问题描述:
PLAXIS 3D中提供了嵌入式梁单元(embedded beam)来模拟桩的力学及工程性能, 可以分析桩的变形、内力及桩-土相互作用。但有些情况下,为了更加仔细的分析桩的工作性能(尤其是大直径桩)及其周围土层的应力、变形状态,需要用实体单元模拟与实际尺寸相同的实体桩。
解答:
实体桩模拟的两个主要问题是桩体本身及桩土接触关系的模拟。
1. 桩体模拟
桩体本身的模拟包括桩体建模方法及其材料属性定义。
1.1 桩体建模方法
桩体建模方法主要有以下几种:采用建模辅助工具(形状设计器+拉伸工具),采用命令行, CAD模型导入。
采用辅助建模工具时,首先用形状设计器创建代表实体桩截面形状的封闭多段线(可以由直线和圆弧组成任意几何形状),然后在该多段线基础上创建对应的实体桩截面面对像(右键菜单创建面),可参考不规则形状几何面对像的建模技巧,再将面对象沿桩的轴线方向进行拉伸形成实体桩的桩体,如图1所示。
图1 通过拉伸截面创建实体桩
采用命令行创建实体桩,要掌握PLAXIS 3D中直接创建实体的几个命令,常用的有圆柱体(圆形截面桩)、立方体(矩形截面桩)等,关于这些命令的介绍可参考在PLAXIS中,如何利用命令行快速生成结构单元?。由命令行直接创建的实体桩见图2所示。
cylinder 0.5
10 3 3 0 0 0 -1 cuboid 1 1 10 6 3 0 0 0 -1
(a) 圆形截面实体桩 (b)矩形截面实体桩
图2 命令行创建实体桩
采用CAD模型导入方法,可参考AutoCAD三维实体导入PLAXIS 3D,但需要注意,从PLAXIS 3D 2016版本开始,无需预先对CAD实体对象进行三角网格化处理之后再进行导入,而是可以按照类似点和线对象的导入方法,将其直接导入PLAXIS 3D模型中即可,参考点与线对象导入PLAXIS 3D模型的方法。
1.2 实体桩材料属性定义
我们模拟的实体桩以钢筋混凝土桩为主,对于混凝土材料桩,建议在其材料属性中选择线弹性本构模型,而其排水类型则选择非多孔材料,即不考虑混凝土材料的孔隙性及透水性。材料的物理力学属性参数由所使用的混凝土规格来确定,如图3所示。
图3 实体桩材料属性定义
2. 桩土接触关系模拟
在创建实体桩的桩体模型之后,需要考虑实体桩与周围土层的接触关系,即桩土相互作用。在PLAXIS中用界面单元模拟结构与土之间的相互作用,参考PLAXIS中结构-土相互作用的模拟。因此,模拟桩土相互作用的方法就是在实体桩周围创建界面单元。为此,可将已经创建完成的实体桩通过右键菜单分解为面对象,参考不规则形状几何面对像的建模技巧,然后选中这些面对像并右键菜单选择创建界面单元。至此,我们创建了实体桩的完整模型,如图4所示。
图4 桩土接触关系模拟
界面单元能够很好的表达桩与土之间的摩擦效应(侧摩阻力)及相对位移,因此,为界面单元定义合适的材料属性对实体桩的工作性能有直接影响,参考界面单元的材料属性。
3. 实体桩的激活
按照上述方法创建了实体桩模型,在分步施工的相应施工阶段需要激活实体桩,才能使其发挥作用,即模拟实体桩施工完成的状态。为此,一方面需要修改代表实体桩的体积对象的材料属性(因为实体桩施工完成之前该体积对象的材料属性为原状土层),参考对象材料属性的修改,另一方面需要激活桩周围的界面单元,如图5所示。
图5 实体桩接触面的激活
分析完成之后,我们可以评估实体桩的变形、桩身应力和应变、桩土接触应力(界面单元的剪切应力或侧摩阻力,法向应力等),也可以评估实体桩的结构内力,参考三维实体单元结构的内力输出方法。
除了上述几种模拟实体桩的方法之外,从PLAXIS
3D AE版本开始,我们也可以利用隧道设计器工具直接创建桩体及桩土界面的模型,该工具是一个综合性建模工具,较之上述方法在一定程度上更加高效、便捷,图6为直接用隧道设计器创建的实体桩模型。
(a)
隧道设计器工具
(b)创建完成的实体桩(隧道设计器)
图6 隧道设计器直接创建实体桩模型