桩载荷测试的三维回溯分析
很多人以为学会软件是什么模型都会建，我觉得可能不是。只要把想要建的模型简化好，建出来，算出来的结果合理。才算是会了软件。
不在于把模型建多么的逼真，多么的复杂。
就以这个单桩的计算，搞好了也能发一篇论文哈哈
1.
简介
桩载试验是一种可靠的方法，用于验证桩设计并评估原位土壤条件和参数的不确定性。其中一种特别创新的方法是奥斯特伯格细胞（O细胞）检测。与传统从顶部施加载荷的方法不同，O-cell技术是从堆底施加载荷。安装在基座附近的液压驱动在压力下膨胀，向上推向轴，向下推向桩基。向上的阻力推动轴摩擦，而向下的力则推动端部轴承的阻力。压力逐渐增加，直到桩达到极限承载能力，可能是通过侧剪切、端部承载或两者结合。
图1：桩载测试配置：地层与胞体 位置
正在研究的桩型如图所示 1. 混凝土仅在-14.0米至-51.3米之间铺设。在-14.0米以上安装了临时钢制套管，以防止桩与周围土壤之间的轴摩擦。载荷测试在1000毫米×2800毫米的发胶发夹上进行，使用两个不同的O组件，分别位于不同深度：
o上部O型单元安装在-34.70米至-35.20米之间，
o下部O细胞位于-46.70米至-47.20米之间。
每个O组件的上下轴承板均记录了位移。载荷测试分为两个阶段进行：
o首先，下部O组件加压至53.20 MN，然后卸载。
o接着，上部组件加压至58.63 MN，随后放松。在此阶段，下部组件先被排空，随后锁定。
这些测试的实验结果如图所示 2.
图2：桩载试验实验结果
本例重点介绍利用体积（连续介质）元素在PLAXIS 3D中模拟O单元桩载测试。它强调了几种建模技术，旨在：
o提升数值模型的计算效率，
o实现针对目标载荷-位移曲线的准确校准。
利用项目的几何对称性，仅建模了发夹的四分之一。此外，当前分析仅限于第一阶段的装卸阶段。
2.
模型构建
启动一个新项目，并根据几何体的大小定义合适的等高线尺寸（见图3）。
图3：项目属性中的模型维度定义
尺寸xmax = 10 m和ymax = 5 m被选定为远大于barrette水平尺寸（分别为实际建模的1.4米和0.5米），以避免边界效应。
土壤模式
首先创建本项目将使用的土壤材料属性，具体总结如下 表1。
点击侧面（垂直）工具栏中的创建钻孔按钮开始定义土壤地层，并在绘图区域点击 x = 0 定位钻孔。“修改土壤层”窗口将如图4所示显示：
o在2.5米到-9.4米、-9.4米到-10.9米、-10.9米到-14.4米、-14.4米、-14.4米到-34.9米之间添加7层土层
海拔为-34.9米至-75米，-75米至-117米，-117米至-130米，
o为每层分别赋予土壤材料集 合参数，定义如下 表1，
o将水位设为-8米。
表1：土壤材料集 合参数
参数 | 粉砂 | 方钙石 | 方解石岩/粉砂岩 | 泥岩 |
土壤模型 | 莫尔-库仑 | 莫尔-库仑 | 莫尔-库仑 | 莫尔-库仑 |
排水类型 | 被抽干 | 被抽干 | 被抽干 | 被抽干 |
未饱和重量γ未饱和 | 18千牛/米3 | 19 kN/m 3 | 19 kN/m 3 | 19 kN/m 3 |
饱和的重量γ坐着 | 18千牛/米3 | 19 kN/m 3 | 19 kN/m 3 | 19 kN/m 3 |
机械性质 | | | | |
杨氏模E参考 | 30E3 kPa | 300E3 kPa | 1.7E6 | 1.7E6 |
泊松比值 v | 0.3 | 0.25 | 0.25 | 0.25 |
凝聚力 c'ref | 1 kPa | 35千帕 | 38 kPa | 38 kPa |
摩擦角φ' | 30o | 32o | 27o | 27o |
膨胀角度ψ | 0o | 0o | 0o | 0o |
拉伸强度 ft | 0 kPa | 0 kPa | 0 kPa | 0 kPa |
初始应力性质 | | | | |
初始应力比 K0 | 自动 | 自动 | 自动 | 自动 |
参数 | 砂岩 | 方解石岩 |
土壤模型 | HSS购物中心 | HSS购物中心 |
排水类型 | 被抽干 | 被抽干 |
未饱和重量γ未饱和 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
饱和的重量γ坐着 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
