Plaxis在板桩码头分析中的应用分析
墙前梯形截面有限土体的板桩码头结构设计
收稿 日期 ：２０１５—１２—２６ 作者简 介 ：马志强 （１９８３一 ） 男，硕士 ，工程师 ，从事港 口与航 道工程 水工结构设计工作。
第 ６期
马志强 ．邓 守来 ：墙前梯 形截 面有 限土体的板桩码 头结构设计
图 １ 巴新某码头结构 （高程 ：ｍ；尺寸 ：ｍｍ）
本 文 计 算 土 体 有 限 元 模 型 选 用 摩 尔 一库 伦 （Ｍｏｈｒ．Ｃｏｕｌｏｍｂ）本 构模 型 ，摩 尔 一库伦 模 型是 基 于 土体 极 限平 衡 理 论 的非 线 性 模 型 ．因 其 只 需 工 程 常用 的土体 参 数 即可 取 得 相 对 可 靠 的 计 算 结 果 而 在 土力 学 有 限元 计 算 中广 为 应 用 。前 墙 、锚 定 墙 以板单元模 拟 ，拉杆 以锚杆单元模拟 。本计算土 体及板桩材料参数见表 １及表 ２。
摘 要 ：墙前 为梯 形截 面的有 Ｆ￣－＋－体的板桩码 头受土坡的影ｖ向，其 土抗 力会 与墙前 为半无限缓坡 时存 在一定差 异。采用
岩 土 有 限 元 软件 ＰＬＡＸＩＳ进 行 建 模 ，模 拟 其 在 陡坡 上板 桩 码 头 的 受力 ，并 对 比 其 与墙 前 土体 半 无 限 水 平 时板 桩 结构 内力 的 差
异 ，总结墙 前梯 形截 面有 限土体 的板桩码头 内力计算与结构稳 定的设计规律。
关键词 ：板桩码头 ；梯形截面；有 限土体 ；ＰＬＡＸＩＳ
中图 分 类 号 ：Ｕ ６５６．１ １２
文 献标 志码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００２．４９７２（２０１６）０６—００７２—０４
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｐｉｌｅ ｑｕａｙ ｗａｌｌ ａｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ－ｏｄｙ
水平受荷桩非线性有限元分析
水平受荷桩非线性有限元分析乔友刚;吴先敏【摘要】利用有限元分析软件PLAXIS对水平受荷桩进行了非线性有限元分析,并采用规范中的m法和NL法进行了计算.结果表明,3种方法计算的桩身位移与弯矩分布图形状相似,桩身位移与弯矩随桩顶水平力的增大而增加;水平力较小时,采用Plaxis计算出的桩身最大弯矩小于m法与NL法的计算结果,水平力较大时,桩上部范围内的土表现出较强的塑性状态,使桩身弯矩大于后两者的计算值.采用Plaxis可以很好地对水平受荷桩进行模拟,采用软件自带的Mohr-Coulomb模型可以很好地考虑桩周土的塑性,真实反映土的特性,且易于获取参数,可作为水平受荷桩分析的一种有力工具.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2009(000)004【总页数】5页(P38-42)【关键词】m法;NL法;有限元;桩【作者】乔友刚;吴先敏【作者单位】山东水利勘测设计院,山东,济南,250014;山东水利勘测设计院,山东,济南,250014【正文语种】中文【中图分类】TU473.1+1桩基作为一种重要的基础形式，在港口工程中应用广泛。
目前，已有很多水平承载桩的作用机理及其受力特性分析方面的相关理论和方法[1-3]，为桩基在港口码头、海堤工程等以水平荷载为主要控制荷载的工程中得以广泛应用奠定了理论基础。
水平承载桩的工作性能是桩—土相互作用的问题，利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载和力矩的作用下受弯，桩身产生水平变位和弯曲应力。
外力的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传给土体，促使桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。
当水平荷载较小时,这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要为弹性的，即桩周土处于弹性压缩阶段,随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩—土体系便趋于破坏。
Plaxis在板桩码头分析中的应用分析
Plaxis在板桩码头分析中的应用分析摘要：在钢板桩码头建设中，钢板桩的应用非常常见，但其具有复杂的受力结构。
目前，在板桩码头分析中，有限元计算软件Plaxis的应用普遍。
为此，本文主要探讨Plaxis在板桩码头分析中的应用，具体分析前墙主动土的压力分布、HS模型（土体硬化模型）的土体参数敏感性。
结果表明，HS模型对土体非线性特征的反映真实；在HS模型中，土体参数的敏感度排序（从高到低）依次为内摩擦角、粘聚力C与压缩模量E、幂率参数M。
