1 引言

軟土通常指的是正常固結或稍微固結的粘土、粉質粘土、粘土淤泥和泥炭，軟土最大的工程特征是含水量大，壓縮性高。下面的題目討論在軟土中的開挖以及支護模擬，主要的模擬內容包括：

(1) 軟土(Soft Soil)模型和硬化土(Hardening Soil)模型;

(2) 水壓力(water pressures)的產生以及不排干Undrained (A)排水類型;

(3) 界面元模擬土-結構相互作用；

(4) 錨固元(anchor elements)以及固定端錨(Fixed-end-anchor)的設置;

(5) 多計算階段(multiple calculation phases)模擬開挖過程(cluster de-activation)。

這個題目的模擬過程比較復雜，計劃分成3至4部分分別討論，今天介紹第一部分Part 1, 主要討論幾何模型和材料模型的建立以及地下連續墻的模擬設置方法。

2 幾何模型

這個例子的工程背景是在靠近河流的地方進行明挖，開挖到一定深度后安裝預制的隧道管道，這種施工方法類似于沉井基礎的施工【沉井基礎(Caisson Foundation)---形狀和尺寸(Shape and Size) (3】。

為了安全開挖到設計深度，需要對開挖周圍的軟土使用地下連續墻和橫向支桿進行支護，如下圖所示。

整個模型由兩層土組成。上層為20米厚的均勻軟土層，下層是30m厚的均勻砂層。擬建的預制隧道坐落在砂層上，因此開挖深度為20米，開挖寬度為30米。開挖兩側使用30米長的地下連續墻支護，連續墻由水平支桿支撐，支桿垂直間隔為5米。

由于開挖在縱向上延伸了很遠的距離，所以使用平面應變模型。此外，在開挖兩側的地表附近考慮了地表荷載，這部分靜態載荷通常是由施工設備引起的。荷載范圍從距地下連續墻2米到7米之間，線性載荷大小為5kPa/m。

由于開挖幾何形狀是對稱的，因此在模型中只分析左邊一半即可。地下連續墻使用板單元【柔性地基(Flexible footing)板內的結構力】，地下連續墻和土之間的相互作用使用界面元【貫入樁/沉樁(Driven Piles)的有限元模擬；Plaxis 3D/2D中樁的模擬---Embedded Beam(Pile) Modeling】，支桿使用彈簧元(spring element)。

3 材料模型

按照上面的幾何模型建立材料模型。使用“Create borehole”工具產生兩層土，粘土層采用軟土模型(Soft-Soil)，排水類型按不排干Undrained (A)；砂層采用硬化土模型(HS-Small)，排水類型按排干。材料模型的選擇以后作詳細討論，在此略過。

使用鼠標拖拉可以把材料模型賦值到幾何模型上，這種方法類似于Slide的做法【雙層土邊坡穩定性分析出現的問題】，還有一種更方便的方法是在“修改土層”窗口內拖拉，在早期的程序中(V21以前)，從材料集中把材料拖拉至修改土層中的名稱中即可完成這個操作。最新版本的程序(從V21開始)去掉了這個功能，而需要把材料拖拉至左邊的鉆孔中，對于多層土來說，可以實時監測賦值是否出錯，因此強烈推薦使用這種方法。

4 結構元模型

本題存在兩種類型的結構元，一種是模擬地下連續墻，另一種是模擬橫向支桿。地下連續墻的模擬包括墻體模型建立以及使用界面元模擬墻與土體的相互作用。首先使用“Create structure”工具創建板單元，然后輸入板的材料參數，最后把材料模型賦值到幾何模型。賦值材料值的另一種方法是在“模型瀏覽器”中設置，這種方法對于幾何線性材料的設置更適合。無論使用哪一種方法，在下一步進行之前，總是使用“模型瀏覽器”檢查模型設置是否正確。

在【柔性地基(Flexible footing)板內的結構力】中，雖然也使用了板單元，但由于板用作基礎，因此不需要考慮板與土體之間的摩擦。不過，本題的板單元用來模擬地下連續墻，因而需要設置界面元來考慮板與土之間的相互作用。選擇地下連續墻的幾何體，為其兩側創建正界面和負界面，正負僅用來識別界面的兩側，本質上沒有任何物理意義，對計算結果沒有影響。在【貫入樁/沉樁(Driven Piles)的有限元模擬】中曾經使用過單側的界面元模擬樁與土的相互作用，由于使用的是軸對稱，因此僅設置了一側的界面元，本題必須在兩側設置界面元。另一個需要注意的是當模擬樁時，樁按實體單元處理有一定的寬度(樁直徑的一半)，但在本題中的板單元沒有厚度，為了考慮板厚度的影響，引入了"虛擬厚度系數"的概念。這是一個純粹的數值，用來優化界面元的數值性能。這個數值可以在“模型瀏覽器”的界面中改變，默認值式0.1，如下圖所示。不過建議沒有經驗的用戶不要改變默認值。