机械性质 | | |
参考：割线模数E50 | 200E3 kPa | 500E3 kPa |
参考文献：oedometer modulus Eoedref | 200E3 kPa | 500E3 kPa |
参考：杨氏模数E，您的参考 | 600E3 kPa | 1.5E6 kPa |
泊松比与你的比 | 0.1 | 0.1 |
功率系数 m | 0 | 0 |
参考压力 p参考 | 100 kPa | 100 kPa |
参考文献 参考：动态剪切模数 G0 | 750E3 kPa | 1.5E6 kPa |
剪切应变 70% | 0.4E-3 | 0.4E-3 |
凝聚力 c'ref | 25千帕 | 40千帕 |
摩擦角φ' | 35o | 38o |
膨胀角度ψ | 0o | 0o |
拉伸强度 ft | 0 kPa | 0 kPa |
初始应力性质 | | |
初始应力比 K0 | 自动 | 自动 |
图4：钻孔定义
在对应发夹底部的Polygon_5上建立负面界面。
O型产生的压力载荷将分别通过在Polygon_3和Polygon_4上产生表面载荷来产生 。 最后将压力设为σz = 19000 kPa（O-cell上层能级Polygon_3），σz = -19000 kPa（O-cell下层能级）压力（Polygon_4）。
（a） 网格细化 （b） 生成网格
图5：网格定义
网格模式
选择包围发夹侧外轮廓的五个顶层簇，并将其粗度因子设为0.4（见图5（a））。
点击 生成网格，并将元素分布设置为中等。生成的网格如图5（b）所示。
分阶段建设模式
进入分阶段建设模式。开始创建混凝土材料的材料属性集，以及即将激活的挡柱/土壤界面属性，分别见表2和表3。
表2：混凝土材料性质
材料名称 | 混凝土 | 混凝土低刚度 |
土壤模型 | 线性弹性 | 线性弹性 |
单位重量不饱和γ无卫星 | 24千牛顿-3 | 24千牛顿-3 |
排水类型 | 非多孔 | 非多孔 |
机械性质 | | |
杨模E参考 | 20E6 kPa | 20千帕 |
泊松比 ν | 0.2 | 0.2 |
表3：接口材料集参数
参数 | 界面砂岩 | 界面方解石岩 |
土壤模型 | 莫尔-库仑 | 莫尔-库仑 |
排水类型 | 被抽干 | 被抽干 |
未饱和重量γ未饱和 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
饱和的重量γ坐着 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
机械性质 | | |
杨氏模E参考 | 600E3 | 1.5E6 |
泊松比值 v | 0.25 | 0.25 |
凝聚力 c'ref | 225千帕 | 400千帕 |
摩擦角φ' | 0o | 0o |
膨胀角度ψ | 0o | 0o |
拉伸强度 ft | 0 kPa | 0 kPa |
初始条件
初始阶段将使用K0程序，这是PLAXIS的默认阶段类型，因此该阶段无需具体作。
第一阶段：发掘
创建一个第一阶段，命名为“堆叠安装”：
o将桶上方的3个土壤簇停用（从z=-14米以上），并将其设置
水质条件需要干燥。
o沿6个切割面启动规定位移，以保持剩余土壤不动（见图6）。
o选择对应于barrette的5个土壤簇（从z = -14米到z = -51.3米），并将其材料设置为Error！中定义的混凝土。找不到参考来源。。 把水质条件也设为干燥。
o通过从z=-51.3米到z=-51.8米的接口扩展，激活发夹体积周围和下方的所有接口元件。
o根据夹子接触方解石岩还是砂岩，分配适当的界面性质，如图所示 图7。
图6：计划位移的激活
图7：巴雷特/周围土壤界面定义
第二阶段：装载
创建第二阶段，题为“加载”：
o首先从相位设置对话框中激活“重置位移”为零开始。
o将O-单元簇（从z = - 46.7米到z = - 47.2米）分配到混凝土低刚度材料。
o激活地面载荷
第三阶段：卸载
创建第三阶段，题为《Unloading》：
o停用表面载荷
3
o点击“选择曲线点”按钮。模型和选择点窗口会显示在输出程序中。
o定义（0， 0， -47.2）和（0， 0， -46.7）为兴趣点坐标。计算可通过点击“计算”启动。
3.
