支護模擬的案例
錨索和地下連續墻聯合支護的開挖過程模擬(Tieback Wall)
1 引言
先前的軟土地層開挖使用了地下連續墻和支桿對地層進行支護，在硬土地層開挖更多地使用地下連續墻(concrete diaphragm)和預應力錨索(prestressed ground anchors)聯合支護，即Tie-back Wall。下面簡要總結了這個項目的模擬過程和關鍵步驟。
軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1
軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 2
軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 3
2 模擬過程
2.1 材料模型
模型的開挖寬度為20m，深度為15m。混凝土連續墻長度為16m，厚度為0.35m。開挖邊界兩側使用兩排錨索支護墻體。為了敘述簡潔方便，這里我使用了"錨索"，等同于"地層錨桿"的稱謂, 這是從采礦工程借用過來的一個術語，錨索與錨桿的本質區別在于長度。在采礦工程中，一般長度8m以下的稱作錨桿，8m以上的稱作錨索。不管怎樣，這只是一個專業的稱謂。錨索長度為14.5m，與水平面的夾角為33.7°（2:3)。在開挖左側地表，存在一個10kPa/m的線性載荷。
地層由三層土組成。第一層是Silt, 厚度3m; 第二層是Sand, 厚度12m; 第三層是Loam, 厚度15m。按照上面的幾何模型建立材料模型。使用“Create borehole”工具產生三層土，均采用硬化土模型(Hardening soil)，排水類型按排干drained。
2.2 安裝地下連續墻
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。
展開 軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 2
1 引言
在Part 1【軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1】中，建立了兩層土的材料模型：上層軟土(Soft Soil)和下層硬化土(Hardening Soil); 使用板單元模擬了地下連續墻，并且設置了界面元，用來模擬墻與土的相互作用。接下來需要定義分步開挖步驟，設置水平支桿支撐以及地面上的線性載荷，最后定義計算階段。
2 分步開挖
在設置水平支桿之前，必須首先定義分步開挖深度。這是因為在實際施工過程中，開挖水平必須超前支護某一定深度(0.5~1.0m)，給支護留有一定的作業空間，這個工作原理基本上使用在所有的垂直開挖或帶有一定放坡的開挖中，例如使用土釘支護的基坑。本題計劃分為三步開挖，第一步開挖至2m([50,18]-[65,18])，第二步開挖至10m([50,10]-[65,10]), 第三步開挖至20m，第三步開挖不需要設置，系統會自動定義到粘土層和砂層的邊界。開挖深度使用“Create line”命令畫上述兩條線即可。
3 設置支桿
在分步開挖設置完成后，定義水平支桿用來支撐連續墻。支桿使用彈簧元(spring element)表示，這是一個固定端錨(Fixed-end anchor)，在“ Create structure”工具欄下選擇"Create fixed-end anchor"，錨固點為[50,19]，然后輸入支桿的材料參數軸向剛度(Axial stiffness)和平面外的間距5m。等效長度(Equivalent length)是連接點和固定端點之間的實際距離。由于計算模型是實際模型的一半，支桿中間的點是固定的，因此等效長度為15m,如下圖所示。
展開 軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1
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。
展開 基坑分層開挖錨拉樁支護數值模擬 ￥59
基坑分層開挖錨拉樁支護數值模擬技術難點總結起來如下：
1、初始地應力平衡。不平衡的原因，往往是一開始就把錨桿嵌入地層了。
2、接觸設置。由于涉及到分層開挖，樁，預應力錨桿，所以要設置很多接觸，這些接觸包括：樁土永久性接觸，樁土暫時性接觸。在開挖過程中，部分接觸要失效。
3、生死單元功能。模擬分層開挖。
4、預應力錨桿嵌入土體。
5、錨桿與樁的連接。這里采用節點耦合方式處理。
6、錨桿預應力施加。設置熱膨脹系數，采用降溫法使錨桿產生預應力。
7、開挖與支護分析步設置。先開挖一層，設置一個分析步；然后立即對錨桿施加預應力支護，也設置一個分析步。
圖1 基坑分層開挖支護模型
圖2 地應力平衡時的位移
圖3 開挖第一層位移
圖4 開挖第二層位移
圖5 開挖第三層位移
圖6 開挖第四層位移
圖7 地應力平衡時等效塑性應變
圖8 開挖第一層等效塑性應變
圖9 開挖第二層等效塑性應變
圖10 開挖第三層等效塑性應變
圖11 開挖第四層等效塑性應變
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降溫法+追蹤法模擬巖土開挖與支護中的shell面殼單元與實體solid element合理連接