关键词：板桩码头；Plaxis；竖向弹性地基梁法；HC模型；敏感性Application Analysis of Plaxis in the Analysis of sheet pile WharfWang Guan Guo DongTianjin Shenji Engineering Co.， Ltd.Tianjin 300222Absrtact：in the construction of steel sheet pile wharf，the application of steel sheet pile is very common，but it has complicated structure.At present，finite element calculation software Plaxis is widely used in plate pile wharfanalysis.Therefore，this paper mainly discusses the application of Plaxis in the analysis of plate pile wharf，analyzes the pressure distribution of active soil in front wall and the sensitivity of soil parameters of HS model（soil hardening model）.The results show that the HS model reflects the nonlinear characteristics of soil truly，and in the HS model，the order of sensitivity of soil parameters（from high to low）is the angle of internal friction.，cohesion C and modulus of compression E，power ratio parameter M.Key words：plate pile wharf；Plaxis；vertical elastic foundation beam method；HC model；sensitivity一、研究背景在板桩码头分析中，国内外一般采用弹性地基梁法、弹性线法和自由支承法来计算板桩的内力，其中以弹性地基梁法的应用更为广泛，因其适用于刚度、支承条件、边界条件不同和处于任一工作状态下的板桩墙。
桩基施工技术在码头工程中的应用分析
桩基施工技术在码头工程中的应用分析对于码头工程来说，桩基施工技术是工程中最主要的施工技术之一，对码头的施工质量有着决定性的作用。
由于码头工程的水下地质情况较为复杂，施工中稍有不慎就会造成不可估量的后果，因此，桩基施工技术对于码头工程来说，具有不可比较的实际意义，它不但保障了码头工程的质量，也促进了水路运输行业的快速发展。
1、桩基施工技术概述在我国的建筑工程特别是码头工程中，桩基施工技术是主要的技术之一，对工程的整体质量有着至关重要的作用。
桩基技术就是在建筑的根底构造上采用桩顶和桩体承台相结合的一种桩基构造，它具有科学性和合理性，并且可以依据建筑工程的整体载荷情况来对桩基开展合理的调整。
在建筑工程中应用桩基施工技术，可以使其构造的承载能力、安全性、稳定性得到大大的提高，在遇到地基发生沉降的意外的情况时，也能够比较从容的应对。
在建筑工程中，基本的桩基类型有钢筋混凝土预制桩钢筋混凝土灌注桩两种，其中钢筋混凝土灌注桩在码头工程中得到了广泛的应用。
2、桩基施工技术在码头工程中的应用研究2.1码头工程中的桩基类型在码头工程中，桩基类型主要有以下三种：一是钢管桩。
钢管桩是码头工程中的最主要的桩基构造形式，其特点是沉桩操作比较容易，缺点是造价较高，一般在不需要较高承载需要的情况下采用。
钢管桩主要考虑的参数是桩力、弯力及水平移动距离等。
钢管桩主要由直桩和叉桩构成，并利用直径和长度不同的钢管桩，再加上叉桩的倾斜度，形成横向和纵向的承载力，来到达支撑码头主体构造的目的。
二是预应力桩。
预应力桩跟钢管桩的情况相似，采用一根直桩和两根叉桩来共同构成一个承载平面，它的斜度也跟钢管桩类似，桩端也深入到砾砂层中，但承载能力比钢管桩要低。
预应力桩的优点是等价低，承载能力可以适应一般码头的要求，缺点是施工的难度较大，施工质量不易控制。
三是水冲桩。
水冲桩跟钢筋混凝土的方案基本一样，主要是在标贯击数较大的砂土地质构造中使用，其缺点是施工时不易控制沉桩，且沉桩的偏位较大，特点是在砂土层较厚的地质根底中偏位问题更加明显，必须通过后期的处理来弥补，致使成本有所上升。
plaxis在板桩码头分析中的应用
第1期2013年2月水利水运工程学报HYDRO⁃SCIENCE AND ENGINEERING No.1Feb.2013 收稿日期:2012-07-01 作者简介:汤子扬(1982-),男,广东广州人,工程师,主要从事港口工程设计.E⁃mail:tangzy@Plaxis 在板桩码头分析中的应用汤子扬1,牛志国2,陈春燕3(1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州 510230;2.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;3.珠江水文水资源研究所,广东广州 510370)摘要:现行规范中关于板桩码头的受力计算分析方法均有一定的局限性,且都不能模拟桩土之间的相互作用,为此,运用有限元软件Plaxis 对板桩结构的受力特性进行非线性有限元分析,并与竖向弹性地基梁法的计算结果进行对比.结果表明:现行板桩规范中关于墙后主动土压力的假定与Plaxis 计算结果不一致;土体硬化(HS)模型能更真实地反映土体的非线性特性;HS 模型的土体参数中,内摩擦角最敏感,黏聚力和压缩模量次之,参数M 最不敏感.关 键 词:Plaxis;土压力分布;土体硬化模型;敏感性分析中图分类号:TU432;U656.1+12 文献标志码:A 文章编号:1009-640X (2013)01-0081-05板桩墙是港口㊁游艇码头㊁船坞和其他水运工程中最常见的结构.而钢板桩是板桩墙码头建设中最常用的结构之一,广泛应用于集装箱码头㊁干散货码头以及海堤及陆域回填工程.板桩结构受力复杂,许多学者在分析和预测板桩墙承载力方面做了研究.B.Rymsza 等[1-2]把板桩看作柔性结构来分析其变形和受力特性.C.Don 等[3]运用有限单元法分析研究板桩结构的受力特性和破坏机理.J.L.Briaud 等[4]用现场试验的方法分析板桩结构.A.D.Barley [5]根据现场观测结果得出了板桩破坏的机理.