杆是用一端固定的弹簧来模拟的。。应用锚锭杆可模拟板桩墙支撑（或支柱）。锚锭杆必须总是和现有的几何线相连，但不一定必须连接到现有几何点位置。锚锭杆用一个转动某一角度的T表示(—|)。所绘图形T的长度是任意的，并不具有任何特定物理含义。默认情况下，锚锭杆位于正x-方向，即在x，y-平面内的转角为零。双击图形T的中部，弹出锚杆属性窗口，通过它可以修改锚杆在x，y-平面内的方位角。定义该角正向为逆时针方向，即由正x-方向转向y-方向。另外，可以在属性窗口输入锚杆的等效长度。该等效长度定义为，连接点到假想位移为零的锚杆底端之间的距离。7.每个界面有一个‘虚拟厚度’，是用来定义界面材料性质的假想尺寸。虚拟厚度等于虚拟厚度因子乘以平均单元尺寸。平均单元尺寸取决于二维网格生成的整体粗疏度设置。虚拟厚度因子的默认值为0.1。8.（1）排水性状：该设置不产生超静水压。很明显，它适用于干土，以及由于高渗透性（砂土）和/或缓慢加载的完全排水条件。该选项也可以用来模拟长期岩土性质，其中不需要模拟不排水加载和固结的精确历史。（2）不排水性状：该设置用于研究超静水压的完全发展过程。由于低透水性（粘土）和/或快速加载，孔隙水渗流有时可以忽略。所有定义为不排水的类组都是不排水的，即便该类组部分或全部在水位以上。注意，要输入有效的模型参数，即E′、v′、c′、ϕ′，而不是Eu、vu、cu()us和uϕ。除土骨架的刚度和强度，PLAXIS增加一个水的体积压缩刚度，并区分总应力、有效应力和超孔压。这里，Δp是总平均应力的增量，Δp′是有效平均应力的增量，wΔp是超静水压的增量。B是SkemptonB因子，表示超静水压增量与总平均应力增量的比例。uK是不排水体积模量，K′是土骨架的体积模量，wK是孔隙流体的体积模量，n是土体孔隙率，而vΔε是体积应变增量。对于不排水性状，PLAXIS不采用实际的水体积模量，因为这可能导致刚度距阵的病态和数值计算的困难。实际上，在默认情况下，土和水的总压缩刚度（相对于等向压缩），定义为如下隐含的不排水体积模量：这就导致了孔隙水的轻度压缩，因而B因子略低于1.0。因而，在各向同性加载时，总有百分之几的荷载引起有效应力，至少对于有效泊松比取小值的情况是如此。对于不排水材料性状，有效泊松比应小于0.35。泊松比取更大的值，则意味着水对于土骨架而言其刚体不够大。9.非多孔性状：使用该设置的类组，不论是初始孔压还是超静水压，都不予考虑。有关应用可以在模拟混凝土或结构性状的例子里找到。非多孔性状通常和线弹性模型组合应用。输入的饱和容重和渗透性参数对非多孔材料是无效的。非多孔材料类型可以用在界面上。要完全阻隔通过板桩墙或其他不透水结构的渗流，周围界面可以有一个单独的材料数据组，其材料类型设为非多孔。非多孔材料只和非饱和容重有关，它的大小就等于总容重。10.渗透性的量纲为单位面积上的流量，简化表示为长度每单位时间。也就是所谓的渗透系数。只有在固结分析和地下水渗流计算时，需要输入渗透性参数。此时，需要确定所有类组的渗透系数，包括当作完全不透水来对待的几乎不透水层。PLAXIS区别水平渗透系数kx和竖向渗透系数ky，因为某些岩土类型（比如泥炭）的水平方向渗透性和竖向方向渗透性差异很大。要模拟几乎不透水的材料（比如混凝土或无裂隙的岩石），应当输入一个相对于周围土较低的渗透系数，而不是实际的渗透系数。一般低于1000倍就可以得到令人满意的结果。11.渗透性变化（ck）：建议只在采用软土（蠕变）模型的情况下应用变化的渗透系数。此时，ck值一般为压缩指数Cc的数量级。对其它模型，ck保留其默认值，即1015。12.孔隙比（einit，emin，emax）：孔隙比e和孔隙率n有关（e=n/（1-n））。一些特殊的选项要用到孔隙比。初始孔隙比einit是初始条件下的孔隙比。每一步计算是根据初始孔隙比和体积应变vΔε来得出实际孔隙比的。13.弹性模量：在岩土力学里，初始斜率通常用E0表示，对应于50%强度的割线模量记为E50（见图3.25）。对于有很大线弹性范围的高度超固结粘土和岩石，使用E0是符合实际的；而对于砂土和接近正常固结的粘土，使用E50更合适。土的初始模量和割线模量会随着围压增加而增加。因而，深层土的刚度会比浅层土更大。另外，观察到的刚度还取决于应力路径。卸载和再加载条件下的刚度，比最初加载条件下的刚度要高得多。还有，用弹性模量表示的土体刚度，在排水压缩条件下的观测值，一般小于在剪切条件下的观测值。所以，当使用刚度模量常数来描述土体性状时，应当选择符合应力水平和预期应力路径的值。注意，PLAXIS的高级模型里考虑了某些岩土性状对应力的依赖性，见材料模型手册。对摩尔-库伦模型，PLAXIS提供一个特殊选项，用来输入随深度增加的刚度（见高级参数）。14.