洞室開挖與支護的時候，周圍巖土體用實體單元（solid elements）模擬，支護的混凝土襯砌用面殼單元（shell elements）模擬，那么就出現如下問題：
（1）支護的面殼單元與被支護的巖土體共節點時，共用的節點即屬于面殼單元又屬于實體單元，那么對于面殼單元來說，共用的節點就有三個轉動自由度，如果轉動過大，對應共用節點的這部分實體單元來說，很可能造成不收斂情況，那么共用節點的情況該如何處理共用節點的轉動自由度，網友說采用equation，我看了下，好像不太合理。
（2）支護的面殼單元與被支護的實體單元不共用節點，那么實體單元與面殼單元該如何連接最為合理呢。如果采用tie會造成應力的集中，不太符合實際，coupling等 沒有試過。如果采用接觸對定義接觸，個人感覺很難被工程接受，原因是接觸參數取值的合理性和可信性，接觸狀態的合理性等。
提出以上開挖支護中遇到的一個問題，希望大家發表自己的心得。
首先感謝Simwe論壇，也Robert_Su的熱心關注與指導。
通過幾天的摸索嘗試，應力集中問題已經基本搞定：采用surface to surface 綁定約束，面殼網格與其支護的實體網格密度完全相同，非共節點綁定約束的響應和共節點模型的響應幾乎沒有差別。
現將采用降溫法+追蹤法模擬洞室開挖和支護的共節點與非共節點小模型的inp上傳，希望對巖土開挖與支護的朋友有用。簡單介紹下開挖實現的過程：前提---無論是共節點還是非共節點模型，面殼shell單元都要建立兩組相同節點不同單元號的襯砌shell單元組，其中一組給定很小的材料參數，用來追蹤降溫過中襯砌-圍巖交界面處的幾何位置（參考幫助或本論壇相關帖子）。（1）地應力平衡，這應該沒有什么說的，并殺死將來用來支護的shell單元，保留用來追蹤幾何位置的shell單元。
展開 Plaxis應用于巖石工程問題的本構模型
假定巖石是線彈性變形，塑性變形只能沿著預定的節理面發生，這個本構模型的建立方法與Midas GTS NX的建立方法完全一樣，不知道這兩個軟件誰模仿的誰，參看【各向異性巖體地層中隧道的數值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 2】
此外，Plaxis還有一個用戶定義的本構模型Iso_jrmc64.dll，用來模擬帶有Mohr-Coulomb準則的各向同性節理化巖體。
3 節理模擬
除了使用等效連續模型途徑外，Plaxis也可以使用界面元(Interface elements)顯式地表示節理或其它不連續，Plaxis傳統地使用界面元模擬土-結構的相互作用，例如：
軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1
軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 2
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
地基土中土工格柵的模擬(Geogrid)
錨索和地下連續墻聯合支護的開挖過程模擬(Tieback Wall)
在Plaxis最新版V22中，引入了新的不連續單元(Discontinuity Elements)，使建模工作流程更加簡單。不連續元用線或面表示，通過對網格中節點進行解耦，使不連續體的兩個面之間產生相對位移，用法向剛度kn和剪切剛度ks表示不連續性質, 界面之間只能產生小的相對位移，不能象FLAC3D/3DEC那樣產生大變形，從而產生新的接觸或塊體完全分離。
展開 碎屑物沖擊時擋板結構的支護性能模擬
這篇文章從模擬方面論證了不同擋板結構對碎屑物沖擊的支護性能評價。
1、成樣
這里模擬顆粒運移，所以對初始的模型平衡要求并不是特別高，為了計算省事，只solve到-2次方就停止了，有計算條件的同學可以到-5次方。
我們的模型大概是下面這個樣子：
（黃雨等，2021）
這里的建模方式是在水平向進行墻體和顆粒區域的構建，然后將其旋轉到指定角度。在初始模型中，顆粒的前端應當是有擋土結構的。
Abaqus-基坑開挖三維模擬-雙排樁懸臂支護 ￥20
<p>通過建立三維有限元分析模型，模擬雙排樁懸臂支護基坑開挖，分析基坑變形規律，前后排樁身變形，內力分布規律等。下圖為相應建模及計算結果。具體分析詳見付費附件內容，有償進行技術答疑，聯系QQ2317281509。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202405/attachment/5bfc244fd70e438b888a8b6cd80f0d29.png" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202405/attachment/5bfc244fd70e438b888a8b6cd80f0d29.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202405/attachment/5bfc244fd70e438b888a8b6cd80f0d29.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202405/attachment/5bfc244fd70e438b888a8b6cd80f0d29.png?