近年来,随着岩土本构模型的逐渐完善,有限单元法在岩土工程中得到了广泛应用,这为进一步研究板桩的受力特性提供了有力工具.目前国内外常用的板桩内力计算主要有3种方法[6-9]:自由支承法㊁基于古典理论的弹性线法和竖向弹性地基梁法.其中竖向弹性地基梁法不仅适用于不同刚度㊁不同支承条件和边界条件的板桩墙,也适用于多锚和单锚板桩墙的任何工作状态,因此得到了广泛应用.当前在港口工程板桩码头设计中主要采用弹性地基梁法中的m 法.该法虽应用广泛但也存在以下几个方面的问题:(1)现行规范中的弹性地基梁法采用土体的m 值来确定水平地基反力系数K (K =mZ ,Z 为计算点距计算水底的深度),认为K 随深度线性变化.而港口工程中的桩,尤其是钢板桩,由于承受了一定的水平力,一般在计算水底处的水平位移都超过了10mm,属非线性状态,此时采用m 法就会产生比较大的误差.虽然规范明确了当板桩墙在计算水底处的水平变位大于10mm 时的m 值的取值建议,但与采用Plaxis 软件的计算结果仍有较大偏差.(2)板桩的稳定性由作用在其表面上的压力决定.作用于板桩上的压力主要包括墙后主动土压力㊁剩余水压力,以及计算水底以下的墙前被动土压力.因此,土压力的假定是决定板桩墙稳定的关键性因素.按现行板桩规范[10]的规定,计算水底以下的墙后主动土压力考虑由计算水底以上地面荷载加土体重产生的土压力,严格地说,这与Plaxis 有限元模拟以及物理模型试验分析的结果不一致[11].(3)现行板桩规范[10]中的弹性地基梁法不考虑墙后被动土压力,当入土深度较大时,Plaxis 有限元分析的结果表明此时墙后会产生被动土压力.随着板桩码头的应用越来越广泛,且向大型深水化发展,有必要进一步研究板桩码头的计算模型,以适应板桩码头大型化发展的要求.基于此,本文采用岩土工程有限元软件Plaxis 对上述几个问题进行分析研水利水运工程学报2013年2月究,并对土体参数进行敏感性分析.图1 码头结构示意图(单位:高程:m,其他:mm)Fig.1 Sketch of quay structure (unit:height in m,others in mm)1 有限元分析模型安哥拉某沥青码头采用单锚板桩结构,板桩墙采用Φ1020钢管桩和AZ14-770的组合结构,钢管桩的底标高为-18.0m;锚定桩墙采用AZ12-770板桩;拉杆为直径Φ90的Q235钢拉杆,间距2.6m(见图1).土的材料参数见表1,前墙㊁后墙和拉杆的每延米抗压刚度EA 分别为4.36×106,2.40×106和4.86×105kN /m,前墙和后墙的每延米抗弯刚度EI 分别为4.36×105和4.29×104kPa /m.为方便比较,计算中忽略剩余水压力和船舶荷载,仅考虑码头面上的2t 均载.表1 土体参数Tab.1 Soil parameters 土 层压缩模量(100kPa)/(kPa)密度/(t㊃m -3)黏聚力/kPa 内摩擦角/°剪胀角/°界面参数m 回填砂 2.0×1041.703000.65黏 土1.2×1041.459.214.700.5硬黏土1.4×104 1.3582.714.800.5坚硬黏土 3.0×104 1.3695.118.000.5在Plaxis 计算中,板桩码头可以简化为平面应变问题,前墙和后墙用梁单元模拟,土体用15节点的三角形单元模拟,用点对点锚杆单元模拟拉杆.为了研究桩土的相互作用机理,用界面单元模拟桩与土之间的相互作用.通过试算确定对内力无影响的土体计算范围,并简单归纳如图2所示,相应的有限元网格如图3所示. 图2 土体计算范围的选取 图3 有限元模型 Fig.2 Calculation range for quay structure Fig.3 Finite element model generated by Plaxis2 计算结果分析2.1 弹性地基梁法与Plaxis 有限元法比较为了对比弹性地基梁法和Plaxis 有限元解法的差别,就以上的码头结构分别用弹性地基梁法和Plaxis 进行分析计算.主要计算结果见表2.表2 计算结果对比Tab.2 Calculated results generated by different methods 计算方法前墙计算水底处水平位移/mm最大弯矩/(kN㊃m /m)最大弯矩所在位置/m 拉杆拉力/(kN㊃m -1)弹性地基梁法19.3365-5.28392Plaxis 有限元计算方法77466-5.2124628 第1期汤子扬,等:Plaxis 在板桩码头分析中的应用 由表2可以看出,2种方法计算的前墙计算水底处的水平位移均大于10mm,说明土体已处于非线性状态;但是2种方法计算得到的水平位移和最大弯矩差别较大,这是由于2种方法的土压力假定不同造成的.图4 墙后主动土压力分布Fig.4 Active earth pressure distribution behind sheet pile wall 2种方案计算得出的墙前主动土压力如图4所示.可见,2种方法在前墙计算水底处以上的主动土压力值相差不大,但是计算水底处以下的主动土压力相差很大.Plaxis 计算的土压力基本上呈R 型分布,这与模型试验的结果一致[11].这说明了弹性地基梁法中关于入土段墙后主动土压力考虑由计算水底以上地面荷载加土体自重的假定与Plaxis 有限元软件模拟的结果不一致,与物理模型试验分析得到的土压力分布规律也不一致[11].因此,从严格意义上说,规范中关于板桩墙的墙后土压力的假定有待进一步研究.