软土地层开挖和支护模拟(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 2

1 引言

在Part 1【软土地层开挖和支护模拟(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1】中，建立了两层土的材料模型：上层软土(Soft Soil)和下层硬化土(Hardening Soil); 使用板单元模拟了地下连续墙，并且设置了界面元，用来模拟墙与土的相互作用。接下来需要定义分步开挖步骤，设置水平支杆支撑以及地面上的线性载荷，最后定义计算阶段。

2 分步开挖

在设置水平支杆之前，必须首先定义分步开挖深度。这是因为在实际施工过程中，开挖水平必须超前支护某一定深度(0.5~1.0m)，给支护留有一定的作业空间，这个工作原理基本上使用在所有的垂直开挖或带有一定放坡的开挖中，例如使用土钉支护的基坑。本题计划分为三步开挖，第一步开挖至2m([50,18]-[65,18])，第二步开挖至10m([50,10]-[65,10]), 第三步开挖至20m，第三步开挖不需要设置，系统会自动定义到粘土层和砂层的边界。开挖深度使用“Create line”命令画上述两条线即可。

3 设置支杆

在分步开挖设置完成后，定义水平支杆用来支撑连续墙。支杆使用弹簧元(spring element)表示，这是一个固定端锚(Fixed-end anchor)，在“ Create structure”工具栏下选择"Create fixed-end anchor"，锚固点为[50,19]，然后输入支杆的材料参数轴向刚度(Axial stiffness)和平面外的间距5m。等效长度(Equivalent length)是连接点和固定端点之间的实际距离。由于计算模型是实际模型的一半，支杆中间的点是固定的，因此等效长度为15m,如下图所示。

4 分布载荷

在软土地层开挖时，需要考虑在开挖两侧地表附近的荷载，这部分静态载荷通常是由施工设备引起的。荷载范围从距地下连续墙2米到7米之间，线性载荷大小为5kPa/m。使用Create load>Create line load工具产生5米的线性载荷([43,20]-[48,20])。

至此，模型设置完成。划分网格，如下图所示。

5 计算阶段

(1) 初始阶段。初始阶段计算初始应力和孔隙压力。这一阶段只有土层，因此确保所有的载荷和结构不被激活。

(2) 增加Phase_1。Phase 1激活线性载荷，板单元和界面元,这个阶段用来模拟开挖前的准备工作。尽管可以使用"Select multiple objects"工具逐个激活这些分量，但最快捷的方法是在模型浏览器中选择。

(3) 增加Phase_2。Phase 2模拟第一步开挖2m。停用这一层土即表示开挖。

(4) 增加Phase_3。Phase 3模拟安装支杆。激活支杆即可。

(5) 增加Phase_4。Phase 4模拟第二步开挖8m。停用这一层土即表示开挖。在Plaxis 2D中，当停用一个土层时，孔隙压力不会自动被停用。因此在这种情况下，水仍然留在开挖区域内，模拟的是一个被水淹没的开挖。

(6) 增加Phase_5。Phase 5模拟第三步开挖。停用这一层土即表示开挖。

至此完成了所有的计算步骤。