展開 基坑樁錨支護模擬過程<轉自SIMWE>
如何用flac3d模擬樁錨支護的基坑開挖過程，本人編了一些命令流，模擬結果很差，想請高手指點如何模擬這個過程，謝謝。
擋土墻邊坡支護效果的有限元數值模擬 ￥59
重力式擋土墻是中小型邊坡支護的首選方案。做重力式擋土墻設計時，一般要進行抗滑、抗傾覆和地基承載力驗算。其中非常重要的一點是求解作用在擋土墻上的土壓力。計算土壓力的理論很多，經典的有朗肯土壓力理論，庫倫土壓力理論，它們各自有不同的理論假設（此處不再贅述）。由于多方面的理論假設，使得計算的土壓力以及破壞面與實際情況存在一定的偏差。為此，新君采用有限元來計算擋墻的支護效果。
邊坡及擋墻設計剖面如圖1，擋墻高6米。通過強度折減計算，擋墻加固后的邊坡穩定性大概在1.08（本次計算坡頂荷載做了一定的放大，實際沒有這么大）。圖2/3/4分別為經強度折減后處于極限狀態時，邊坡的位移、水平應力和塑性應變。破壞面基本是從墻踵到荷載右下角連成的平面。在墻趾處也發生了較大變形，墻地面有發生滑移的跡象。另外，在墻背頂部一定深度范圍內，形成拉張裂縫，這與朗肯粘性土壓力理論比較吻合。此外，從水平應力來看，墻背最大應力基本集中在距離擋墻底部三分之一擋墻高度處，這也跟朗肯和庫倫土壓力理論較為一致。總體來看，在圖1這種情況下，該擋墻方案似乎存在安全隱患。
下期爭取綜合對比一下朗肯、庫倫土壓力理論計算結果，理正擋土墻驗算結果，有限元擋墻模擬結果，看看平常工程設計中常用的理論或工具，是否存在較大偏差，哪種驗算方法更科學合理、貼近實際。
圖1 擋土墻邊坡支護方案
圖2 強度折減后的位移云圖
圖3 強度折減后的水平應力
圖4 強度折減后的塑性應變
圖5 坡肩水平位移隨折減系數變化
展開 離散元pfc、3dec
離散元PFC-3DEC.pdf
【pfc離散元】
巖土工程數值模擬方法、FISH、PYTHON語言及COMMAND命令
復雜顆粒形狀模擬、三軸剪切、顆粒破碎
巖石（膠結顆粒）材料的剪切
接觸模型選擇與參數標定、
活動門試驗、盾構隧道掌子面穩定性、
節理巖體中的硐室開挖穩定性、二維殼結構單元耦合、
PFC3D與FLAC3D耦合、PFC-CFD耦合模擬、
孔隙介質中Darcy流模擬
【3Dec離散元】
巖層/地下空間開挖/掘進、FISH語言編程、
3DEC節理/接觸面/結構單元、靜力學分析、
巷道錨桿支護模擬、初始地應力場反演技術、
地面注漿/水力壓裂、地下空間開挖巖層運移分析、
隧道掘進圍巖力學響應分析、邊坡開挖
流固耦合、滲流、非線性動力模擬、3DEC后處理。
3月離散元專題，下周六開課，在線直播，提供視頻回放及案例代碼
詳情請查閱：
https://mp.weixin.qq.com/s/ZSsNK-JJM89ybUAsYq8r7Q
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建筑物的自由振動和地震分析(1)---定義土層
(1) 在Soil面板內使用創建鉆孔(Create Borehole)工具產生地層【錨索和地下連續墻聯合支護的開挖過程模擬(Tieback Wall)；軟土地層開挖和支護模擬(Excavation and Support of Soft Soil)---Part 1】。在原點x=0處創建一個鉆孔，彈出Modify soil layers窗口，增加兩層土(0,-15)和(-15,-40)，同時設置水位-15m。
5 3D模型
對于3D模型，首先需要設置模型的范圍，這一點比2D的設置更為重要，因為它定義的是模型另一個方向的長度。其實定義模型的范圍是一種非常古老的設計方法，特別是對于2D模型，模型的范圍應該是自適應的，但Plaxis一直保留著這種風格。