图5 不同本构模型时的前墙弯矩Fig.5 Moment of forward wall based on different constitutive models 2.2 Plaxis 软件参数敏感性分析2.2.1 土体本构模型的选取 为了选择合理的土体本构模型,选择M-C(摩尔库伦模型)和HS(土体硬化模型)进行计算比较,结果见表3,前墙弯矩见图5.计算结果表明,M-C 模型的前墙弯矩小很多.这是由于摩尔-库伦模型只有1个刚度模量,刚度不会随着应力水平的改变而改变,荷载-沉降曲线呈线性关系所致.而HS 模型的刚度随着应力水平的增加而增加,这符合实际土体的非线性特性.因此,采用HS 模型更能模拟实际土体的变形,特别是在模拟开挖和回填的过程中,由于HS 模型考虑了卸载模量,其结果也更真实地反映结构的受力情况.表3 不同本构模型时的计算结果Tab.3 Results obtained from different constitutive models 本构模型前墙最大水平位移/mm 最大负弯矩/(kN㊃m /m)最大负弯矩高程/m 最大正弯矩/(kN㊃m /m)最大正弯矩高程/m 拉杆拉力/(kN㊃m -1)M-C 模型105312.4-4.7963.90192.4HS 模型92466.8-5.21235.9-13.0246.4图6 不同入土深度时的前墙弯矩Fig.6 Forward wall moment for different embedded length 2.2.2 不同入土深度对前墙弯矩的影响 以入土10,15和20m 分别进行计算,计算结果见表4,前墙弯矩变化见图6.可见,前墙位移随着入土深度的增加而减小,前墙的负弯矩随着入土深度的增大而减小,前墙的正弯矩随着入土深度的增大而增大,拉杆拉力随着入土深度的增大而减小.当入土深度等于20m 时,墙后出现被动土压力,这与规范中的弹性地基梁法的假定不一致.2.2.3 土体参数对前墙弯矩的影响 HS 模型中土体的参数主要有内摩擦角φ,黏聚力C ,压缩模量E ,以及与刚度应力相关性的幂率参数M .为了分析这些参数对前墙弯矩的敏感性,将土体的上述参数增加一定的百分比分别进行计算,计算得到的前墙弯矩见图7(a)~(d),各个参数对前墙弯矩的敏感性见图7(e).可见,内摩擦角对前墙弯矩的敏感度最高,黏聚力和压缩模量次之,参数M 的敏感度最低.38水利水运工程学报2013年2月表4 不同入土深度时的计算结果Tab.4 Results based on different embedded lengths 入土深度/m 前墙最大水平位移/mm 最大负弯矩/(kN㊃m /m)最大负弯矩高程/m 最大正弯矩/(kN㊃m /m)最大正弯矩高程/m 拉杆拉力/(kN㊃m -1)1092-466.8-5.21235.9-13.0246.41588.3-385.3-5.14321.3-13.3225.22087-364.9-5.0337.0-13.3219.5 (a) 不同内摩擦角 (b) 不同黏聚力 (c) 不同压缩模量 (d) 不同M 值 (e) 土体参数敏感性分析图7 不同参数对应的前墙弯矩Fig.7 Moment of forward wall corresponding with different parameters3 结 语本文通过Plaxis 软件研究了土体的不同本构模型㊁前墙入土深度对板桩结构受力性能的影响,分析了前墙主动土压力分布,并对HS 模型的土体参数进行敏感性分析,得出以下结论:(1)在计算水底以上部分,对于前墙墙后主动土压力分布,Plaxis 软件计算结果与现行规范方法计算结果基本一致,但计算水底以下部分,两者结果相差较大,但Plaxis 计算的土压力分布与物理模型试验的结果一致,因此现行规范中关于计算水底下以下部分的墙后主动土压力的假定有待进一步研究.(2)现行板桩规范中弹性地基梁法不考虑墙后被动土压力,通过Plaxis 软件分析发现,当入土深度较大时,前墙底部出现向后的位移,即墙后出现被动土压力.(3)在Plaxis 软件中应用不同的土体本构模型分析板桩结构受力后发现,HS 模型(土体硬化模型)能更真实地模拟土体的非线性状态,因此在用Plaxis 软件进行板桩结构分析中,建议采用HS 模型.(4)前墙位移随着入土深度的增加而减小,前墙的负弯矩随着入土深度的增大而减小,前墙的正弯矩随着入土深度的增大而增大,拉杆拉力随着入土深度的增大而减小.(5)通过对HS 模型的土体参数敏感性分析后发现,内摩擦角的敏感度最高,黏聚力和压缩模量次之,参数M 的敏感度最低.4858 第1期汤子扬,等:Plaxis在板桩码头分析中的应用参 考 文 献:[1]RYMSZA B,SAHAJDA K.Static analysis of restrained sheet⁃pile walls[C]∥RYMSZA B,SAHAJDA K.Geotechnics in Maritime Engineering.Poland,2008:1⁃8.[2]MCNAB A.Earth retention systems handbook[M].New York:McGraw⁃Hill Publishers,2002.[3]DON C,WARRINGTON P E.Anchored sheet pile wall analysis using fixed end method without estimation of point of contra⁃flexure[M].Vulcanhammer info,2007:1⁃27.[4]BRIAUD J L,NICHOLSON P,LEE J.Behavior of a full⁃scale vert wall in sand[J].Geotechnical Geo⁃environ,2000,126(9): 808⁃818.