泊松比（v）：标准三轴排水试验在轴向开始加载时，可能会产生一个明显的体积缩小率。这就对应于一个低的泊松比初始值（v0）。在某些情况下，例如特殊卸载问题，可能应用这样的低泊松比初始值是符合实际的。但是，在应用摩尔-库伦模型时，一般建议使用较大值。当弹性模型或摩尔-库伦模型用在模拟重力加载（在塑性计算里ΣMweight从增加到1）时，泊松比很容易确定。对于这类加载，PLAXIS需要给出的实际比值。因为这两类模型都会给出一维压缩的常见的比值，由此很方便确定一个泊松比来得到符合实际的K0。也就是说，是通过和K0对应来估计v值的大小。这些处理初始应力分布的有关内容，在附录A里有更详尽的阐述。v值的大小在很多情况下都介于0.3和0.4之间。这个值除了可以用在一维压缩的情况，也可以用在其他的加载条件。对于不排水性状，建议输入泊松比的有效值，并选择材料性状的类型为不排水。这样，根据大小为0.495的隐含不排水泊松比（见不排水性状），PLAXIS会自动增加一个孔隙流体的体积压缩刚度。在这种情况下，此处输入的有效泊松比应当小于0.35。使用较大的泊松比意味着，模拟不排水性状时，水对应于土骨架而言不具有足够的刚性。15.内聚力（c）：内聚力强度具有应力的量纲。PLAXIS可以处理无粘性砂土（c=0），但是在这种情况下一些操作可能会不理想。为了不使问题复杂化，建议经验不足的用户至少输入一个较小的值（c0.2kPa）。PLAXIS提供一个特别选项用来输入土层，土层上的内聚力随深度增加而增加（见高级参数）。16.摩擦角（ϕ）：摩擦角ϕ（phi）的输入单位为度。大的摩擦角—比方有时从密砂得出的—会使塑性计算量增加很多。计算所需要的时间大体上随摩擦角呈指数增加。因而，在针对某个特定工程项目J进行初始计算时，要避免出现大摩擦角。在用到的摩擦角大于35度时，计算时间会大大延长。17.剪胀角（ψ）：剪胀角ψ（psi）用度表示。除非是高度超固结土层，粘土根本无剪胀性（即ψ=0）。砂土的剪胀性取决于密度和摩擦角。石英砂的剪胀角范围为ψ≈ϕ−30°。但是，在大多数情况下，因为ϕ小于30º，剪胀角就等于零。只有极其疏松的松砂的ψ略低于零。18.界面强度(Rinter)：弹塑性模型用来模拟土-结构相互作用的界面的性状。Coulomb准则用以区别弹性性状（即在界面内可以出现小位移）和塑性界面性状（即可能出现永久滑动）。刚性：该选项用在界面不得影响周围土体强度的情况下。比如，位于结构物角区附近的扩展界面（见图3.13）不是用来体现土-结构相互作用的，不应该带有强度损失的特点。应该给此类界面分配刚性设置（对应于Rinter=1.0）。这样，包括剪胀角i在内的界面属性和数据组里土的属性相同，除了泊松比i之外。手动：如果界面强度设为手动，可以手动输入Rinter的值。一般，对于实际的土-结构相互作用，界面比相邻土层的强度低，柔性大。也就是说，界面的Rinter应小于1。在有关文献里，可以找到土体内各种类型的土和结构相互作用的Rinter的适宜值。在缺少针对给定情况的资料时可以假设Rinter为2/3。一般不会采用大于1的Rinter值。19.实际界面厚度（）：实际界面厚度代表的是，介于结构和土之间的剪切区的实际厚度的参数。在界面与HS岩土模型共同使用时，的取值才很重要。实际界面厚度通常是平均粒径大小的几倍。该参数在采用剪胀截断选项时用于计算界面孔隙比的变化。界面的剪胀截断，可能在准确计算抗拔桩承载力的时候很重要。20.位于结构角区下方或周围的界面：为了避免应力振荡，在结构的角区下方或周围布置延伸的界面（见第3.3.5节）。这种界面并不是用来模拟土-结构间相互作用的性状，而只是为了允许界面具有足够的柔性。因此，当这种界面单元的Rinter取值小于1时，就降低了地下工程的强度，这是不符合实际的。这可能造成土的性状不符合实际，甚至破坏。因此，建议新建一个单独的数据组，其Rinter值等于1。这样的数据组只分配给这些特殊的界面单元。操作方法是：把相应的数据组分配给各个界面（虚线），而不是分配给相关的土体类组（虚线闪红色；相关的土体类组的颜色不能变）。或者在这些特殊的界面单元上点击鼠标右键，选取属性，然后选择正界面单元或负界面单元。在界面属性窗口点击修改按钮，然后就可以把适当的数据组分配给界面单元。21.板的材料数据组:刚度：对于弹性性状，需要定义轴向刚度EA和抗弯刚度EI等材料性质。对于轴对称模型和平面应变模型，EA和EI的取值和平面外的单位宽度刚度有关。因此，轴向刚度EA表示为力每单位宽度，抗弯刚度EI表示为力乘长度的平方每单位宽度。根据EI对EA的比值，可以按下式自动计算出等效板厚度deq：泊松比：除以上刚度参数，还需要给出泊松比。对于一定断面形式的薄壁结构，或平面外相对较柔的结构（比如板桩墙），建议取泊松比为0。对于实体断面结构（比如混凝土墙），输入大小0