Plaxis3D僅提供了10節點的四面體單元【
3D單元類型選擇對計算結果的顯著影響(Element Type)
；
第三方的網格生成器(Grid/Mesh Generation)---Pointwise,CUBIT和HyperMesh
】。定義土層的方法與2D完全相同。
展開 FLAC3D錨桿建模助手 ￥29.9
其中，進行地下工程開挖支護模擬時，需要建立圍巖的噴錨支護模型，而錨桿的數量往往較多，且其坐標較為不規則。本文介紹了一款FLAC3D錨桿建模插件AutoCAD插件，能夠自動、大批量地生成FLAC3D 5.0和FLAC3D 6.0軟件內的錨桿建模代碼。
界面介紹
圖 1 錨桿建模插件界面介紹
如圖 1所示，該插件界面上包含如下參數選擇或輸入區：(1) 選擇軟件版本；(2) 選擇坐標原點（為了與FLAC3D三維數值模型建模時的坐標原點相匹配）；(3) 單位縮放比例(為了保證CAD草圖的單位與數值模型相匹配)；(4) 錨桿劃分段數；(5) 選擇錨桿是否反向(為了調整CAD草圖繪制錨桿時線段方向與擬建錨桿的起點-終點方向)；(6) 每次生成錨桿代碼時賦予的ID號。填寫參數后通過單擊“選取線段并生成代碼”按鈕就可以直接生成FLAC3D錨桿建模代碼。下面具體介紹使用方法。
使用方法
插件：CableTool.dll
使用步驟：
(1) 打開CAD并繪制錨桿草圖；
(2) 在CAD命令行輸入netload加載插件“CableTool.dll”；
(3) 在CAD命令行輸入命令GC并回車，彈出錨桿代碼生成界面；
(4) 根據需要填寫參數；
(5) 單擊“選取線段并生成代碼”并選擇要進行創建的錨桿草圖，回車后錨桿代碼自動復制到剪切板，其中錨桿代碼中的Y坐標用“[Y]”進行替代，用戶可以根據自己的需要進行更改。
建模案例
圖 2 FLAC3D錨桿模型
圖 3 錨桿建模案例草圖
此處，以平行隧道施工開挖建模為例，對錨桿建模過程進行演示。
展開 樁筏基礎的三維數值模擬(3D Modeling of Piled Raft Foundation)---Part 1
在隨后的20年里，由于世界各地超高層建筑的不斷涌現特別是數值模擬技術的突破性發展，因而進行了大量設計和預測方法的改進以及實例研究，特別是非線性三維數值模擬的引入，其中一個最典型的代表是Plaxis 3D。
總的來說，樁筏基礎似乎存在著相互矛盾的設計方法論。一種理論認為，樁筏基礎中的樁承受大部分載荷，筏板只承受小部分載荷；另一種理論則認為，樁筏基礎中的筏板主要承受地基載荷，樁的作用主要是為了減少差異沉降。根據我有限的工程實踐經驗以及從巖土工程師的角度出發，個人比較偏向于第一種理論，因為大部分建筑的地基土是均勻的，樁基本上均勻布置，除非有特殊載荷，否則樁的尺寸(包括直徑和樁長)在設計時是一樣的，沒有減少差異沉降的目的，另一方面，樁改善了土的力學性能，提高了地基土的承載力，如果土的承載力不足，建筑物將會產生較大的沉降量。
3 三維模擬
本例展示了一個正方形樁筏基礎的模擬過程，側重模擬思路的理解。
(1) 施工步驟。分階段的施工步驟設置是巖土工程數值模擬需要考慮的一個重要事項。首先，在巖土體中施工應該進行自重或應力的初始化，其次，外載荷、支護、分步開挖等施工步驟需要分開進行設置。
展開 『原創』韓國大型巖土與隧道專業中文軟件MIDAS-GTS
1）巖土及隧道專用程序
應力分析
施工階段分析
基坑開挖與支護分析
滲流分析
應力-滲流耦合分析
動力分析
邊坡穩定分析
2）地基與結構的協同分析
模擬隧道支護
模擬臨時架設的構件
模擬樁
模擬邊坡支護
3）三維的直觀建模
人性化的操作環境
直觀的建模方法
隧道建模助手
地形生成器
DXF文件導入
4）豐富的材料本構模型
15種本構模型&用戶自定義本構