[5]BARLEY A D.The failure of a twenty⁃one year old anchored sheet pile quay wall on the thames[J].Ground Engineering,1997 (3):42⁃45.[6]王浩芬,李久旺.板桩m法计算的初步验证[J].水运工程,1986(7):34⁃37.(WANG Hao⁃fen,LI Jiu⁃wang.Preliminary verification of m method for sheet pile calculation[J].Port&Waterway Engineering,1986(7):34⁃37.(in Chinese)) [7]王浩芬,李久旺.有锚柔性墙的内力与变形分析[J].岩土工程学报,1987(6):67⁃72.(WANG Hao⁃fen,LI Jiu⁃wang. Analysis of internal force and deformation for anchored flexible wall[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1987(6): 67⁃72.(in Chinese))[8]郭宗勤.板桩的计算[J].重庆交通学院学报,1983(4):53⁃63.(GUO Zhong⁃qin.Calculation of sheet piles[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,1983(4):53⁃63.(in Chinese))[9]裴张兵,王云秋.板桩码头计算方法的分析比较[J].水运工程,1998(11):6⁃9.(PEI Zhang⁃bing,WANG Yun⁃qiu. Analysis and comparison of the calculation method for sheet pile wharves[J].Port&Waterway Engineering,1998(11):6⁃9. (in Chinese))[10]JTS167-3-2009,板桩码头设计与施工规范[S].(JTS167-3-2009,Code for design and construction for quay wall of sheetwall[S].(in Chinese))[11]李士林,徐光明.单锚板桩结构码头离心模型试验研究[J].水利水运工程学报,2008(1):67⁃72.(LI Shi⁃lin,XUGuang⁃ming.Centrifuge modeling tests for sheet⁃pile bulkhead anchored by single layer of tie⁃rods[J].Hydro⁃Science and Engineering,2008(1):67⁃72.(in Chinese))Analysis of the sheet⁃pile wall based on PlaxisTANG Zi⁃yang1,NIU Zhi⁃guo2,CHEN Chun⁃yan3(CC⁃FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China;3.Pearl River Hydrology and Water Resources Research Institute,Guangzhou 510370,China)Abstract:Traditional calculation methods specified in the current code for the sheet⁃pile wall are all limited and the interaction between soil and pile can not be taken into account,therefore non⁃linear FEM analysis for the interal force of the sheet⁃pile wall based on Plaxis software is carried out herein,of which results are compared with those of the traditional vertical beam on elastic foundation method.The research results show:(1)the assumption for the active earth pressure behind the sheet⁃pile wall in current Chinese Code differs from the results by Plaxis;(2) hardening soil constitutive model can represent the non⁃linear properties of soilmass well;(3)among all soilmass parameters for hardening soil model,the internal friction angle is the most sensitive,the cohesion force and modulus of compressibility less and parameter M is the least.Key words:Plaxis;distribution of earth pressure;soilmass hardening model(HS model);sensitivity analysis。