主要计算结果
图8：曲线生成轴属性的选择
在曲线设置中，只需选择最后阶段（垂直载荷[阶段2]）计算结果，如图9所示。
图9：相选择曲线设置
对上层o细胞部分节点重复这些作，位置为（0， 0， -46.7）。图10最终显示了桩顶和底部位置生成的载荷-位移曲线。
通过附录中提供的 postProcessOsterberg.py 脚本绘制了数值获得的特征载荷-位移曲线及其与实验值的比较。
运行 postProcessOsterberg.py 脚本将同时显示数值和实验载荷-位移曲线，如图11所示。可以很容易地将数值结果与实验结果对应上下细胞部分的最佳匹配。
图10：桩顶和桩底位置的计算载荷-位移曲线
图11：载荷-位移曲线
4.
灵敏度分析
表1中提供的材料参数经过初步校准，以确保与实验结果最优匹配，运行本例的用户可以立即体验到一套优化的材料性能。然而，重要的是要认识到正确考虑土壤刚度以获得适配度的重要性。
在此背景下，我们建议重新考虑使用莫尔-库仑本构模型对砂岩和方解石岩层进行奥斯特伯格测试的数值分析，如表4所示。使用MC模型时，应变水平对土壤剪切刚度的影响未被考虑，因此不发生刚度退化机制。土壤刚度保持在用户初始输入值 G0、Ref 和 vyour 之间。
表4：砂岩和方解石岩层的替代土壤材料参数
参数 | 砂岩MC | 方解石 MC |
| | |
土壤模型 | 莫尔-库仑 | 莫尔-库仑 |
排水类型 | 被抽干 | 被抽干 |
未饱和重量γ未饱和 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
饱和的重量γ坐着 | 19 kN/m 3 | 20 kN/m 3 |
机械性质 | | |
杨氏模E参考 | 1.65E6 kPa | 3.9E6 kPa |
泊松比值 v | 0.1 | 0.1 |
剪切模量G参考 | 750E3 kPa | 1.5E6 kPa |
凝聚力 c'ref | 25千帕 | 40千帕 |
摩擦角φ' | 35o | 38o |
膨胀角度ψ | 0o | 0o |
拉伸强度 ft | 0 kPa | 0 kPa |
初始应力性质 | | |
初始应力比 K0 | 自动 | 自动 |
在土壤模式下，创建另外两组材料参数，并替换Borehole_1相应的材料（如图12所示）。完成新分析后，再重新运行分析，脚本 postProcessOsterberg.py 输出。它将显示实验和更新的载荷-位移曲线，如图13所示，图中可以观察到下部O-cell部分明显过于刚性的数值答案。
图12：灵敏度分析用的井筒定义更新
图13：使用MC本构模型获得的载荷-位移曲线