PLAXIS在混凝土U形板桩护岸受力计算中的应用-港工技术
采用全约束，两侧为法向约束。单排 U 形板桩典型
护岸断面见图 3。
各土层参数由地质报告给出，搅拌桩参数根据
计算所得，水泥搅拌桩平面布置示意见图 4。
水泥搅拌桩处理的置换率为：
m
搅拌桩处理面积 总面积
4.54 0.73 4.54
84
%
水泥搅拌桩 28 天无侧限抗压强度平均值要求
为 不 低 于 1.0 MPa ， 桩 体 抗 剪 强 度 为 ：
面有限元模型，模拟整个施工过程、使用期在不同
工况荷载作用下结构内力和位移分布，用于指导结
构进一步设计。土体采用 MC 模型，U 形板桩采用
板单元模拟，赋予线弹性属性，并在板单元与土之
间均加入界面单元模拟接触的实际性质。土层采用
三角形 15 节点单元模拟，通过改变材料的参数的
方式模拟搅拌桩处理软弱地基土的过程。模型底部
sp 2
)
2 csp ) rH
D min( D1, D2 , D3 )
（4） （5）
根 据 （ 2 ）、（ 3 ）、（ 4 ）、（ 5 ） 式 可 将 综 合 值
csp 140 kPa ， sp 0 等效换算成 D 17.2 0 ； 而为方便计算，将混凝土搅拌桩的参数取值为
csp 60 kPa ，sp 90 等效换算成 D 16.20 <17.2°； 因此本项目混凝土搅拌桩参数最终取值为：
csp 60 kPa ，sp 90 ；其余二维模型计算土层参数、 结构参数分别见表 2、表 3。
58
名称 ②淤泥 ③粉质粘土（混砂） ④淤泥质土 ⑤粉质粘土（混砂） ⑤2 细砂 ⑥残积土 ⑦全风化花岗岩 ⑧强风化花岗岩 搅拌桩 回填砂
Plaxis在板桩结构分析中的应用
（ １ ．同 济大 学 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ；２ ．上 海 市水 利 工 程 设 计 研 究 院 有 限公 司 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ６ １ ）
ห้องสมุดไป่ตู้
摘要 ：上海市某船 闸引航道拟采用板 桩结构，为选取合 适的板桩结 构形式 ，利 用岩 土工程有 限元分析软件 Ｐ ｌ ａ ｘ ｉ ｓ对锚
Ｔ Ｉ ＡＮ Ｌ ｉ ． ｙ ｏ ｎ ｇ ， ＹＵ Ｗｅ ｎ ． ｈ ｕ ａ ， Ｌ Ｕ Ｙｕ — ｆ ａ ｎ ｇ ２
（ １ ． Ｔ ｏ ｎ ￣ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ９ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
文章编号 ：１ ０ ０ ２ — ４ ９ ７ ２ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ — ０ １ ９ ４ — ０ ７
Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐｌ ａ ｘ ｉ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ － ｐ ｉ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ｅ
碇 墙 拉锚 板 桩 结构 、锚 碇 叉 桩 拉锚 板桩 结 构 、 叉桩 式 高桩 承 台结 构 、 直桩 式 高桩 承 台结 构 这 ４种 不 同板 桩 结 构 形 式进 行 数 值 模 拟 分 析 ，得 出 了各 种 板 桩 结 构 形 式 的 结 构位 移 变 形 、 结 构 内力 及 桩 侧 土 压 力 分 布 情 况 。 计 算 成 果 显 示 ：锚 碇 墙 拉 锚 板 桩 结 构 和 直 桩 高 桩承 台 结构 水 平 位 移 较 大 ，达 ６ ｏ一 ７ ０ ｍ ｍ；叉 桩 高桩 承 台结 构 和 锚碇 叉桩 拉 锚 结构 在 水 平 位 移 较 小 ， 约 ２ ０ ｍ ｍ；
PLAXIS软件及其在地下建筑工程中的应用
汇报：阮庆松 学号：LBYG20130011 导师：吴立 教授
內容
PLAXIS软件及其在地下工程中的应用
1 Plaxis 系列软件 1.1 Plaxis 8.2版 1.2 Plaxis 3D Tunnel 1.2 版 2 Plaxis 在地下工程中的应用 2.1 基坑开挖模拟 2.2 隧道施工模拟
2.2 隧道施工模拟
实例1：盾构法隧道施工
PLAXIS软件及其在地下工程中的应用
注浆 压力
管片
正面压力
图2 盾构机及主要压力 图1 计算模型
图3 盾构法隧道施工模拟
图4 地表变形
2.2 隧道施工模拟
实例2：公路双隧道
PLAXIS软件及其在地下工程中的应用
图2 围岩应力云图
图1 双隧道剖面建模
图3 开挖引起变形云图
PLAXIS软件及其在地下工程中的应用
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2.1 基坑开挖模拟
PLAXIS软件及其在地下工程中的应用
基坑工程是一项综合技术性很强的复杂系统工程，它涉及岩 土、结构、水文地质、工程地质等多个学科，虽然它是一项临时 性工程，但其造价约占整个工程投资的三分之一。Plaxis 8.2版 能良好模仿基坑二维模型的支护结构、地下降水和开挖过程。基 坑模拟流程如下：
1. Plaxis 系列软件
Plaxis 是用于岩土工程的变形、稳定性以及地下水渗流等问题 的通用有限元系列软件。它计算功能强大、运算稳定、界面友好 ，是解决现在与未来复杂岩土工程问题的专业计算分析工具。 Plaxis 诞生于1987年荷兰的delft大学，最初的目的是为了在荷 兰特有的低地软土上建造河堤，开发一个易于使用的二维有限元 分析程序。经过20多年的发展，Plaxis已经成为能够高效解决大多 数岩土工程问题的通用有限元系列软件。Plaxis的主要应用领域包 括：基础工程、地质工程、地下工程、隧道工程、水利工程、近 海工程、采矿工程等。 最新的系列软件包括： - Plaxis 2D 2012 - Plaxis 3D 2012 - Plaxis 3D Foundation（三维基础）V2.2 - Plaxis 3D Tunnel（三维隧道）V2.4 在学习当中，地下建筑工程专业的大部分学生使用的软件为 Plaxis 8.2版和Plaxis 3D Tunnel 1.2版。
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Plaxis在板桩码头分析中的应用分析发表时间：2019-01-21T16:37:15.187Z 来源：《建筑细部》2018年第15期作者：王冠郭东[导读] 在板桩码头分析中，国内外一般采用弹性地基梁法、弹性线法和自由支承法来计算板桩的内力。
天津深基工程有限公司天津市 300222 摘要：在钢板桩码头建设中，钢板桩的应用非常常见，但其具有复杂的受力结构。
目前，在板桩码头分析中，有限元计算软件Plaxis的应用普遍。
为此，本文主要探讨Plaxis在板桩码头分析中的应用，具体分析前墙主动土的压力分布、HS模型（土体硬化模型）的土体参数敏感性。
结果表明，HS模型对土体非线性特征的反映真实；在HS模型中，土体参数的敏感度排序（从高到低）依次为内摩擦角、粘聚力C与压缩模量E、幂率参数M。
关键词：板桩码头；Plaxis；竖向弹性地基梁法；HC模型；敏感性Application Analysis of Plaxis in the Analysis of sheet pile Wharf Wang Guan Guo Dong Tianjin Shenji Engineering Co.， Ltd.Tianjin 300222 Absrtact：in the construction of steel sheet pile wharf，the application of steel sheet pile is very common，but it has complicated structure.At present，finite element calculation software Plaxis is widely used in plate pile wharf analysis.Therefore，this paper mainly discusses the application of Plaxis in the analysis of plate pile wharf，analyzes the pressure distribution of active soil in front wall and the sensitivity of soil parameters of HS model（soil hardening model）.The results show that the HS model reflects the nonlinear characteristics of soil truly，and in the HS model，the order of sensitivity of soil parameters（from high to low）is the angle of internal friction.，cohesion C and modulus of compression E，power ratio parameter M. Key words：plate pile wharf；Plaxis；vertical elastic foundation beam method；HC model；sensitivity一、研究背景在板桩码头分析中，国内外一般采用弹性地基梁法、弹性线法和自由支承法来计算板桩的内力，其中以弹性地基梁法的应用更为广泛，因其适用于刚度、支承条件、边界条件不同和处于任一工作状态下的板桩墙。
弹性地基梁法是以桩为弹性地基上的梁，并按文克尔假定求解。
在弹性地基梁法中，虽然m法广泛用于设计港口工程板桩码头，但存在的问题却非常突出，即：一是在港口工程中，计算水底处钢板桩的水平位移一般＞10mm且处于非线性状态，则如果采取m法来计算水平地基的反力系数，定会产生较大的计算误差；二是规范规定了水底下墙后主动土压力的计算将水底上地面荷载和源自土体重的土压力考虑进来，但土压力的假定对板桩墙的稳定性产生了决定性的影响，故计算结果会偏离物理模型试验结果和Plaxis的模拟结果；三是竖向弹性地基梁法未将墙后被动土压力考虑进来，但Plaxis模拟分析发现，如果入土深度达到20m时，会在墙后产生一个被动土压力。
可见，竖向弹性地基梁法适应不了板桩码头大型化、深水化发展的需要。
在这一背景下，将Plaxis应用于板桩码头分析是一种必然，具体用于分析土体参数的敏感性。
板桩墙是一种常用的码头工程结构，而在钢板桩码头建设中，钢板桩的应用最常见。
但板桩结构具有复杂的受力结构，一直备受研究界的关注。
钢板桩在钢板码头施工中的质量控制方法及施工工艺，在研究时主要是结合实际的工程案例来进行分析，在分析时必然存在一定的局限性，对此相关的研究人员应当拓宽思路，加强对钢板桩码头钢管桩和PHC管桩施工工艺的研究，以期促进我国钢板码头施工技术的进一步提升。
二、Plaxis的介绍Plaxis始于1987年，最初其是TUD大学为了解决荷兰当地软土地基问题而研发的一款岩土有限元程序。
至今，荷兰PlaxisB.V公司已经推出了Plaxis2D、3D等一系列具有强大功能的通用岩土有限元计算软件，且已在复杂的岩土工程项目的有限元分析中得到了广泛应用。
Plaxis软件的功能十分强大，主要包括前处理功能、计算分析功能和后处理功能，即：（一）前处理功能Plaxis界面友好，操作便捷。
Plaxis在“输入”程序的界面下设了土层、结构、网格、水位、分步施工等标签，建模计算过程仅需依此流程计算即可。
Plaxis采用了交互式图形界面，土层数据、结构、施工阶段、荷载和边界条件等全部输入类似CAD绘图环境的操作界面中，可导入DXF、DWG、3DS及地形图，提供了建立曲线的曲线生成器和建立复杂几何模型的工具。
Plaxis可以自动生成非结构化有限元网格，其中在Plaxis2D中，土体采用了15节点三角形单元；在Plaxis3D中，土体采用了10节点四面体单元模拟。
另外，在模型中，可用板、梁、锚杆、土工格栅和Embedded桩等结构单元，故可直接在模型中像绘制CAD图形一样画出或在命令行通过输入命令建立。
土与结构的相互作用采用了界面单元模拟，如板单元与土体的相互作用，在建板后，通过右键菜单一键生成接触界面即可。
（二）计算分析功能Plaxis的计算功能强大，且适用范围广。
Plaxis 2D、3D包含主模块、渗流模块和动力模块，可用于分析塑性、安全性、固结、渗流、流固耦合、动力等；可用于分析岩土工程问题（如地基、开挖、支护等）的塑性状态；分析超孔压增长与消散问题的固结状态；计算水位变化问题的渗流（稳态、瞬态）和进行完全流固耦合分析；分析动力荷载、地震作用问题的动力；分析稳定性（安全系数）问题额安全性。
Plaxis运算稳定，且结果可靠。
Plaxis引入了HS模型（土体硬化模型）和HSS模型（小应变土体硬化模型），其考虑到了土体刚度与应力状态变化的关系，如模拟基坑开挖支护。
（三）后处理功能Plaxis的后处理功能十分强大，即：输出结果等值线、彩色云图、等值面和矢量分布图；输出结构单元的内力；直接输出实体单元内力；输出不同阶段的孔压变化；在输出视图上添加注释；利用曲线管理器绘制监测点变化曲线；自动生成计算结果报告和动画；在计算中预览计算结果，以方便检查和修正模型。
目前，Plaxis在板桩码头分析中的应用十分广泛，且与弹性地基梁法相比，Plaxis的应用价值更明显，即为解决研究背景中谈及的三个问题提出了更好的办法。
下面，笔者首先建立板桩码头分析模型，然后再进一步分析土体参数的敏感性。
三、板桩码头分析模型某单锚板桩码头的板桩墙由φ1020钢管桩、AZ14-770板桩组成。
钢管桩底标高-18.0m，由AZ12-770板桩组成锚定桩墙，由φ90&Q235钢拉杆制成拉杆及其间隔2.6m。
该板桩码头的土层包括回填砂、黏土、硬黏土和坚硬黏土，即其参数见表3-1。
图3-1 土体计算范围四、土体参数敏感性分析（一）比较Plaxis法与弹性地基梁法选取第一章节谈到的单锚板桩码头结构，先后用Plaxis法、弹性地基梁法两种方法计算分析前墙计算水底处水平位移、最大弯矩、最大弯矩所在位置和拉杆拉力，即分别为：77/19.3mm、466/365kN·m/m、-5.21/-5.28m、392/246kN/m。
计算结果表明，Plaxis法与弹性地基梁法算得的前墙计算水底处水平位移都比10mm大，反映了土体存在非线性特征；两种方法算得的最大弯矩、水平位移却不尽相同，究其原因为Plaxis法、弹性地基梁法提出了不同的土压力假定。
图4-1所示为采用Plaxis法与弹性地基梁法算得的墙后主动土压力分布图。
图4-1 墙后主动土压力分布图如图4-1所示，对于墙后计算水底处上的主动土压力，采用Plaxis法与弹性地基梁法算得的数值基本接近。
但是，对于墙后计算水底处下的主动土压力，Plaxis法与弹性地基梁法算得的结果却存在很大的差值，其中在Plaxis计算中，主动土压力的分布基本呈“R”型，且与模型试验结果保持一致。
综上可知，在弹性地基梁法中，针对入土段墙后主动土压力提出的假定不同于Plaxis的模拟结果，同时也不同于物理模型试验的分析结果，说明了规范中针对板桩墙墙后土压力提出的假定仍待完善。
（二）合理选择土体本构模型M-C模型是一种基于工程常用土体参数的非线性模型，其常用于计算地基的实际承载能力、失效荷载和其他以土体破坏为关键因素的数据。
HS模型是一种高级的土体模型，其常用剪胀角、粘聚力和摩擦角描述极限应力状态。
经计算，得到M-C模型（摩尔库伦模型）与HS 模型的前墙最大水平位移、最大负弯矩高程、最大正弯矩、最大正弯矩高程和拉杆拉力分别为：105/92mm、312.4/466.8kN? m/m、-4.79/-5.21m、63.9/235.9kN?m/m、0/-13.0m、192.4/246.4kN/m。
图4-2所示为利用HS模型与M-C模型得到的前墙弯矩分布图。
图4-2 前墙弯矩分布图如图4-2所示，在M-C模型中，其前墙弯矩远比HS模型小，究其原因为：M-C模型的刚度模量仅有一个，且其刚度不受应力水平改变的影响；荷载-沉降曲线存在线性关系。
在HS模型中，其刚度与应力水平呈正相关，这与土体表现出的非线性特征相符。
综上，在实际土体变形模拟中，HS模型更具应用价值，尤其在土体开挖与回填模拟中，HS模型将卸载模量考虑进来，从而保障了计算结果对土体结构受力的真实反映。
（三）不同入土深度的影响下面，分别选取入土10m、15m和20m进行前墙最大水平位移、最大负弯矩高程、最大正弯矩、最大正弯矩高程和拉杆拉力计算，结果分别为：92/88.3/87mm、-466.8/-385.3/-364.9kN?m/m、-5.21/-5.14/-5.0m、235.9/321.3/337.0kN?m/m、-13.0/-13.3/-13.3m、246.4/225.2/219.5kN/m。